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为解决有源超表面在中红外波段应用的难题，卡内基梅隆大学研究人员开展电可编程像素化相干中红外热发射研究。他们实现相关调制及低串扰控制，成果对红外传感、健康监测等意义重大，值得科研人员一读。
卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究人员 Xiu Liu、Yibai Zhong 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Electrically programmable pixelated coherent mid-infrared thermal emission” 的论文。这篇论文在中红外光控制及相关应用领域具有重要意义，为实现可扩展的二维电气布线、推动下一代中红外有源元器件的发展提供了新的思路和方法。
研究背景
有源超表面（Active metasurfaces）作为一种能够对电磁场和光学响应进行动态控制的平台，近年来备受关注。它由亚波长光散射体或天线（“元原子”）的平面阵列组成，与传统的体光学相比，具有超紧凑、轻量化和节能等优点，在航空航天遥感、自由空间通信、即时护理和可穿戴健康监测等受尺寸、重量或功率预算限制的应用中极具潜力。同时，其高密度的元原子还能为自动驾驶汽车中的光检测和测距（LiDAR）以及增强现实 / 虚拟现实（AR/VR）模块中的光场显示等设备实现实时光束整形和转向。
然而，与无源超表面相比，有源超表面在制造后的可调性方面存在额外的复杂性，这给实现这些先进功能带来了显著的技术挑战，尤其是在中红外波段。例如，窄带隙半导体的亚波长尺度阵列存在晶体生长成本高和需要外部冷却的问题，这阻碍了小型化设备的集成；相变超表面的动态切换通常局限于金属态和介电态之间的二分法，而多态相变则面临工作窗口窄的问题，难以达到临界温度。此外，在中红外范围内实现动态光控制的方法虽然众多，如热热板、机械驱动和光激光脉冲等，但实现大面积像素化二维阵列的电可编程片上集成仍然是一个重大挑战。单像素有源超表面通过电调制石墨烯和透明导电氧化物等材料的折射率，通常只能产生有限的红外发射率对比度；白炽超表面中的焦耳加热将像素调制限制在二进制开 / 关状态，并且由于电极与光学活性区域的重叠，对相干特性的可用设计参数也施加了限制。虽然目前的研究主要集中在一维阵列的面内扇出写入设计，但由于电气寻址的复杂性，电驱动的二维像素化超表面很少得到展示。
研究方法
研究人员基于与石墨烯场效应晶体管（Gr - FETs）集成的电可编程等离子体超表面，开发了一种集成发射率 - 温度方案，实现了对相干中红外发射的高度动态、像素化调制。具体来说，他们通过以下步骤进行研究：
- 器件制备：采用低压化学气相沉积（LPCVD）在 99.9% 纯铜箔上合成单层石墨烯，经过一系列清洗、退火和生长过程后，将其转移到 Si/SiO? 晶圆上。利用光刻、电子束蒸发等多种微纳加工技术，制备出包含 Gr - FETs、金纳米天线和氧化铝层等结构的像素化有源超表面。其中，金纳米天线作为元原子，与 Gr - FETs 协同工作，实现对中红外发射的控制；氧化铝层则作为栅极电介质和间隔层，优化超表面的性能。
- 模拟分析：运用 COMSOL Multiphysics 软件进行时域有限元分析，对单像素 Gr - FET 器件进行瞬态电热模拟，获取器件在不同电压调制下的温度变化情况；借助 Ansys Lumerical FDTD 软件进行光学模拟，通过平面波源照射和设置周期性边界条件，研究超表面的反射能量，进而得到发射率信息，分析中红外发射的相干特性。
- 测量表征：使用 Thermo Fisher Nicolet iS50 傅里叶变换红外光谱仪测量光谱，通过显微镜将红外光聚焦在超表面的有源区域，基于偏振滤波器测量不同偏振角度下的反射率，根据能量守恒原理和基尔霍夫定律计算发射率；利用 Keysight A1500A 半导体器件分析仪进行电流 - 电压扫描测量；采用定制设计的 PCB 测试系统，结合 Arduino 软件、微控制器单元（MCU）和数模转换器（DAC）等，实现对超表面的电气控制；通过 QFI InfraScope 系统捕获静态和动态热成像图，利用 530 - nm 单色入射 LED 和 CCD 相机进行时域热反射率测量，获取表面温度变化信息。
研究结果
- 集成发射率 - 温度有源超表面：研究人员设计并制造了由 Gr - FETs 电驱动的像素化有源超表面（图 1a）。每个像素包含一个金（Au）等离子体纳米天线阵列，其与单层石墨烯通道直接接触或通过 Al?O? 介电层分离。Gr - FETs 结构提供了可调节和可编程的焦耳加热通道，能够精确地将加热位置转移到具有指定发射率的目标像素超表面上（图 1b）。通过改变金纳米正方形的边长，其共振波长可在 2.9μm 至 4.8μm 范围内进行调谐（图 1c）；通过调整金纳米棒阵列的极化方向，可实现不同像素在不同波长和极化角度下的发射（图 2）。此外，研究人员还展示了等离子体准束缚态连续体（P - QBIC）模式，相较于局部表面等离子体（LSP）模式，该模式具有更高的时间和空间相干性（图 3）。通过分析色散关系，研究人员对 P - QBIC 模式的相干时间和相干长度进行了量化，结果表明其相干时间和相干长度相较于 LSP 模式有显著提升。
- 像素化二维阵列动力学与调节发射：研究人员引入了具有独立局部栅电极的可寻址像素化有源超表面（图 6a）。通过控制每个像素的栅极电压，可以精确调节加热像素的位置和加热强度，进而调节像素的亮度（图 6c）。通过这种方法，研究人员实现了对 3×3 像素化阵列的控制，展示了多种字母和数字图案（图 6e）。该可寻址像素化操作仅需 7 个电引脚（“2N + 1” 个引脚），远少于传统设计中的 9 个引脚（“N2” 个引脚），随着像素数量的增加，这种优势将更加明显。
- 像素调制的瞬态热映射：为了定量理解二维阵列中单个像素在通过像素扫描显示动态红外图案时的响应速度，研究人员对单像素器件进行了热瞬态模拟，并通过时域热反射率温度映射测量进行验证（图 7）。研究人员展示了两种调制方案：栅极电压调制和源漏电压开 / 关调制。结果表明，栅极电压调制的截止频率为 146kHz，源漏电压开 / 关调制的截止频率为 184kHz。通过优化衬底设计和超表面尺寸，器件速度有望达到 MHz 级别。
- 用于低串扰的双栅像素化阵列：由于石墨烯像素晶体管无法完全关闭，会产生热串扰问题。为了解决这一问题，研究人员开发了一种具有下拉（PU）晶体管配置的双栅像素化阵列（图 8a）。每个像素由一个中心加热 Gr - FET 和四个环绕的 “L” 形 PU Gr - FET 组成。通过合理设计 PU 晶体管的几何形状和操作电压，可以有效降低热串扰，增强像素的开 / 关温度对比度（图 8c）。研究人员通过实验验证了这种设计的有效性，实现了对单个像素的精确控制，并且该双栅像素设计的引脚数量为 3N + 1，仍然远少于传统设计的 N2 个引脚。
研究结论与讨论
本研究通过实验展示了一种集成 Gr - FETs 的像素化电驱动等离子体超表面，用于动态相干中红外发射。通过定制设计等离子体纳米天线，包括 LSP 和 P - QBIC，并结合石墨烯的超宽带红外透明度，实现了对不同相干状态（包括共振波长、方向和极化）的调谐。通过将发射率控制与 Gr - FET 的空间温度调节相结合，实现了二维像素化高速动力学，在低串扰的情况下带宽约为 146kHz。这种石墨烯集成有源超表面在红外芯片实验室、化学和生物传感、个性化健康监测以及便携式实时光束整形和转向等领域具有重要的应用前景。
该研究成果为中红外光控制领域提供了新的技术手段和研究思路。其创新性的设计和方法不仅解决了有源超表面在中红外波段面临的一些关键技术难题，还为实现可扩展的二维电气布线和高密度、独立可寻址像素的应用提供了可能。然而，研究也存在一些局限性，例如目前器件的工作温度范围受到金元原子熔点的限制，虽然可以通过采用保护涂层或更换材料等方法进行改进，但仍需要进一步的研究和优化。未来的研究可以朝着提高器件性能、拓展应用领域以及实现大规模集成等方向展开，有望推动中红外有源元器件的进一步发展，为相关领域带来更多的创新和突破。
