2024-09-09 | 科研部 南科大丛龙庆课题组在柔性太赫兹吸收器原理及性能提升方面取得研究进展

近日，南方科技大学电子与电气工程系丛龙庆副教授研究团队与合作者报道了一种基于连续域束缚态（BIC）的新型柔性太赫兹超表面吸波器。该研究将晶格对称破缺BIC的独特辐射特性和吸收器性能相关联，结合时域耦合模理论，展示了该器件在吸收效率、广视角、带宽可调性以及多频带吸收等方面的灵活调控能力。相关研究成果以“Flexible Terahertz Metasurface Absorbers Empowered by Bound States in the Continuum”为题，发表在学术期刊 Advanced Materials 上。

太赫兹吸波器作为太赫兹技术的重要功能组件，对于提升太赫兹探测器性能以及在传感及成像领域的应用中至关重要。高性能太赫兹吸波器是实现太赫兹探测、安全通信、雷达隐身以及传感和成像等应用的关键组件。自然材料往往难以同时满足高吸收系数、广视场范围、可调宽带以及薄膜柔性等实际应用需求。超表面（metasurfaces）作为人工材料，通过精确设计其单元结构能实现对电磁波特性的精准调控，为设计高性能太赫兹吸波器件提供了新思路。基于耦合模理论，超表面的完美吸收器可通过调控辐射和非辐射损耗的相对关系实现。在实际系统的非辐射损耗固定的前提下，辐射损耗成为调控吸收效率的关键途径。因此，寻找新的自由度以实现辐射损耗的灵活调控至关重要。

连续域束缚态（BIC）具备灵活调控辐射损耗、提升局域光场强度的能力。通过引入扰动，BIC将转化为具有可控辐射损耗的准BIC（QBIC），已广泛应用于激光、调制器、非线性光学和量子光子学等领域。对 BIC 辐射特性的探索通常聚焦于理论探讨和对结构单元自身对称破缺的辐射特性及拓扑特性的研究。而晶格维度作为周期结构单元另一重要自由度，为 BIC 的调控提供了更为灵活的途径，并降低了对结构单元几何参数的严格要求。

不同于破缺谐振器自身对称性的方式，研究团队创新性地从晶格对称性维度探索 BIC 辐射特性，并采用典型的金属-绝缘层-金属（MIM）单元构建单端口谐振系统（图1(a)）。以经典的双开口环谐振器（DSRR）为例，细致讨论了正方晶格中通过引入晶格周期扰动，从而引入了额外的能带折叠 BIC 的特性（图1(b)）。首先结合能带理论、多极展开分析以及拓扑荷特性，对 BIC 的辐射特性进行了系统研究。随后，以晶格扰动 BIC 灵活的辐射特性为基础，结合时域耦合模理论，具体讨论了吸收带宽调控、大视角覆盖和多带吸收的太赫兹柔性吸收器。

图1 MIM超表面吸收器件示意图及晶格扰动 BICs 的形成机制

研究团队在聚酰亚胺（polyimide, PI）薄膜衬底上制备了 MIM 型的柔性太赫兹超表面吸收器件，并利用太赫兹时域光谱系统测试了角度分辨反射光谱。实验结果和仿真分析高度一致，展示了晶格扰动 BIC 在动量空间中不同入射角下的稳定辐射特性，以及晶格扰动 BIC 在不同晶格周期微扰下对波矢的不同依赖特性。此外，研究人员在参量空间揭示了不同晶格周期微扰对两种晶格扰动 BIC 的独立调控能力（图2所示）。BIC 的不同辐射特性为定制太赫兹吸波器的性能提供了理论指导。

图2 太赫兹柔性超表面吸波器样品及晶格扰动BIC的辐射特性和实验结果

基于以上对 BIC 辐射特性的全面探讨，该研究具体讨论了不同场景下定制太赫兹吸波器性能的能力。研究团队实验上成功实现了覆盖±55°广视场范围内具有带宽稳定的近完美吸收（图3(a-c)），显著提升了吸收器的实用性，在能量收集和雷达隐身等应用具有潜在前景。研究人员通过调整材料的本征吸收损耗，结合晶格扰动 BIC 的辐射损耗调控机制，验证了带宽范围覆盖16 GHz到84 GHz的完美吸收（图3(d-e)）。通过能带折叠过程，实现了在感兴趣频段内的多频带的完美吸收（图3(f-h)）。该机制不仅降低了制备复杂度，还提供了对材料吸收特性的精确控制，为超宽带多光谱传感应用提供了有效策略。

图3 柔性太赫兹超表面吸波器件的吸收性能分析及表征：(a-c) 广视场范围的完美吸收；(d-e)吸收带宽可调的完美吸收；(f-h)多频带完美吸收

综上所述，该研究在晶格对称性的框架下系统地探讨了 BIC 的辐射特性，并据此开发出具备广视场范围内稳定高效吸收、可调带宽以及多频带吸收等关键性能的柔性太赫兹超表面吸波器。这一创新设计为高性能太赫兹吸波器件的灵活实现提供了系统的解决方案，并有望在可穿戴设备、隐形技术及多光谱传感等领域发挥重要作用。此项工作不仅丰富了 BIC 的理论研究，也为超表面光电子器件及太赫兹光子学的发展注入新的活力。

该工作由南方科技大学电子与电气工程系和上海交通大学联合完成，南方科技大学电子系博士研究生许桂珍为第一作者，南方科技大学电子系丛龙庆副教授为通讯作者，沈平讲席教授为本工作开展提供指导。南方科技大学为论文第一单位。该工作得到了国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金项目、深圳市科技创新委员会和南方科技大学分析测试中心等的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202406526

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

编辑：曾昱雯