超强激光科学卓越创新简报

(第二百九十五期)

2022年8月5日

上海光机所在太赫兹超表面对多波段Fano共振的控制研究方面取得新进展

　　上海光机所精密光学制造与检测中心与合作单位山东省枣庄学院、天津大学在太赫兹超表面对多波段Fano共振的双重控制方面取得新进展，相关成果以“Dual control of multi-band resonances with a metal-halide perovskite-integrated terahertz metasurface”为题发表于Nanoscale上，实现了金属卤化物钙钛矿集成太赫兹超表面对多波段Fano共振的双重控制，对未来实现多种方式调制超表面的电磁特性具有重要指导意义，为未来开发多种方式的可调谐超表面提供了新的途径。

　　Fano共振是一种特殊的物理现象，具有非对称分布的线型和尖锐光谱的特征，具有高Q品质因子，而基于Fano共振现象的多波带超表面光学器件对通信和生物领域的器件设计具有重要价值，且多应用于时分复用、太赫兹高速无线通信、生物医学传感器、光解码器等多种器件设计领域。鉴于钙钛矿族材料具有更高的载流子迁移率和更长的扩散长度的独特优势，故钙钛矿的超表面具有较大的研究价值，且在太阳能电池、LED、光电探测器和激光器等领域具有较大的应用潜力。然而，利用多波段Fano共振现象实现钙钛矿可调谐超材料器件的报道相对较少且其主要基于光调制的方式，受超表面微纳单元结构的限制，也往往只能实现较少的工作频带（<=3个），且具有较低的Q品质因子，调谐功能较弱，影响了工作效能,光调谐方式实现的超表面元件调谐范围也较小。因此，设计并制备多种调制方式的多波带Fano共振钙钛矿超表面是目前科研人员关心的热门话题。

　　研究团队设计、制造了一种基于五边形花瓣形状的周期性结构组成的可调谐钙钛矿超表面，其能在x方向实现五个波带的Fano共振，且有多个谐振波段高Q品质因子。由于搭建系统和可调谐的光电材料利用相对困难，分别利用电、光两种方式实现电磁调控也不方便,研究人员根据钙钛矿薄膜独特的光电特性，通过超表面上表面附加钙钛矿层和离子胶薄膜，运用激光和电压变化的方式改变超表面钙钛矿薄膜的电导率，实现了由激光和电子设备分别独立调制的超材料集成钙钛矿器件, 拓展了钙钛矿材料的调制方式，其最大调制深度(MD)达到了197.39%。在实验中发现，微纳单元间的电容效应和钙钛矿费米能级调节效应在光电调制中起着重要作用，尤其电调控的调制特性具有更宽的频移范围和更大的可调谐幅度。

　　相关工作得到了上海市扬帆计划、国家自然基金、中国科学院青年创新促进会的支持。

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图1 金属卤化物集成太赫兹多波段Fano共振超表面的示意图(a)光调控钙钛矿超表面的实验设备环境(b)显微镜下的1cm×1cm超表面成品(c)单个超表面单元的几何结构和参数 (d)SEM显微镜下的钙钛矿卤化物结构(e)单个超表面单元等效的电容效应

图2 (a)电调控钙钛矿超表面的透过率特性(b)仿真后不同电导率时超表面的透过率特性(c)光调控钙钛矿超表面的透过率特性(0-179.11mW/cm²)(d)光调控钙钛矿超表面的透过率特性(0-33.09mW/cm²)