楊 君，袁 俊，楊春麗，王文金，張 杰，李華妮

〈綜述與評論〉

超表面在微測輻射熱計(jì)中的應(yīng)用

楊 君，袁 俊，楊春麗，王文金，張 杰，李華妮

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

超表面突破了傳統(tǒng)自然材料的電磁特性限制，同時也解決了三維超材料難以加工實(shí)現(xiàn)等瓶頸問題，使器件朝著集成化，小型化，低成本，可調(diào)諧的方向不斷發(fā)展。目前超表面已在許多領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，在探測器領(lǐng)域也越來越受到人們的重視，通過獨(dú)特的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超表面可有效完成電磁波各項(xiàng)特性的精確調(diào)控，通過超表面的集成，微測輻射熱計(jì)在光吸收增強(qiáng)，器件波段選擇改善等方面有了更多的可能性。本文針對超表面及其在微測輻射熱計(jì)上的應(yīng)用研究進(jìn)行了闡述，展現(xiàn)了超表面在這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和廣闊前景。

超表面；微測輻射熱計(jì)；光吸收增強(qiáng)；波段選擇

0 引言

介電常數(shù)和磁導(dǎo)率一定程度上決定了電磁波的傳播特性。如圖1(a)所示，到目前為止自然界中并不存在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)的物質(zhì)。但我們是否可以人工的制造出和單個為負(fù)或者同時為負(fù)的人工結(jié)構(gòu)呢？

1967年蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago從理論上預(yù)言這種超常電磁性能結(jié)構(gòu)存在的可能性[1]，但當(dāng)時這個預(yù)言并沒有得到人們的廣泛關(guān)注，直到20世紀(jì)90年代末，超材料的理論被英國倫敦帝國理工學(xué)院Pendry教授提出[2]，并于21世紀(jì)初由美國杜克大學(xué)Smith教授在實(shí)驗(yàn)室制備出了第一塊微波頻段電磁超材料[3]，由此掀起了超材料的研究熱潮。

超材料具有可人為設(shè)計(jì)的電磁屬性，是一種“超自然材料”。通過將金屬材料和介質(zhì)材料按照人為設(shè)計(jì)的方式在亞波長尺度進(jìn)行排布，便可以任意調(diào)節(jié)這種人工結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而構(gòu)建出人工“負(fù)折射材料”、“零折射材料”、“雙曲色散材料”，同時超材料還是超衍射成像/光刻、高增益天線等應(yīng)用的基礎(chǔ)[4]。

然而，超材料在制造上，尤其是高頻時較為困難，目前在微米及更小級別的結(jié)構(gòu)上，三維加工技術(shù)尚未成熟。為此，學(xué)者們從平面超材料結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，在二維空間上利用已成熟的加工工藝，如光刻、納米壓印等方法進(jìn)行超材料的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這種二維平面超材料即為超表面。超表面的尺寸結(jié)構(gòu)是亞波長級的，它突破了傳統(tǒng)“體材料”的限制，解決了超材料由于體積大、損耗高、制造困難等缺陷難以集成到微小系統(tǒng)中的問題。

同時，由于在光學(xué)界面上設(shè)計(jì)時空間的不均勻性提供了自由度，超表面能在亞波長傳播距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位的突變，可以對電磁波的振幅、相位、偏振、極化方式、傳播模式等特性進(jìn)行靈活調(diào)控[5]，關(guān)于超表面的研究經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的過程。事實(shí)上由于加工等因素的限制，早期很多關(guān)于超材料的研究都是基于二維平面進(jìn)行的，但我們通常把這些研究歸在超材料的范疇。直到2011年，哈佛大學(xué)Cappaso團(tuán)隊(duì)提出了廣義斯涅爾定律[6]，首次給出“超表面”這一概念，為超表面墊定了理論基礎(chǔ)，并提出了里程碑式的V型納米天線超表面結(jié)構(gòu)，由此掀起了超表面研究的浪潮。

1 超表面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)Cappaso團(tuán)隊(duì)最初提出的超表面的概念，超表面通常是通過組裝微型各向異性光散射體陣列（即諧振器，如光學(xué)天線）來創(chuàng)建的，能使光束的相位、振幅、偏振等在自由空間波長的尺度上產(chǎn)生突變的人工結(jié)構(gòu)。但事實(shí)上，近年來的相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中，各種厚度小于波長的電磁表面結(jié)構(gòu)均被歸到超表面的范疇。

關(guān)于超表面的理論研究，不得不提到Cappaso團(tuán)隊(duì)提出的廣義斯涅爾定律及對應(yīng)的天線陣列理論[6]（如圖1(b)、(c)、(d)），它的提出，為超表面快速發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。此后，Pancharatnam和Berry在早期的研究中探索出了PB相位原理[10]（如圖1(e)），為后期圓偏振光調(diào)控得以實(shí)現(xiàn)打下了理論基礎(chǔ)。而由Pfeiffer等人發(fā)表的惠更斯超表面為提高超表面器件效率引出了新方向[11]。同時學(xué)者們還提出了許多推動超表面發(fā)展的理論，諸如亞波長表面電磁理論[12]，等效電路和等效阻抗理論[13]，超表面輔助的衍射理論，超表面輔助的電磁吸收理論[4]等。

近年來，亞波長電磁學(xué)的許多領(lǐng)域，如“超表面”，“表面等離子體”，“超材料”，“光子晶體”等在不斷發(fā)展的同時又緊密聯(lián)系，相互交融，很難嚴(yán)格地區(qū)分開來[4]。故關(guān)于超表面的研究往往需要綜合以上領(lǐng)域知識，比如超材料的許多理論在某些超表面研究過程中仍然適用，同時超表面的研究還需要結(jié)合光學(xué)和表面物理的相關(guān)知識，關(guān)于此可以參考文獻(xiàn)[12]。

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在具體實(shí)現(xiàn)之前，通常需要通過仿真來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。超表面本質(zhì)是一種電磁微納結(jié)構(gòu)，而對于電磁微納結(jié)構(gòu)的仿真已經(jīng)比較成熟，其核心就是通過數(shù)值模擬計(jì)算的方法，如時域有限差分法、有限元法和有限積分法等實(shí)現(xiàn)超表面對電磁調(diào)控的模擬。目前市場上流行的電磁微納仿真軟件都是基于這些計(jì)算方法而實(shí)現(xiàn)的，主要有基于有限元法為主的ansys HFSS、COMSOL Multiphysiscs，基于有限積分法為主的CST Studio Suite，基于時域有限差分法的FDTD Solutions等。每一種仿真軟件各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時通常需要考慮結(jié)構(gòu)用途、實(shí)現(xiàn)方式、仿真難度、精度要求等進(jìn)行選擇。

在超表面的制備方面，目前采用比較多的是光刻和印刷兩類技術(shù)。光刻類技術(shù)通常是利用掩模板把超表面圖形轉(zhuǎn)移到所要制備的材料襯底上，通過沉積，刻蝕等步驟最終實(shí)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)的制備；而印刷類技術(shù)一般不需要掩模板或者利用已有的掩模板在基板上直接印刷沉積超表面。此外，還有以電子束直寫、蘸筆印刷、聚焦離子束等為代表的直寫類技術(shù)[14]。

超表面突破了傳統(tǒng)光學(xué)和電磁理論的局限，同時具有易于加工等技術(shù)優(yōu)勢，通過結(jié)合MEMS（Micro-Electro Mechanical System）工藝，超表面能實(shí)現(xiàn)集成化批量低成本生產(chǎn)，被認(rèn)為是下一代集成光子器件的首選技術(shù)[15]。

2 超表面在微測輻射熱計(jì)中的應(yīng)用

超表面是最近十多年才發(fā)展起來的新興領(lǐng)域，但其應(yīng)用卻十分廣泛。從超表面的本質(zhì)出發(fā)，它可以應(yīng)用到各類需對光的振幅、相位、偏振態(tài)等特性進(jìn)行調(diào)控的器件上。目前超表面被廣泛應(yīng)用于超透鏡[16-19]、全息顯示[20-23]、天線技術(shù)[24-27]、微波和太赫茲器件[28-31]以及隱身技術(shù)[32-35]等領(lǐng)域。近年來，超表面也被應(yīng)用到了探測領(lǐng)域，并展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

探測器的電信號都代表了入射光的強(qiáng)度。然而，探測器本身并不能完全利用光的其他電磁參數(shù)，如相位、頻率和偏振狀態(tài)等。因此，探測器通常需要與折射透鏡、光譜濾光片、偏振器和其他單獨(dú)的光學(xué)設(shè)備配對，以實(shí)現(xiàn)對光波其他特性的利用[36]。超表面有著“人工原子”的特點(diǎn)，這意味著我們可以微觀地去獨(dú)立設(shè)計(jì)每一個單元的結(jié)構(gòu)和排布方式，從而實(shí)現(xiàn)光波電磁參數(shù)的獨(dú)立調(diào)控。因此，超表面為開發(fā)探測器件提供了一個通用的平臺。與傳統(tǒng)調(diào)制方法相比，超表面可以用半導(dǎo)體芯片行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大規(guī)模制造，這不僅縮小了器件尺寸，降低了成本，也為批量化生產(chǎn)，提高效率提供了新方案。

測輻射熱計(jì)又稱為電阻熱探測器，是利用熱敏電阻對溫度的敏感特性對入射的紅外輻射進(jìn)行探測的器件。其種類較多，包括VO、a-Si以及YBaCuO等，其中VO和a-Si屬主流產(chǎn)品[37]。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS微橋結(jié)構(gòu)技術(shù)制造的微測輻射熱計(jì)逐漸成為非制冷紅外探測器的主流。

目前一些常見的微測輻射熱計(jì)超表面結(jié)構(gòu)可以粗略地分為如圖2的幾種結(jié)構(gòu)，包括：下凹孔洞型，如圖(a)、(b)；上凸天線型，如圖(c)、(d)、(e)、(f)。其中(a)、(d)為方塊型，(b)、(e)為圓柱型，(c)、(f)為其他一些特殊形狀。實(shí)際上應(yīng)用到器件上的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，且形式多樣。

就目前而言，超表面在探測器上的應(yīng)用主要是增強(qiáng)光吸收、優(yōu)化光譜選擇、綜合提高器件波段選擇吸收以及偏振極化等方面。而對于微測輻射熱計(jì)，超表面的應(yīng)用主要可以分為增強(qiáng)光吸收和優(yōu)化器件波段選擇兩方面。

2.1 增強(qiáng)光吸收

探測器的響應(yīng)率可以表示為[38]：

式中：B為偏置電壓；為電阻溫度系數(shù)（Emperature Coefficient of Resistance，TCR）；為吸收率；為熱導(dǎo)；為斬波頻率；th為熱時間常數(shù)。從上式我們可以看出響應(yīng)率隨吸收呈線性增加關(guān)系。一般而言，在設(shè)計(jì)紅外探測器時會增加抗反射層或吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)敏感元自身吸收率低的缺陷。傳統(tǒng)的紅外吸收結(jié)構(gòu)存在體積龐大、靈活性差、吸收不足等諸多問題，不能滿足未來探測器多功能化、集成化、芯片化的發(fā)展趨勢[39]。為此我們可以考慮利用微納結(jié)構(gòu)來達(dá)到增強(qiáng)探測器吸收效率的目的，例如，減反射層的使用，表面等離子激元的激發(fā)，表面織狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，光柵結(jié)構(gòu)的利用等[40]。

近年來，人們逐漸認(rèn)識到超表面在這一領(lǐng)域上的應(yīng)用前景，提出了“超表面完美吸收器”的概念。超表面完美吸收器的實(shí)現(xiàn)原理是入射光波與超表面結(jié)構(gòu)單元間的諧振相互作用，因此可以把它看成一種諧振型吸收器。它們通常是由超表面共振上層、中間電介質(zhì)消耗層、金屬薄膜下反射層組成的三層耦合結(jié)構(gòu)。如果入射光波的趨膚深度遠(yuǎn)小于金屬膜的厚度，那么光波將無法穿透超表面吸收器，即實(shí)現(xiàn)零透射。通過對超表面共振層的選材、尺寸、結(jié)構(gòu)、排列方式等參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以使結(jié)構(gòu)表面具有相同的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進(jìn)而在特定波長范圍內(nèi)，超表面與自由空間的表面阻抗得以匹配，使得入射光波完全被“約束”在中間電介質(zhì)消耗層內(nèi)。通過來回的振蕩反射消耗，使得入射光波的能量被完全吸收，實(shí)現(xiàn)近乎100%的完美吸收[40]。如果將超表面完美吸收器與測輻射熱計(jì)集成，便可顯著提高探測器的響應(yīng)率。

早在2009年，Thomas Maier等人[41]就提出了一種通過超材料來實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)和吸收可控的高響應(yīng)率微測輻射熱計(jì)。2016年，Evan M. Smith等人[42]設(shè)計(jì)了一種與氧化釩微測輻射熱計(jì)集成的長波紅外吸收共振超表面。如圖3(a)所示，該結(jié)構(gòu)提供了長波紅外的多個重疊共振，可以實(shí)現(xiàn)比通常應(yīng)用的1/4諧振腔更寬的吸收范圍。吸收帶在設(shè)計(jì)上比法布里-珀羅共振腔更容易調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)測量顯示，在3～18mm波長范圍內(nèi)出現(xiàn)了多個吸收波段。長波紅外的平均吸收率為80%。整個短波紅外的平均吸收率為45%。大大增強(qiáng)了氧化釩薄膜的吸收。

基于表面等離子體共振效應(yīng)，Qi Li等人[43]在2017年提出了一種周期性超表面結(jié)構(gòu)作為額外的吸收層，增強(qiáng)了中波和長波紅外區(qū)域的雙波段吸收。如圖3(b)所示，該設(shè)計(jì)為SiN/VO2/SiN夾層結(jié)構(gòu)，頂部有周期性金圓柱天線，增強(qiáng)了雙波帶吸收。此外，硅襯底上用作反射器的金鏡和光學(xué)諧振腔同樣起到了增強(qiáng)吸收的效果。其仿真結(jié)果表明，吸收器在波長＝4.8mm和＝9mm處有兩個吸收峰，在中波和長波紅外區(qū)域的吸收量分別大于0.98和0.94。同時，吸收器在長波紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了廣譜吸收，通過改變腔的高度、直徑和盤的周期性可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的雙波段吸收峰。同年，Joo-Yun Jung等人[44]的研究證明了低損耗金屬超表面可以顯著增強(qiáng)微測輻射熱計(jì)的吸收，降低其熱質(zhì)量。其設(shè)計(jì)如圖3(c)所示，實(shí)驗(yàn)證明，即使該超表面吸收面積的填充因子降低到27.75%，它在長波紅外波段也有顯著的寬帶吸收。

2019年，Omar Alkorjia等人[45]提出了一種如圖3(d)的超表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)有一層下支撐臂結(jié)構(gòu)用以提高填充系數(shù)。在8～14mm輻射范圍內(nèi)，通過調(diào)整超表面尺寸（盤直徑和周期性），可以實(shí)現(xiàn)任意中心波長光譜的選擇性完美吸收。結(jié)果顯示，與沒有使用超表面的器件相比，其電壓噪聲降低了一個數(shù)量級。

我們可以利用相對簡單的人工幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)入射電磁能量的完美吸收。但由于簡單結(jié)構(gòu)的單共振特性，這些超表面只能實(shí)現(xiàn)非常窄的頻率帶寬。基于許多不同的基本結(jié)構(gòu)組合能夠建設(shè)性地耦合更多的共振，并擴(kuò)大完美吸收的帶寬。Dwight W. Swett等人[46]在2020年提出了一種多耦合超表面吸收器設(shè)計(jì)。如圖3(e)，其結(jié)構(gòu)形狀近似一組倒保角輪廓的紅玫瑰，此超表面吸收器具有多重耦合吸收共振特性，在4.5mm中心波長上具有100%寬帶紅外吸收的特性。同時他們將此設(shè)計(jì)應(yīng)用到了二氧化釩微測輻射熱計(jì)上，該超表面結(jié)構(gòu)的使用使微測輻射熱計(jì)的吸收率、探測率、噪聲等性能指標(biāo)都有了明顯的提升。

2.2 改善器件波段選擇

紅外光與可見光類似，在其傳播過程中會遭到大氣中各種物質(zhì)的“阻礙”，通常表現(xiàn)為被大氣中的塵埃、顆粒等反射（散射）、吸收和透射。不同波長的光波在大氣中傳播時被消耗的量是不一樣的，大氣對紅外線消耗較少的波段，被形象地稱為“大氣窗口”。紅外波段根據(jù)大氣窗口不同，可粗略分為短波紅外波段（0.76～3mm）、中波紅外波段（3～5mm）和長波紅外波段（8～14mm）。在應(yīng)用中，對紅外探測的具體要求是具有高靈敏度和強(qiáng)識別能力，能在復(fù)雜的背景中分辨識別目標(biāo)[37]。要做到高靈敏度，就需要探測器吸收材料能夠與所探測的目標(biāo)輻射間實(shí)現(xiàn)頻率匹配，為了達(dá)到這一目的，需要對入射光譜進(jìn)行選擇過濾。而強(qiáng)識別能力的實(shí)現(xiàn)，很大程度上取決于對探測器背景噪聲的控制。

圖3 幾種超表面吸收結(jié)構(gòu)及其結(jié)果：(a)左圖為長波紅外吸收共振超表面結(jié)構(gòu)示意圖；右圖為超表面吸收器的反射光譜圖[42]；(b)上圖和中圖分別為周期性超表面結(jié)構(gòu)的俯視圖和結(jié)構(gòu)示意圖；下圖為光學(xué)諧振腔和表面等離子體對器件吸收的影響示意圖[43]；(c)左圖為紅外寬帶超表面吸收器結(jié)構(gòu)示意圖；右圖為超表面吸收器測量（實(shí)心曲線）和仿真（虛線曲線）的吸收光譜響應(yīng)圖[44]；(d)左圖為結(jié)合超表面的微測輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；右圖為在300℃下進(jìn)行真空退火前后的電壓噪聲圖[45]；(e)左圖為紅玫瑰狀超表面吸收器結(jié)構(gòu)示意圖；右圖為相對于表面法線入射時角度在0°～45°之間變化所對應(yīng)的吸收光譜圖[46]

光電探測器的背景噪聲來自于從探測器結(jié)構(gòu)中發(fā)射或吸收光子數(shù)量的波動。相比之下，熱探測器的背景噪聲和輻射噪聲都來源于發(fā)射或吸收光子總能量的波動。我們可以通過對光譜所有區(qū)域進(jìn)行積分的方法來獲得黑體的總能量波動[47]：

式中：是斯特凡-玻爾茲曼常數(shù)。微測輻射熱計(jì)在室溫下工作在長紅外波段，對黑體總能量波動的推導(dǎo)是比較噪聲的一個很好的度量。同時，對于光譜選擇性熱探測器，因?yàn)槿肷涞教綔y器上的光子中只有一小部分被吸收。所以我們還需要通過發(fā)射率(,,)來修正上述表達(dá)式[47]：

從上式可以看出，相比于寬光譜吸收，窄光譜區(qū)域吸收能量波動較小，器件熱導(dǎo)率低，背景噪聲要低得多。

因此光譜選擇對于微測輻射熱計(jì)而言尤為重要。有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)其光譜選擇，目前最常用的方法是在微測輻射熱計(jì)上配置一個法布里-珀羅過濾器，它通過阻斷所需光譜區(qū)域以外的光譜傳輸來實(shí)現(xiàn)器件的光譜選擇，但它對探測器的背景噪聲影響很小。我們當(dāng)然可以選擇制冷的方式降低噪聲，但代價(jià)是探測器會變得極其笨重且昂貴。波長選擇超表面的出現(xiàn)為微測輻射計(jì)光譜的選擇提供了一條低成本、輕質(zhì)量、集成化的解決思路。

Thomas Maier等人[48]在2009年提出通過超材料來實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)和吸收可控的高響應(yīng)率微測輻射熱計(jì)后，又于2010年提出了[49]如圖4(a)所示的超材料結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)將金屬-介質(zhì)-金屬臺面組成的吸收型超材料集成到傳統(tǒng)的微測輻射熱計(jì)上，通過改變超材料的尺寸參數(shù)可以使微測輻射熱計(jì)具有波長選擇性，連續(xù)屏蔽層能夠有效地阻擋除諧振分量以外的所有波長分量傳輸，展示了它們在帶寬調(diào)諧方面的潛力。

由于超表面吸收譜非常窄，只能吸收單一諧振頻率。所以拓展工作帶寬對于超表面在微測輻射熱計(jì)波長選擇上的應(yīng)用具有十分重要的意義。2013年，Hoo Kim等人[50]提出了一種三維堆疊雙帶微測輻射熱計(jì)的設(shè)計(jì)。如圖4(b)，他們設(shè)計(jì)了兩種不同圖案類型的電阻板層，利用帶外傳輸和反射特性，組合兩層結(jié)構(gòu)來提高單個層的吸收效率。著重分析并模擬了雙帶微測輻射熱計(jì)每一層對應(yīng)的吸收機(jī)理，使下部腔型層能夠有效地吸收長波紅外波段能量，而疊加的偶極型層則吸收中波紅外波段能量。結(jié)果表明，頂部偶極型層在5mm處達(dá)到吸收峰值，腔型層和底部的鏡面層則在10mm處達(dá)到吸收峰值。兩種不同類型電阻板層的堆疊組合為高效的波長選擇性吸收提供了條件，同時長波紅外和中波紅外波段的計(jì)算吸收效率都接近100%。

2015年，Joo-Yun Jung等人[51]提出了一種在長波紅外波段上的波長選擇性超表面吸收器并將其應(yīng)用于多光譜微測輻射熱計(jì)上。如圖4(c)，制備的超表面吸收器在長波紅外波段顯示出了有效的窄帶波長選擇吸收特性，并證明了使用不同尺寸的超表面結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的三色光譜響應(yīng)。顯示了波長選擇性超表面吸收器在多光譜微測輻射熱計(jì)應(yīng)用上的優(yōu)越性。同年，Kaikai Du等人[52]研究了一種如圖5(a)的基于超表面吸收器的微測輻射熱計(jì)。該微測輻射熱計(jì)由幾層薄層組成，吸收器的總厚度只有185nm。僅通過改變金盤的直徑，吸收波長就可以從2.4mm調(diào)整到10.2mm，峰值吸收率約為90%。在給定的情況下，熱敏電阻的溫度變化達(dá)到1.3K，在光熱成像系統(tǒng)中顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

2016年，Tao Liu等人[53]綜合考慮了窄帶和寬帶紅外超表面集成微測輻射計(jì)的設(shè)計(jì)，提出了如圖5(b)所示的六邊形封閉圓盤超表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通過長波紅外窗口的窄帶和寬帶吸收。他們將支撐橋腿設(shè)置在微測輻射熱計(jì)的下面從而避免了1/4波腔的破壞。同時還將這種結(jié)構(gòu)拓展到多層超表面耦合微輻射熱計(jì)上，以實(shí)現(xiàn)在保持整體高吸收率的同時提供光譜選擇性。而后在2019年，他們又在此基礎(chǔ)上提出了[54]兩種基于超表面的微測輻射熱計(jì)，以實(shí)現(xiàn)長波紅外的寬帶吸收。如圖5(c)，在第一個設(shè)計(jì)中，通過超表面的使用，解除了器件對法布里-珀羅1/4腔的依賴。同時將橋腿設(shè)置在像元下方可以在不犧牲填充系數(shù)的情況下增加腿的長度，增大微測輻射熱計(jì)和基板之間的熱阻。第二個設(shè)計(jì)擴(kuò)展了該結(jié)構(gòu)，在微測輻射熱計(jì)上方又增加了第二個微測輻射熱計(jì)，每個微測輻射熱計(jì)上的超表面可以被設(shè)計(jì)為只捕獲部分光譜，將其組合便能最大限度地提高整個長波紅外波段的總吸收率。在此設(shè)計(jì)中，超表面使微測輻射熱計(jì)TCR增加了5%至12%，電阻率顯著降低，兩種微測輻射熱計(jì)的測量電壓響應(yīng)率和探測靈敏度均在103V/W和109cm×Hz1/2/W以上。

圖4 幾種超表面波長選擇結(jié)構(gòu)及其結(jié)果（1）：(a)上圖為中紅外多光譜超表面基本單元結(jié)構(gòu)示意圖；下圖為寬度不同的超表面吸收器集成到微測輻射熱計(jì)上的吸收光譜圖[49]；(b)左上、右上、中圖分別為偶極型電阻板、槽型電阻板及偶極-槽鏡堆疊超表面吸收器結(jié)構(gòu)示意圖；下圖為偶極型電阻板層（紅）、槽型電阻板層（藍(lán)）及偶極-槽鏡堆疊結(jié)構(gòu)（黑）的吸收光譜圖[50]；(c)左圖為多光譜波長選擇性超表面吸收器及超表面單個單元結(jié)構(gòu)示意圖；右圖為三種不同尺寸的超表面吸收器的光譜響應(yīng)圖[51]

圖5 幾種超表面波長選擇結(jié)構(gòu)及其結(jié)果（2）：(a)左上圖為超表面結(jié)構(gòu)示意圖；右上圖為超表面單個單元結(jié)構(gòu)示意圖；左下圖為超表面的光譜響應(yīng)圖；右下圖為吸收峰值波長與超表面頂部金盤半徑的關(guān)系圖[52]；(b)上圖為六邊形陣列窄帶超表面結(jié)構(gòu)示意圖，下圖為集成到微測輻射熱計(jì)中的寬帶超表面結(jié)構(gòu)示意圖[53]；(c)左圖為超表面集成到SixGeyO1-x-y紅外微測輻射計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖（左為單腔，右為雙腔）；右圖為單腔微測輻射計(jì)的響應(yīng)率和探測率示意圖[54]

為了能夠更加靈活地使用超表面進(jìn)行微測輻射熱計(jì)的光譜調(diào)控，學(xué)者們開始關(guān)注其動態(tài)調(diào)控特性。Timothy A. Creazzo等人[55]在2017年設(shè)計(jì)了兩種超表面吸收器的調(diào)諧方法并使其應(yīng)用于與微測輻射熱計(jì)的集成。如圖6(a)，第一種方法是在器件的光柵和背板之間的液晶（LC）上施加電壓，由于外加電壓下液晶折射率的變化，共振峰從0V時的11mm轉(zhuǎn)移到6V時的9.6mm。另一種方法是改變?nèi)鐖D5(a)左下圖所示結(jié)構(gòu)的空腔厚度，這可以通過摻入壓電致動器來實(shí)現(xiàn)。在光柵和鏡子之間留下一個氣腔。通過對壓電致動器施加電壓，可以改變腔體厚度，導(dǎo)致峰吸收波長的變化。這種動態(tài)調(diào)控能力對于微測輻射熱計(jì)的光譜調(diào)控具有十分重要的意義。同年，Kevin Gallacher等人[56]設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立的帶有n-Ge等離子體天線的Si0.25Ge0.75微測輻射熱計(jì)，為在硅平臺上進(jìn)行化學(xué)武器識別和集成中紅外傳感器提供了啟示。

圖6 幾種超表面波長選擇結(jié)構(gòu)及其結(jié)果（3）：(a)左上，右上圖分別為利用液晶調(diào)諧的吸收器截面圖和在0V（藍(lán)色）和6V（綠色）條件下液晶調(diào)諧吸收器的模擬（虛線）、測量（實(shí)線）反射光譜圖；左下，右下圖分別為為利用吸收腔壓電調(diào)諧的吸收器截面圖和不同腔體厚度值下的反射光譜圖[55]；(b)上圖為波長選擇性測輻射熱計(jì)示意圖（底部為全視圖，頂部為截面圖）；下圖為器件諧振波長與諧振器寬度(w)的關(guān)系圖[57]；(c)左圖為用于光譜和偏振檢測的超表面集成微測輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)圖；右下圖為兩種天線寬度不同的寬度超表面吸收器截面圖及他們所對應(yīng)的光譜吸收曲線圖[58]

2019年，Thang Duy Dao等人[57]提出了如圖6(b)所示的波長選擇性超表面微測輻射熱計(jì)吸收結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，僅通過改變超表面諧振器的尺寸，就可以很容易地調(diào)諧微測輻射熱計(jì)的諧振率。當(dāng)結(jié)構(gòu)周期性和絕緣層等條件不變時，器件的諧振波長與諧振器的寬度成正比，這提供了一種十分便捷的方法來調(diào)整微測輻射熱計(jì)的活動波長。

隨著研究的深入，超表面對光波的其他特性（如偏振）的調(diào)控也被應(yīng)用到了微測輻射熱計(jì)上。2022年，F(xiàn)ei Yi等人[58]提出了兩種基于超表面吸收器的VO微測輻射熱計(jì)，分別在5.3～6.6mm和6.0～7.4mm的光譜波段進(jìn)行光譜和偏振檢測。如圖6(c)所示，通過調(diào)整納米帶天線的尺寸和氮化硅間隔片的厚度，MIM結(jié)構(gòu)的阻抗可以與真空結(jié)構(gòu)的阻抗相匹配，從而產(chǎn)生光譜選擇性和偏振選擇性光吸收。當(dāng)光譜帶或光的偏振狀態(tài)所攜帶的信息不足以區(qū)分目標(biāo)時，結(jié)合兩種模式信息可以提供關(guān)于目標(biāo)的更完整的圖像。

要說明的是，上述關(guān)于超表面增強(qiáng)光吸收和優(yōu)化波段選擇的分類只是側(cè)重點(diǎn)不同，事實(shí)上以上提到的超表面設(shè)計(jì)在改善微測輻射熱計(jì)波段選擇的同時也增強(qiáng)了它的吸收，不僅如此，由此帶來的諸如響應(yīng)率增加，噪聲減小等正面效應(yīng)也是我們不容忽視的。

3 結(jié)論及展望

超表面受到廣泛關(guān)注和研究的原因在于它在保留超材料超常特性的同時突破了超材料的限制；同時在調(diào)控電磁波振幅、相位、偏振、極化方式等方面顯示出了優(yōu)越性，具有極大的應(yīng)用前景。

本文首先從超表面的發(fā)展及實(shí)現(xiàn)方式等角度出發(fā)，介紹了超表面的基本概念和發(fā)展?jié)摿Α＝又攸c(diǎn)對其在微測輻射熱計(jì)上的應(yīng)用進(jìn)行了歸納闡述，將超表面結(jié)構(gòu)與微測輻射熱計(jì)結(jié)合，可以大幅度提高微測輻射熱計(jì)的紅外吸收，通過優(yōu)化超表面吸收層的種類、形貌、大小以及排列方式，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對微測輻射熱計(jì)諧振頻率、帶寬等的調(diào)控[39]。

可以預(yù)見，超表面將朝著更低損耗、更寬頻段、更可調(diào)諧、更易加工、更高透過率等高要求的方向發(fā)展。隨著理論基礎(chǔ)的完善，加工技術(shù)的進(jìn)一步成熟，大批研究學(xué)者的加入，超表面將成為一門獨(dú)立的學(xué)科，受到更多人的重視。同時它也將拓展到更多的領(lǐng)域，對各行各業(yè)產(chǎn)生更大的影響。

對于微測輻射熱計(jì)而言，超表面在改善器件波段選擇，增強(qiáng)光吸收方向的優(yōu)勢已被多個團(tuán)隊(duì)通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明。形成了“多光譜窄帶完美吸收”的效果，回歸到超表面的本質(zhì)，我們可以預(yù)見光的諸如偏振，相位等更多電磁屬性將被進(jìn)一步發(fā)掘，同時朝著工業(yè)化的方向發(fā)展。隨著人們對高科技產(chǎn)品需求的提高以及微測輻射熱計(jì)在人們生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)將會得到快速發(fā)展，微測輻射熱計(jì)的體積重量將越來越小，集成化度和功能密集度將越來越高，成本和價(jià)格將越來越低。

超表面的出現(xiàn)，為制備微測輻射熱計(jì)提供了嶄新的途徑。隨著越來越多學(xué)者們的探索，未來超表面將在微測輻射熱計(jì)領(lǐng)域中產(chǎn)生更多顛覆性的作用。

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Application of Metasurfaces in Microbolometers

YANG Jun，YUAN Jun，YANG Chunli，WANG Wenjin，ZHANG Jie，LI Huani

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Metasurfaces have overcome the electromagnetic limitations of traditional natural materials and solved the bottlenecks of difficult processing and implementation of three-dimensional metamaterials, leading devices to continuously develop towards integration, miniaturization, low cost, and tunability. Metasurfaces are widely used in many fields and are increasingly valued in the field of detectors. Through unique material and structural designs, metasurfaces can effectively achieve precise control of various electromagnetic wave characteristics. Through the integration of metasurfaces, microbolometers are more likely to enhance light absorption and improve the device band selection. This article elaborates on the research on metasurfaces and their applications in microbolometers, demonstrating the development trend and broad prospects of metasurfaces in this field.

metasurface, microbolometer, enhanced light absorption, waveband selection

TN214

A

1001-8891(2024)01-0001-11

2022-12-04；

2023-02-15.

楊君（1997-），男，碩士研究生，研究方向是非制冷探測器超表面結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。E-mail: yangjun_wulisuo@163.com。

袁?。?980-）男，正高工，主要從事紅外探測器研究。E-mail：yuanjun5516@tom.com。

楊春麗（1980-），女，正高工，主要從事紅外探測器研究。E-mail：149578363@qq.com。