近日，山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院楊家躍教授課題組聯(lián)合山東師范大學(xué)韓張華教授在納米光子學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Ultrathin Dual-Band Polaritonic Metasurface Enabling Robust Far-Infrared Detection”為題，發(fā)表于ACS Photonics（https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02761）。該研究提出一種以超薄元原子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外波段共振的策略，打破長(zhǎng)共振波長(zhǎng)伴隨高元原子厚度的固有矛盾；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用 h = 70 nm 的元原子即可在 λ = 21.9 μm 處實(shí)現(xiàn)共振（h/λ = 0.32%），尺寸要求顯著低于既往方案。山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院22級(jí)博士研究生成濤為論文第一作者，楊家躍教授與韓張華教授為論文通訊作者，山東大學(xué)為第一完成單位。

研究背景:

遠(yuǎn)紅外波段（FIR，>15 μm）包含豐富的分子指紋信息，并因穿透深度大、光子能量低而適用于醫(yī)學(xué)、傳感與能源技術(shù)中的安全、無(wú)創(chuàng)應(yīng)用。超表面通過(guò)將電磁場(chǎng)限制在亞波長(zhǎng)單元內(nèi)并增強(qiáng)光—物質(zhì)相互作用，推動(dòng)了紅外器件向芯片集成、微型化與超薄化發(fā)展。然而，將可調(diào)諧光學(xué)共振進(jìn)一步擴(kuò)展到更長(zhǎng)紅外波長(zhǎng)面臨根本性瓶頸：受衍射極限與材料在該波段本征吸收弱（色散弱）的共同制約，為實(shí)現(xiàn)高效光子—材料耦合往往需要更長(zhǎng)的有效光程，進(jìn)而不可避免地推高結(jié)構(gòu)尺寸。現(xiàn)有方案通常依賴(lài)多層腔結(jié)構(gòu)或高元原子高度超表面，這不僅提升制備難度，也增加了成本。聲子極化激元平臺(tái)為緩解上述矛盾提供了可行路徑：在材料的Reststrahlen 帶內(nèi)，強(qiáng)光子—聲子耦合可激發(fā)表面聲子極化激元（SPhPs），并通過(guò)超表面工程實(shí)現(xiàn)局域化，形成局域表面聲子極化激元（LSPhPs）。此類(lèi)結(jié)構(gòu)即使元原子高度僅為百納米量級(jí)，也可在約10 μm 波段實(shí)現(xiàn)強(qiáng)共振吸收。盡管如此，由于多數(shù)聲子極化激元材料的 Reststrahlen 帶通常止于~15 μm 以下，將共振波長(zhǎng)進(jìn)一步推向更長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外范圍仍面臨顯著挑戰(zhàn)。

文章亮點(diǎn)：

• 模擬與實(shí)驗(yàn)一致表明：當(dāng)元原子高度h = 70 nm 時(shí)，SPhPs 在λ = 21.9 μm 處出現(xiàn)顯著共振；對(duì)應(yīng)的相對(duì)厚度 h/λ × 100% = 0.32%，顯著低于既有紅外調(diào)制的比例值。

• 該超表面LSPhPs 諧振器表現(xiàn)出角色散抑制與高品質(zhì)因數(shù)（Q ≈ 100）。

• 本研究首次展示了可將探測(cè)/工作波段拓展至20 μm 以上的聲子極化激元平臺(tái)。

• 在聚合物厚度解析與聚合物類(lèi)型區(qū)分方面，該超薄超表面相較于厚型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更優(yōu)。

文章概要：

研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于SPhPs 與雙Reststrahlen 帶的超薄SrTiO3/Ge 混合超表面，用于突破典型遠(yuǎn)紅外（FIR）器件對(duì)厚度的依賴(lài)。全波數(shù)值模擬表明：以SrTiO3作為 SPhPs 傳輸介質(zhì)、以高折射率 Ge 作為極化近場(chǎng)擾動(dòng)元原子，可在超薄幾何下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)共振與高效耦合。值得注意的是，兩個(gè) Reststrahlen 帶中的主吸收模式A與A'的|Ez|空間分布相對(duì)于位移電流Jd 的方向呈現(xiàn)鏡像式反轉(zhuǎn)。其根本原因在于：模式A與A'的主導(dǎo)響應(yīng)在兩Reststrahlen帶中發(fā)生了感性—容性特征的互換，從而引起Jd的相位偏移，并使x–z平面內(nèi)位移電流回路的環(huán)流方向隨之反向。與此同時(shí)，兩條能帶之間介電函數(shù)實(shí)部ε′ 的色散斜率以及虛部 ε″（損耗）幅值存在顯著差異，這些差異會(huì)改變SPhPs 的傳播特性與等效邊界條件，進(jìn)而重塑近場(chǎng)能量流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致所觀測(cè)到的回路電流方向反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖1 聲子極化超表面的設(shè)計(jì)思路

全波數(shù)值模擬與 DNN 計(jì)算一致表明，所設(shè)計(jì)的超薄混合介電超表面實(shí)現(xiàn)了目前已報(bào)道結(jié)構(gòu)中最低的h/λ 比值。此外，該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)Reststrahlen 帶內(nèi)均可激發(fā)強(qiáng)烈的LSPhPs 共振，并呈現(xiàn)顯著的近場(chǎng)增強(qiáng)能力。以氣體檢測(cè)為例，穿透深度d?（定義為電場(chǎng)強(qiáng)度由峰值100% 衰減至10% 所對(duì)應(yīng)的距離）是衡量靈敏度的關(guān)鍵指標(biāo)。模式A 的d? 可達(dá)668 nm，約為既有報(bào)道超表面的3倍，且明顯大于模式 A′（554 nm）。在折射率傳感場(chǎng)景中，檢測(cè)深度d?（電場(chǎng)在空氣中衰減至1/e 的距離）同樣至關(guān)重要。模式A 的d? 達(dá)到7750 nm，幾乎為文獻(xiàn)報(bào)道值的3倍；而模式 A′ 不僅具有更強(qiáng)的局域場(chǎng)強(qiáng)，其d? 進(jìn)一步提升至 10846 nm，從而顯著增強(qiáng)了檢測(cè)靈敏度。

圖2 雙Reststrahlen帶中LSPhP的吸收與場(chǎng)特性

光譜橢偏儀可測(cè)得橢偏參數(shù)（Ψ、Δ），從而同時(shí)獲取反射振幅比與相位信息。與裸SrTiO? 襯底相比，引入超表面后Ψ 與Δ 整體降低：接近0的區(qū)域被明顯拓展，且等高線圖中的顏色對(duì)比度隨入射角增大以及超原子高度增加而更加顯著。在上述增強(qiáng)條件下，Ψ 逐漸逼近45°，Δ 則趨近?π/2。根據(jù)式 (S3)，此時(shí)TE 與TM 的吸收振幅趨于相當(dāng)，二者相位差接近90°，從而顯著削弱了兩種偏振響應(yīng)的差異。進(jìn)一步，我們提取了鍺層的等效復(fù)介電函數(shù)。結(jié)果表明，隨著超原子高度增加，ε′（實(shí)部）降低而ε″（虛部）升高。在LSPhPs 共振波長(zhǎng)附近，ε′ 會(huì)出現(xiàn)顯著下探，同時(shí)ε″ 相應(yīng)增大，且這兩種變化在更高結(jié)構(gòu)高度時(shí)更為明顯。更負(fù)的ε′ 可歸因于LSPhPs 誘導(dǎo)的等效非線性極化隨高度增強(qiáng)；而ε″ 的升高則主要源于鍺層變厚后非輻射損耗的放大。

圖3 SrTiO3/Ge混合超表面的橢偏實(shí)驗(yàn)表征

最后，基于光譜特性，我們開(kāi)展了聚合物檢測(cè)的概念驗(yàn)證：遠(yuǎn)紅外模式實(shí)現(xiàn)了高效的厚度傳感與材料識(shí)別，且更薄的超表面表現(xiàn)出更優(yōu)性能?？傮w而言，本工作展示了在長(zhǎng)波長(zhǎng)共振與超薄器件幾何之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同的設(shè)計(jì)路徑，為 FIR 領(lǐng)域高效、超薄超表面器件的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

圖4基于超薄超表面的多聚物探測(cè)實(shí)驗(yàn)