特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。超表面（亞波長納米結構的薄平面陣列），改變了我們控制光流動的方式。最近的突破已將其功能擴展到被動操縱之外，允許對光的發射、吸收和調制進行動態控制。通過將超表面與發光二極管( LED )、激光器、調制器和光電探測器等光電子器件融合，逐漸出現了超材料器件，它提供了關鍵的性能改進和全新的功能。這些在增強現實( AR )和虛擬現實( VR )系統、光通信、智能熱管理、計算成像、太陽能收集和量子技術等領域具有廣泛應用。隨著超表面技術的成熟，其與光電子學的集成有望在先進光電子器件的發展中發揮越來越重要的作用。在此，新加坡科學技術研究局Arseniy I.Kuznetsov和斯坦福大學MarkL.Brongersma等人概述了最先進的基于超表面的光電設備，重點介紹主要成就、基本原理和技術挑戰。還討論了用于超表面制造、材料選擇、與電子設備的協同設計和設備集成的各種策略，同時探索了未來研究和開發的潛在途徑。通過整合現有知識并確定當前的障礙，本綜述旨在鞏固當前的研究格局，并提供針對光電器件的超表面能力的觀點，為學術界和工業界未來的研究和開發工作提供新的方向。 納米尺度的物理效應，如量子力學效應和光學共振，能夠產生極端的光-物質相互作用，通過智能設計可以顯著改善對電荷和光流的控制，實現功耗的大幅降低。半導體、電介質和金屬在納米尺度上的集成，使得光電器件和電路能夠利用新的設計概念，發揮各組成部分的優勢，實現電子學和光子學的無縫、高度集成。金屬結構在納米光電器件中扮演多重角色，包括作為高電導率電極、光反射器、等離子體諧振器和波導，以及光學天線，增強光與物質的相互作用。半導體在光電器件中也至關重要，通過產生光激發載流子有效地將光信號轉換為電子信號。納米圖案化半導體支持強光學共振，改進光發射、調制和吸收功能。超表面集成器件預示著器件小型化不會犧牲性能，反而為太陽能收集、成像系統和安全通信等領域的創新開辟了道路。 發光二極管(LED)的設計旨在提高發射效率并控制光的屬性，但這些屬性的集合及其可控性通常有限。LED的峰值發射波長、發射線寬和量子效率受到材料選擇和物理特性的限制。超表面集成到LED中，即“超LED”，可以顯著提高發射和提取效率，改善對發射光的角度和偏振特性的控制。超表面可以直接圖案化在LED的頂部或底部表面，或放置在發射層近場中，通過定義諧振納米結構來改變發射光的相位和動量，實現光束整形和偏振控制。這種集成提供了提高性能和增加功能的優勢，如定制光譜和角度特性，提高效率和色彩純度，同時避免了傳統LED的限制。 超表面激光器通過精確控制發射特性提供獨特優勢，包括光束輪廓、方向性和偏振的超快速調諧，適用于需要快速響應的應用。與傳統光子晶體相比，超表面利用集體共振提供更大控制力，實現高Q因子和發射特性的靈活性。介電諧振納米結構和連續體中的束縛態（BIC）等光子概念被用于激光裝置，以控制方向性、偏振和模式分布。BIC激光器與傳統面發射激光器的區別在于發射的光子構成極化渦旋。盡管提出了許多使用共振納米結構的概念，但將它們集成到電泵浦設備中仍然是一個挑戰，需要考慮電氣設備的要求和熱管理。諧振納米結構激光裝置的實現將對傳感、光通信和量子技術等領域產生重大影響。 動態可調超表面技術在光電應用中具有挑戰性，但發展迅速。這種技術能夠實現光波前的亞波長動態控制，對于2D和3D全息投影、AR/VR設備、自動駕駛激光雷達等應用具有潛力。實現這一目標需要超表面與電路集成，以在單個像素級別驅動。液晶、相變材料和半導體是實現相位或幅度調制的最有前途的平臺，各有優缺點。液晶提供高衍射效率和穩定性，但切換速度慢；相變材料具有非易失性切換，但存在疲勞效應；半導體開關速度快，但光吸收不良。選擇合適的材料平臺對特定應用至關重要。超表面技術的發展需要確保低壓切換、高衍射效率、快速刷新率、低功耗、高均勻性和材料兼容性，以促進商業化。 超表面技術的發展為光電探測器帶來了革命性的進步，使其能夠檢測光的多種特性，如波長、相位、偏振等，這些在傳統探測器中難以實現。超表面集成光電探測器（MIPD）通過亞波長超原子與光電檢測系統的集成，提高了光電轉換效率，實現了亞波長有效區域的光收集。MIPD在消費電子、醫療保健和制造業等便攜式應用中具有潛力，要求輕量化、高光譜和空間分辨率以及快速刷新率。此外，超表面技術還推動了智能視覺的發展，預示著光電檢測和光成像領域的一場革命。太陽能電池通過半導體材料將陽光轉化為電能，但高折射率和拋光表面導致光線強烈反射。為減少反射，常用透明介電層或導電氧化物和聚合物作為抗反射涂層。光捕獲結構能增強光吸收，對厚電池通過微米級結構實現，對薄電池則需納米結構光捕獲層，如等離子體和米氏共振光捕獲層。米氏共振結構因無寄生損耗而更受青睞，已在晶圓級上實現，并能通過相消干涉減少反射。雙峰尺寸分布的米氏諧振器陣列支持多諧振，實現寬帶光捕獲，顯著提高超薄電池的功率轉換效率，如2.8微米厚的c-Si太陽能電池效率可達11.2%。 超表面與光電器件集成將推動超緊湊、高效、多功能器件的發展。實現這一潛力需要光子和電子功能的協同設計，以平衡光操控和電子性能。材料選擇和器件架構對優化性能至關重要，大規模納米圖案化技術是商業化的關鍵。跨學科合作將有助于克服挑戰，推動超表面光電設備在多個領域的應用。SON TUNG HA, et al. Optoelectronic metadevices. Science, 2024, 386(6725) DOI: 10.1126/science.adm7442https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7442
