超构表面在微测辐射热计中的应用综述

超构表面突破了传统自然材料的电磁特性限制，同时也解决了三维超材料难以加工实现等瓶颈问题，使器件朝着集成化，小型化，低成本，可调谐的方向不断发展。目前超构表面已在许多领域得到了较为广泛的应用，在探测器领域也越来越受到人们的重视，通过独特的材料、结构设计，超构表面可有效完成电磁波各项特性的精确调控，通过超构表面的集成，微测辐射热计在光吸收增强，器件波段选择改善等方面有了更多的可能性。

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所的科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“超表面在微测辐射热计中的应用”为主题的文章。该文章第一作者为杨君，通讯作者为袁俊正高工和杨春丽正高工，主要从事红外探测器的研究工作。

本文针对超构表面及其在微测辐射热计上的应用研究进行了阐述，展现了超构表面在这一领域的发展趋势和广阔前景。

超构表面的设计与实现

介电常数和磁导率一定程度上决定了电磁波的传播特性。如图1(a)所示，到目前为止自然界中并不存在介电常数和磁导率都为负的物质。

图1 超构表面相关理论示意图

根据Cappaso团队最初提出的超构表面的概念，超构表面通常是通过组装微型各向异性光散射体阵列（即谐振器，如光学天线）来创建的，能使光束的相位、振幅、偏振等在自由空间波长的尺度上产生突变的人工结构。但事实上，近年来的相关文献当中，各种厚度小于波长的电磁表面结构均被归到超构表面的范畴。

关于超构表面的理论研究，不得不提到Cappaso团队提出的广义斯涅尔定律及对应的天线阵列理论（如图1(b)、(c)、(d)），它的提出，为超构表面快速发展奠定了理论基础。此后，Pancharatnam和Berry在早期的研究中探索出了PB相位原理（如图1(e)），为后期圆偏振光调控得以实现打下了理论基础。而由Pfeiffer等人发表的惠更斯超构表面为提高超构表面器件效率引出了新方向。同时学者们还提出了许多推动超构表面发展的理论，诸如亚波长表面电磁理论，等效电路和等效阻抗理论，超构表面辅助的衍射理论，超构表面辅助的电磁吸收理论等。

器件结构设计在具体实现之前，通常需要通过仿真来验证设计的可行性。超构表面本质是一种电磁微纳结构，而对于电磁微纳结构的仿真已经比较成熟，其核心就是通过数值模拟计算的方法，如时域有限差分法、有限元法和有限积分法等实现超构表面对电磁调控的模拟。

在超构表面的制备方面，目前采用比较多的是光刻和印刷两类技术。光刻类技术通常是利用掩模板把超构表面图形转移到所要制备的材料衬底上，通过沉积，刻蚀等步骤最终实现超构表面结构的制备；而印刷类技术一般不需要掩模板或者利用已有的掩模板在基板上直接印刷沉积超构表面。此外，还有以电子束直写、蘸笔印刷、聚焦离子束等为代表的直写类技术。

超构表面突破了传统光学和电磁理论的局限，同时具有易于加工等技术优势，通过结合MEMS工艺，超构表面能实现集成化批量低成本生产，被认为是下一代集成光子器件的首选技术。

超构表面在微测辐射热计中的应用

超构表面是最近十多年才发展起来的新兴领域，但其应用却十分广泛。从超构表面的本质出发，它可以应用到各类需对光的振幅、相位、偏振态等特性进行调控的器件上。目前超构表面被广泛应用于超透镜、全息显示、天线技术、微波和太赫兹器件以及隐身技术等领域。近年来，超构表面也被应用到了探测领域，并展现出其独特的优势。

探测器的电信号都代表了入射光的强度。然而，探测器本身并不能完全利用光的其他电磁参数，如相位、频率和偏振状态等。因此，探测器通常需要与折射透镜、光谱滤光片、偏振器和其他单独的光学设备配对，以实现对光波其他特性的利用。超构表面有着“人工原子”的特点，这意味着可以微观地去独立设计每一个单元的结构和排布方式，从而实现光波电磁参数的独立调控。因此，超构表面为开发探测器件提供了一个通用的平台。与传统调制方法相比，超构表面可以用半导体芯片行业的标准进行大规模制造，这不仅缩小了器件尺寸，降低了成本，也为批量化生产，提高效率提供了新方案。

测辐射热计又称为电阻热探测器，是利用热敏电阻对温度的敏感特性对入射的红外辐射进行探测的器件。其种类较多，包括VOₓ、a-Si以及YBaCuO等，其中VOₓ和a-Si属主流产品。随着微加工技术的发展，基于MEMS微桥结构技术制造的微测辐射热计逐渐成为非制冷红外探测器的主流。

目前一些常见的微测辐射热计超构表面结构可以粗略地分为如图2的几种结构，包括：下凹孔洞型，如图2(a)、(b)；上凸天线型，如图2(c)、(d)、(e)、(f)。其中(a)、(d)为方块型，(b)、(e)为圆柱型，(c)、(f)为其他一些特殊形状。实际上应用到器件上的结构要复杂得多，且形式多样。

图2 微测辐射热计超构表面结构类型：(a)方块状孔洞型；(b)圆柱状孔洞型；(c)花瓣状天线型；(d)方块状天线型；(e)圆柱状天线型；(f)十字状天线型

就目前而言，超构表面在探测器上的应用主要是增强光吸收、优化光谱选择、综合提高器件波段选择吸收以及偏振极化等方面。而对于微测辐射热计，超构表面的应用主要可以分为增强光吸收和优化器件波段选择两方面。

增强光吸收

一般而言，在设计红外探测器时会增加抗反射层或吸收增强结构来弥补敏感元自身吸收率低的缺陷。传统的红外吸收结构存在体积庞大、灵活性差、吸收不足等诸多问题，不能满足未来探测器多功能化、集成化、芯片化的发展趋势。为此可以考虑利用微纳结构来达到增强探测器吸收效率的目的，例如，减反射层的使用，表面等离子激元的激发，表面织状结构的设计，光栅结构的利用等。

近年来，人们逐渐认识到超构表面在这一领域上的应用前景，提出了“超构表面完美吸收器”的概念。超构表面完美吸收器的实现原理是入射光波与超构表面结构单元间的谐振相互作用，因此可以把它看成一种谐振型吸收器。它们通常是由超构表面共振上层、中间电介质消耗层、金属薄膜下反射层组成的三层耦合结构。

如果入射光波的趋肤深度远小于金属膜的厚度，那么光波将无法穿透超构表面吸收器，即实现零透射。通过对超构表面共振层的选材、尺寸、结构、排列方式等参数的调节，可以使结构表面具有相同的有效介电常数和磁导率，进而在特定波长范围内，超构表面与自由空间的表面阻抗得以匹配，使得入射光波完全被“约束”在中间电介质消耗层内。通过来回的振荡反射消耗，使得入射光波的能量被完全吸收，实现近乎100%的完美吸收。如果将超构表面完美吸收器与测辐射热计集成，便可显著提高探测器的响应率。

图3 几种超构表面吸收结构及其结果

早在2009年，Thomas Maier等人就提出了一种通过超材料来实现波长可调和吸收可控的高响应率微测辐射热计。2016年，Evan M. Smith等人设计了一种与氧化钒微测辐射热计集成的长波红外吸收共振超构表面。如图3(a)所示，该结构提供了长波红外的多个重叠共振，可以实现比通常应用的1/4谐振腔更宽的吸收范围。基于表面等离子体共振效应，Qi Li等人在2017年提出了一种周期性超构表面结构作为额外的吸收层，增强了中波和长波红外区域的双波段吸收。如图3(b)所示，该设计为SiN/VO₂/SiN夹层结构，顶部有周期性金圆柱天线，增强了双波带吸收。同年，Joo-Yun Jung等人的研究证明了低损耗金属超构表面可以显著增强微测辐射热计的吸收，降低其热质量，其设计如图3(c)所示。2019年，Omar Alkorjia 等人提出了一种如图3(d)的超构表面结构，该结构设有一层下支撑臂结构用以提高填充系数。在8～14 μm辐射范围内，通过调整超构表面尺寸（盘直径和周期性），可以实现任意中心波长光谱的选择性完美吸收。

可以利用相对简单的人工几何结构来实现入射电磁能量的完美吸收。但由于简单结构的单共振特性，这些超构表面只能实现非常窄的频率带宽。基于许多不同的基本结构组合能够建设性地耦合更多的共振，并扩大完美吸收的带宽。Dwight W. Swett等人在2020年提出了一种多耦合超构表面吸收器设计。如图3(e)，其结构形状近似一组倒保角轮廓的红玫瑰，此超构表面吸收器具有多重耦合吸收共振特性，在4.5 μm中心波长上具有100%宽带红外吸收的特性。同时他们将此设计应用到了二氧化钒微测辐射热计上，该超构表面结构的使用使微测辐射热计的吸收率、探测率、噪声等性能指标都有了明显的提升。

改善器件波段选择

红外光与可见光类似，在其传播过程中会遭到大气中各种物质的“阻碍”，通常表现为被大气中的尘埃、颗粒等反射（散射）、吸收和透射。不同波长的光波在大气中传播时被消耗的量是不一样的，大气对红外线消耗较少的波段，被形象地称为“大气窗口”。红外波段根据大气窗口不同，可粗略分为短波红外波段（0.76～3 μm）、中波红外波段（3～5 μm）和长波红外波段（8～14 μm）。在应用中，对红外探测的具体要求是具有高灵敏度和强识别能力，能在复杂的背景中分辨识别目标。要做到高灵敏度，就需要探测器吸收材料能够与所探测的目标辐射间实现频率匹配，为了达到这一目的，需要对入射光谱进行选择过滤。而强识别能力的实现，很大程度上取决于对探测器背景噪声的控制。

光电探测器的背景噪声来自于从探测器结构中发射或吸收光子数量的波动。相比之下，热探测器的背景噪声和辐射噪声都来源于发射或吸收光子总能量的波动。

相比于宽光谱吸收，窄光谱区域吸收能量波动较小，器件热导率低，背景噪声要低得多。因此光谱选择对于微测辐射热计而言尤为重要。有很多种方法可以实现其光谱选择，目前最常用的方法是在微测辐射热计上配置一个法布里-珀罗过滤器，它通过阻断所需光谱区域以外的光谱传输来实现器件的光谱选择，但它对探测器的背景噪声影响很小。当然可以选择制冷的方式降低噪声，但代价是探测器会变得极其笨重且昂贵。波长选择超构表面的出现为微测辐射计光谱的选择提供了一条低成本、轻质量、集成化的解决思路。

Thomas Maier等人在2009年提出通过超材料来实现波长可调和吸收可控的高响应率微测辐射热计后，又于2010年提出了如图4(a)所示的超材料结构。该设计将金属-介质-金属台面组成的吸收型超材料集成到传统的微测辐射热计上，通过改变超材料的尺寸参数可以使微测辐射热计具有波长选择性，连续屏蔽层能够有效地阻挡除谐振分量以外的所有波长分量传输，展示了它们在带宽调谐方面的潜力。由于超构表面吸收谱非常窄，只能吸收单一谐振频率。所以拓展工作带宽对于超构表面在微测辐射热计波长选择上的应用具有十分重要的意义。2013年，Hoo Kim等人提出了一种三维堆叠双带微测辐射热计的设计。如图4(b)，他们设计了两种不同图案类型的电阻板层，利用带外传输和反射特性，组合两层结构来提高单个层的吸收效率。着重分析并模拟了双带微测辐射热计每一层对应的吸收机理，使下部腔型层能够有效地吸收长波红外波段能量，而叠加的偶极型层则吸收中波红外波段能量。

图4 几种超构表面波长选择结构及其结果

2015年，Joo-Yun Jung等人提出了一种在长波红外波段上的波长选择性超构表面吸收器并将其应用于多光谱微测辐射热计上。如图4(c)，制备的超构表面吸收器在长波红外波段显示出了有效的窄带波长选择吸收特性，并证明了使用不同尺寸的超构表面结构所表现出的三色光谱响应。显示了波长选择性超构表面吸收器在多光谱微测辐射热计应用上的优越性。同年，Kaikai Du等人研究了一种如图5(a)的基于超构表面吸收器的微测辐射热计。该微测辐射热计由几层薄层组成，吸收器的总厚度只有185 nm。2016年，Tao Liu等人综合考虑了窄带和宽带红外超构表面集成微测辐射计的设计，提出了如图5(b)所示的六边形封闭圆盘超构表面结构，实现了通过长波红外窗口的窄带和宽带吸收。而后在2019年，他们又在此基础上提出了两种基于超构表面的微测辐射热计，以实现长波红外的宽带吸收。如图5(c)，在第一个设计中，通过超构表面的使用，解除了器件对法布里-珀罗1/4腔的依赖。同时将桥腿设置在像元下方可以在不牺牲填充系数的情况下增加腿的长度，增大微测辐射热计和基板之间的热阻。第二个设计扩展了该结构，在微测辐射热计上方又增加了第二个微测辐射热计，每个微测辐射热计上的超构表面可以被设计为只捕获部分光谱，将其组合便能最大限度地提高整个长波红外波段的总吸收率。

图5 几种超构表面波长选择结构及其结果

为了能够更加灵活地使用超构表面进行微测辐射热计的光谱调控，学者们开始关注其动态调控特性。Timothy A. Creazzo等人在2017年设计了两种超构表面吸收器的调谐方法并使其应用于与微测辐射热计的集成。如图6(a)，第一种方法是在器件的光栅和背板之间的液晶（LC）上施加电压，由于外加电压下液晶折射率的变化，共振峰从0 V时的11 μm转移到6 V时的9.6 μm。另一种方法是改变如图5(a)左下图所示结构的空腔厚度，这可以通过掺入压电致动器来实现。

图6 几种超构表面波长选择结构及其结果

2019年，Thang Duy Dao等人提出了如图6(b)所示的波长选择性超构表面微测辐射热计吸收结构。实验表明，仅通过改变超构表面谐振器的尺寸，就可以很容易地调谐微测辐射热计的谐振率。随着研究的深入，超构表面对光波的其他特性（如偏振）的调控也被应用到了微测辐射热计上。2022年，Fei Yi等人提出了两种基于超构表面吸收器的VOₓ微测辐射热计，分别在5.3～6.6 μm和6.0～7.4 μm的光谱波段进行光谱和偏振检测。如图6(c)所示，通过调整纳米带天线的尺寸和氮化硅间隔片的厚度，MIM结构的阻抗可以与真空结构的阻抗相匹配，从而产生光谱选择性和偏振选择性光吸收。

要说明的是，上述关于超构表面增强光吸收和优化波段选择的分类只是侧重点不同，事实上以上提到的超构表面设计在改善微测辐射热计波段选择的同时也增强了它的吸收，不仅如此，由此带来的诸如响应率增加，噪声减小等正面效应也是不容忽视的。

结论及展望

超构表面受到广泛关注和研究的原因在于它在保留超材料超常特性的同时突破了超材料的限制；同时在调控电磁波振幅、相位、偏振、极化方式等方面显示出了优越性，具有极大的应用前景。

本文首先从超构表面的发展及实现方式等角度出发，介绍了超构表面的基本概念和发展潜力。接着重点对其在微测辐射热计上的应用进行了归纳阐述，将超构表面结构与微测辐射热计结合，可以大幅度提高微测辐射热计的红外吸收，通过优化超构表面吸收层的种类、形貌、大小以及排列方式，能够进一步实现对微测辐射热计谐振频率、带宽等的调控。

可以预见，超构表面将朝着更低损耗、更宽频段、更可调谐、更易加工、更高透过率等高要求的方向发展。随着理论基础的完善，加工技术的进一步成熟，大批研究学者的加入，超构表面将成为一门独立的学科，受到更多人的重视。同时它也将拓展到更多的领域，对各行各业产生更大的影响。

对于微测辐射热计而言，超构表面在改善器件波段选择，增强光吸收方向的优势已被多个团队通过仿真和实验证明。形成了“多光谱窄带完美吸收”的效果，回归到超构表面的本质，可以预见光的诸如偏振，相位等更多电磁属性将被进一步发掘，同时朝着工业化的方向发展。随着人们对高科技产品需求的提高以及微测辐射热计在人们生产生活中的广泛应用，这项技术将会得到快速发展，微测辐射热计的体积重量将越来越小，集成化度和功能密集度将越来越高，成本和价格将越来越低。

超构表面的出现，为制备微测辐射热计提供了崭新的途径。随着越来越多学者们的探索，未来超构表面将在微测辐射热计领域中产生更多颠覆性的作用。

审核编辑：刘清