模板辅助自组装全介质超表面与智能可重构光子器件研究

Recently, all-dielectric metasurfaces have become a research hotspot in the field of electromagnetic waves, ranging from terahertz to optical frequencies. However, the existing fabrication methods for all-dielectric metasurfaces in terahertz and optical ranges have difficulty to achieve a good balance between the area, precision and cost. In addition, the reported all-dielectric metasurfaces usually suffer from low tunability. This project intends to develop an ultra-large-scale and high-precision fabrication method of terahertz and optical all-dielectric metasurfaces inspired by the template assisted self-assembly method. Then, various meta-devices are designed and fabricated based on this method. Finally, with the combination of coupling effect and active media, reconfigurable meta-devices are developed. This project would help to develop large-scale, low loss and reconfigurable all-dielectric devices from terahertz to optical ranges.

近年来，全介质超表面因其低损耗、结构简单等优点正成为光频、太赫兹电磁波研究领域的热点。然而，当前全介质超表面的制备技术往往难以在面积、精度、成本这几个主要指标上得到平衡。另外，全介质超表面较差的可重构能力也制约了其进一步应用。本项目在前期基础上，拟开发出米氏谐振颗粒的“模板辅助自组装”技术，并通过系统研究米氏谐振颗粒自组装动力学过程，探索出大面积、高精度、低成本的光频全介质超表面的制备方法。接着，基于“自组装”全介质超表面独特的形貌，提出“多原子”型全介质超表面光子器件理念。在此基础上，充分利用“多原子”型全介质超表面的电磁耦合效应，引入智能可重构介质，开发出若干智能可重构超表面光子器件。最后，将“模板辅助自组装”法和智能可重构光子器件实现方法拓展至太赫兹波段。本项目的实施对发展大面积、低成本、低损耗、可重构全介质超表面光子器件将有较大的推动作用，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。

近年来，全介质超表面正成为光频、太赫兹电磁波研究领域的热点。然而，其制备技术面临种种困难。本项目旨在开发出米氏谐振颗粒的“模板辅助自组装”技术，探索出大面积、高精度、低成本的光频全介质超表面的制备方法，并拓展至太赫兹波段。同时提出开发出“多原子”型全介质超表面光子器件和可重构超表面光子器件。.1、在光频全介质超表面方面，我们基于“液相还原法”，研究出了粒径均匀、分散性良好的高介电纳米球的合成工艺，并将纳米模板辅助自组装法引入纳米球的自组装中，并最终实现了低成本、大面积（1平方厘米）的光频全介质超表面。.2、将形变材料、钛酸锶引入全介质超表面，提出了热、光可重构的全介质超表面方案。.3、在“多原子”型全介质超表面方面，我们系统研究了“多原子”型全介质超表面内在机制，利用米氏理论并结合电磁仿真技术，设计出若干新型光子器件，如双频、多频、宽频全介质吸收器件。.4、在太赫兹全介质超表面方面，我们提出利用模板辅助法实现超大面积、高精度的太赫兹全介质超表面的制备方案，开发出宽达30-50平方厘米、最小精度达10-15um的制备工艺。本器件是目前为止所报道的最大面积全介质电磁超表面器件之一。在器件设计方面，我们使用“模板辅助自组装”技术，使用氧化锆微球组装，实现了超大面积、超宽频的太赫兹吸波器，该器件能够在1.2-2.4 THz频率范围内，实现超宽带(1.2THz)的太赫兹波吸。.本项目的研究结果对发展大面积、低成本、低损耗、可重构全介质超表面光子器件将有较大的推动作用，具有重要的科学意义。