西電研發(fā)準(zhǔn)一維表面等離激元，或引領(lǐng)光學(xué)與射頻雙透明器件新方向
發(fā)布時(shí)間：2023-10-10 1165人看過
透明與隱身電子器件是科學(xué)家與工程師們極力追求和熱衷探索的新型電子器件，憑借其出色的光學(xué)或射頻透明特性，它能在人類日常生活中悄無聲息地發(fā)揮作用，并且可以帶來超乎尋常的性能優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于光學(xué)透明或隱身器件，全球研究人員大多采用透明導(dǎo)體材料加以實(shí)現(xiàn)。其中最常見的便是氧化銦錫材料，其被廣泛用于制作液晶顯示器、平板顯示器、等離子顯示器、觸摸屏、電子紙等。
然而，透明導(dǎo)體材料自身載流子濃度與光學(xué)透過率相互制約，這導(dǎo)致所制作的器件難以同時(shí)獲得高透光率與高效率。而且由于是導(dǎo)體材料，采用上述方法制備的器件價(jià)格相對(duì)昂貴，無法實(shí)現(xiàn)射頻透明，對(duì)于電磁波具有很大的反射或屏蔽效果。
在射頻透明器件的制備上，近年來學(xué)界采用三維或二維電磁超材料等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻電磁波的操控，進(jìn)而獲得在一定頻段內(nèi)的射頻透明。然而，由于二維或三維結(jié)構(gòu)的非光學(xué)透明特性，這種方法所制備的器件必然無法實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明。
可見，光學(xué)透明與射頻透明長久以來處于“魚和熊掌不可兼得”的矛盾地位，諸多學(xué)者為此苦苦追尋卻一直難以得償所愿。
在最近一項(xiàng)工作中，西安電子科技大學(xué)吳邊教授團(tuán)隊(duì)與合作者打破了傳統(tǒng)電磁超材料的維度限制，在國際上首次提出了準(zhǔn)一維表面等離激元（quasi-1D SPPs）結(jié)構(gòu)。
基于該結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)了諸多新穎的物理現(xiàn)象，例如, 相比傳統(tǒng)二維或三維結(jié)構(gòu), 準(zhǔn)一維表面等離激元結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的場(chǎng)局域與增強(qiáng)效應(yīng)、任意拓?fù)湫问降膫鬏斈芰�、以及更有效的�?dǎo)行波與空間波轉(zhuǎn)換能力等。
這些特性可以催生各類新型電磁傳輸與輻射器件，同時(shí)具備 90% 以上的光學(xué)與射頻透過率。
在該方法基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步開發(fā)了具有信號(hào)傳輸和輻射功能的光學(xué)與射頻雙透明無線圖像傳輸系統(tǒng)，從系統(tǒng)應(yīng)用層面解決了射頻終端無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)與射頻透明的技術(shù)難題。
整體來看，該技術(shù)首次提供了光學(xué)與射頻雙頻段透明的新型電磁器件設(shè)計(jì)方法，打破了光學(xué)透明電磁器件對(duì)于傳統(tǒng)透明導(dǎo)體材料的依賴，大幅提升了光學(xué)透明度，同時(shí)獲得了優(yōu)越的射頻透明特性。
該項(xiàng)技術(shù)有望廣泛用于各類電子屏幕、建筑玻璃、太陽能面板、家居設(shè)備面板等，以實(shí)現(xiàn)高效的無線能量收集、集成隱身通訊、萬物互通互聯(lián)等領(lǐng)域，助力人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)多維信息互聯(lián)。
據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于開發(fā)面向工程應(yīng)用的高性能電磁器件與天線。因而，當(dāng)他們將目光聚焦在同時(shí)具備光學(xué)與射頻雙透明電磁器件時(shí)，就必須打破對(duì)傳統(tǒng)透明導(dǎo)體材料的依賴，所以本課題的出發(fā)點(diǎn)便是如何在不依賴材料特性的前提下，實(shí)現(xiàn)光學(xué)與射頻雙頻段透明。
在方案的選取上，既然不能依賴于透明導(dǎo)體材料，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法又被局限在三維與二維尺度，那么更低維度的結(jié)構(gòu)便成了他們探索的重點(diǎn)。這個(gè)步驟耗時(shí)頗久，最終他們成功提出了準(zhǔn)一維表面等離激元的全新結(jié)構(gòu)方案。
下一步便是特性的研究。針對(duì)準(zhǔn)一維表面等離激元結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁特性分析，他們發(fā)現(xiàn)其不僅具有卓越的場(chǎng)局域性和拓?fù)鋫鬏斈芰�，而且具有�?yōu)異的導(dǎo)行波-空間波轉(zhuǎn)換能力等。
基于準(zhǔn)一維表面等離激元結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了光學(xué)與射頻雙透明電磁器件的設(shè)計(jì)、加工與測(cè)試。
為了能在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行功能驗(yàn)證，他們開發(fā)了面向無線圖像傳輸?shù)墓鈱W(xué)與射頻雙透明圖像傳輸系統(tǒng)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，展示了準(zhǔn)一維表面等離激元射頻終端具有優(yōu)異的光學(xué)和射頻雙透明特性。此外，相比傳統(tǒng)基于氧化銦錫的透明無線圖像傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更高的信號(hào)強(qiáng)度、更好的集成性以及更優(yōu)越的圖像傳輸質(zhì)量。
