石墨烯赋能超构表面：从静态走向动态

众所周知，电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽玛射线等，在通信、医疗健康、食品卫生等领域发挥着巨大的作用，其广泛应用给人类生活带来极大的便利，可谓“若离开了电磁波，人类将举步维艰”。事实上，电磁波研究和应用领域的任何一项新突破和发明均是围绕电磁波的固有属性开展的，理论上通过操控电磁波的频率、振幅、偏振、相位等参量可实现对电磁波的任意调控，从而实现特定的功能和应用。

过去十年，相关研究见证了超构表面（Metasurfaces）对电磁波的强大操控能力，为电磁波的产生、调控及应用提供了的新平台和手段。但是，在电磁领域，超构表面（人工亚波长微结构界面）一般基于金属或电介质等被动（Passive）材料，一旦设计加工完成后，这些超构表面的功能就不能发生变化，而只能以静态（Static）方式工作。这极大地限制了超构表面的应用场景，无法满足如变焦成像、动态全息、激光/微波雷达等动态（Dynamic）应用需求。如何让超构表面由“死”（静态）变“活”（动态）是科研人员们一直努力的方向。

近年来，将主动（Active）材料或器件引入被动超构表面已成为解决上述问题的首选策略。截止目前，相变材料、二维材料、弹性材料、变容二极管、微机电系统等多种主动材料和器件已被证实可极大地提高超构表面和超构器件的主动可调性。相关研究正在将基于超构表面的电磁波调控推向新的高度：从静态走向动态。作为二维材料的典型代表，石墨烯具有优越的光电子特性和外场可调性，在动态超构表面的发展之路上扮演了重要角色。

研究亮点

西北工业大学曾超副教授等研究人员对石墨烯赋能动态超构表面和超构器件的研究进行了系统性综述。该综述聚焦电控石墨烯超构表面对从中红外、太赫兹至微波波段电磁波的动态调控，根据不同的运转机理、调控参量、器件功能进行了分类讨论，并重点介绍了近年来该领域取得的重要进展。该综述以“Graphene-empowered dynamic metasurfaces and metadevices”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances 2022年第4期。

如图1所示，文章将石墨烯超构表面分为两类展开讨论：石墨烯等离激元超构表面（Graphene Plasmonic Metasurfaces）和石墨烯混合集成超构表面（Graphene-Hybrid Metasurfaces），前者由图案化的石墨烯微结构（纳米带、纳米盘、纳米岛等）构建，后者一般是将完整的石墨烯层作为周围环境或电极集成于金属或电介质超构表面，它们均可对电磁波的频率、振幅、偏振、相位等参量进行动态调控。

图1 石墨烯赋能动态超构表面和超构器件示意图

首先介绍了石墨烯的基本光电子特性，并详细讨论了石墨烯等离激元的基本特性、理论和仿真模型，包括传输型等离激元和共振型等离激元。

随后，重点讨论了石墨烯超构表面在动态光谱调控、波前整形、偏振控制、频率转换等方面的原理、方法及器件应用，涵盖了近场和远场调控、全局和局域调控。其中，特别关注了表面波动态调控在下一代片上光子集成技术与器件方面的潜在价值，例如在石墨烯二维平面上对等离激元波能量的动态引导、开关、聚焦、捕获等。此外，在讨论中，作者以石墨烯动态超构表面的潜在实际应用为落脚点，列举多个实例指出了石墨烯超构器件在生物传感、电光调制、变焦透镜、涡旋光束产生、偏振旋转/转换、谐波产生/四波混频、空间光调制器、波束扫描等方面的潜在应用价值。

最后，作者分别对两类石墨烯超构表面的未来发展趋势进行了展望，并重点指出了制约其进一步发展的关键因素和可能的解决方案，同时也展望了片上超构表面、时变超构表面、类石墨烯二维材料等对该领域发展的重要影响。

该综述系统总结了“石墨烯+超构表面”在电磁波动态调控方面的原理、方法和最新进展，有助于推动超构表面的实用化进程。其内容丰富、详实，对想快速全面了解动态超构表面领域的初学者和非专业人员具有很高的参考价值，也可以帮助本领域研究人员了解最新进展。

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