MXene 辅助的可重构太赫兹超表面

《Optical Materials》：MXene-assisted Reconfigurable Terahertz Metasurface

　　**摘要**- MXene辅助的超表面实现了可电气调谐的太赫兹调制。- 减小谐振器间距可获得更强的太赫兹响应。- 在可变电压下利用太赫兹时域光谱研究了宽带环极共振。- MXene在自适应和微型化太赫兹器件中展现出潜力。**引言**太赫兹（THz）科学与技术（覆盖0.1-10 THz频段）处于微波与红外频率之间，已成为下一代光子学中的前沿领域。这些技术在无损成像[1]、[2]、高速无线通信[3]、[4]、[5]以及光谱学[6]、[7]、[8]、[9]、[10]方面展现出卓越能力，对医疗诊断、安检筛查等领域产生了变革性影响[11]、[12]、[13]、[14]。为充分利用太赫兹波段的全部潜力，必须开发能够在亚波长尺度上高效操控和与该辐射相互作用的器件。这推动了超材料及其二维（2D）对应物——超表面的快速发展。这些由人工设计的亚波长单元组成的结构，已成为以非常规且紧凑的方式控制太赫兹辐射的可行替代方案[15]、[16]、[17]、[18]。通过精确设计单元结构（晶胞或谐振器）及其空间排列，可以操控入射电磁波的波长、振幅、相位和偏振[19]、[20]、[21]、[22]。近年来，该领域的一项重要进展是可适应超表面的出现，这类超表面利用外部刺激——如电场[23]、[24]、热能[25]、[26]、[27]、磁场[28]、光[29]、[30]等——来动态调制共振特性。这种可重构性对于敏捷的太赫兹器件（如调制器、滤波器和传感器）至关重要[31]、[32]。因此，研究人员通过载流子注入[33]、相变材料[26]、[34]和电光调制[35]等机制，在实现主动调谐方面做出了大量努力。在上述进展中，超系统中环极（TD）模式的发现激发了科学界对这些复杂多极激发模式的浓厚兴趣[36]、[37]。与传统电偶极（ED）和磁偶极（MD）模式不同，环极共振具有独特的特性，包括高品质因数（Q值）、窄线宽和增强的光-物质相互作用[38]、[39]。这些属性使其特别适用于纳米激光器[40]、传感器[41]和非线性增强[42]等前沿光子应用。TD可以被视为MD磁矩沿圆形轨迹以头尾相连方式排列的构型[28]、[43]。这种局域化约束最小化了功率耗散，从而提高了太赫兹器件的整体效率。最近，对TD模式的操控能力使得无源子（anapole）——一种具有强烈光-物质相互作用应用的独特现象——的探索成为可能[44]、[45]。ED和TD展现出相同的远场辐射模式，可以以相同幅度但相反相位被激发。因此，总辐射可以完全抑制，形成所谓的无源子非辐射电荷-电流构型。实现理想的无源子条件仍然是一个挑战，但TD模式的探索仍然是研究焦点，特别是其控制辐射损耗的能力。在太赫兹超表面中，TD共振已展现出多种应用潜力，如超高灵敏度传感[37]、[46]、二进制计算[47]和生物检测[41]。与此同时，人们对低维材料产生了浓厚兴趣，这些材料因其降维特性而具有独特的物理和化学特征。石墨烯、黑磷和二硫化过渡金属等材料已被研究，其引入促进了高速、低功耗自适应器件的开发[48]、[49]、[50]、[51]。这些本质上极薄的层状结构为微型化组件提供了基础，同时促进了纳米尺度上的增强场约束和相互作用[52]。然而，多种常用二维材料在太赫兹波段存在固有局限性，最突出的是其相对较窄（或无）的带隙以及较低的电气偏压调谐范围。这限制了它们在更宽太赫兹频段中进行精确高速调制的实际效果，从而推动了对可能克服这些固有局限性的新型高带隙低维材料的需求。为应对这些挑战，本研究聚焦于MXene——一类蓬勃发展的二维早期过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，这些材料在光隔离和飞秒锁模应用中引发了研究兴趣[53]、[54]、[55]。近年来，由于MXene的金属导电性、易加工性和亲水性，其在电磁波研究领域备受关注[56]、[57]。MXene的通式为Mn+1XnTx（n=1-4），其中M代表Ti、Nb、Mo等早期过渡金属，X指碳和/或氮，Tx表示外层M层上的表面终端基团（如?F、?O、?OH）。这些表面终端基团（Tx）在修饰MXene的电子结构中起关键作用，也可能影响其太赫兹特性。然而，在MXene合成过程中从MAX相中选择性刻蚀A族元素（如Al、Si、Ga等）会导致多样且不可控的表面终端基团，造成理论预测与实验结果之间的偏差[57]、[58]。实际上，这一挑战使MXene材料的理性设计变得复杂。此外，Ti3C2的理论模拟表明，它在太赫兹波段展现出显著的光吸收和出色的热电性能，使MXene成为太赫兹热敏探测器和光热电探测器等应用的有前景的候选材料[59]、[60]。鉴于MXene在太赫兹波段的巨大潜力，本研究展示了在混合有MXene颗粒的太赫兹超表面中，对环极和高阶共振的主动调制。对集成MXene的超表面施加0 V至26 V的电压，可实现对共振特征的动态操控，为电压控制的多重共振太赫兹腔开辟道路。所提出的方法强调了MXene作为传统二维材料在主动超材料平台中合理替代品的潜力，可实现对环极电磁响应的无与伦比的调控，为自适应太赫兹器件、可调谐传感器和调制器的进步铺平了道路。因此，本研究代表了智能可重构光子系统的重要进展，该系统可以利用环极电磁学的独特能力。**章节摘要****MXene的合成**Ti3C2Tx MXene通过选择性刻蚀工艺合成，其中Ti3AlC2被选择性刻蚀。该方法中，将1 g Ti3AlC2粉末逐渐加入20 mL 49%氢氟酸中，严格控制以避免H2气泡快速产生。所得混合物在50°C下持续搅拌18小时。完成后，沉淀物用去离子水和乙醇反复洗涤以去除残留HF和杂质，将溶液调节至中性pH。**MXene的表征**主要研究通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）分别进行，额外的电学表征（I-V特性）见补充材料图S1。为研究合成的Ti3C2Tx的相纯度和晶体结构，进行了XRD分析。所得XRD谱如图1(a)所示，在8.44°和60.72°处出现显著的衍射峰。**结论**总之，我们将MXene纳入精心设计的太赫兹共振结构中，实现了环极共振的电气控制。具体而言，我们设计了两种基于谐振器的超表面结构，由互连的镜像开口环谐振器组成，谐振器间距分别为5 μm和3 μm，以支持和激发环极模式。我们利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）在0 V至……的偏压范围内广泛研究了超表面的响应。**CRediT作者贡献声明****Tau Geun Kim：** 撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取。**Dibakar Roy Chowdhury：** 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，方法论，资金获取，概念化。**Nityananda Acharyya：** 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调查研究，数据管理。**Shreeya Rane：** 撰写——审阅与编辑，方法论，形式化分析，数据管理。**Mangababu Akkanaboina：** 撰写——**利益冲突声明**作者声明不存在已知的影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。**利益冲突**作者声明不存在利益冲突。**数据可用性声明**支持本研究结果的数据可通过向作者提出合理请求获得。**利益冲突声明**? 作者声明不存在已知的影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者DRC感谢CRG/2023/000887和STR/2022/000018的部分支持。作者TGK感谢韩国政府资助的研发成果商业化促进机构（COMPA）拨款支持（编号：RS-2025-03373041）。Nityananda Acharyya|Shreeya Rane|Atul C. Khot|Yogitha S. N|Mangababu Akkanaboina|Deepak Kumar|Tae Geun Kim|Dibakar Roy Chowdhury