Science综述：光电超构器件
撰稿：Z（Light新媒体自由撰稿人）
导读
超构材料是一种由人工微结构定义其性能的新型材料体系，而超构表面是其二维形式，可以精确控制光波的相位、振幅和偏振特性。最初，超构表面主要用于光波前的被动调控，如透镜和偏振片等。随着纳米制造技术的发展，超构表面逐渐能够与传统光电器件结合，实现光的动态调制，如增强发光效率、提高光探测灵敏度、优化光束方向等。这种“光电协同设计”的方法，正成为下一代超紧凑、高性能光电子系统的关键。
近年来，超构表面技术的突破极大地拓展了光电器件的性能边界。结合光电器件，如发光二极管（LED）、激光器、调制器和光探测器，一种新型光电器件形态-光电超构器件正在推动光通信、计算成像、智能光学系统和太阳能技术的革新。
近日，新加坡科技研究局研究团队与美国斯坦福大学研究团队合作，以“Optoelectronic metadevices”为题在Science发表综述文章，详细综述了近些年超构材料在光电子器件方面的进展。
该综述首先回顾了超构表面的发展，以及在集成电子器件中的应用潜力，从而引出光电超构器件的概念。接着综述了超构表面在纳米光电器件协同设计中的现有进展，进一步分为超构表面在光发射二极管和显示器件中的应用、超构表面在激发发射器件中的应用、超构表面在光调制器和开关中的应用、超构表面在光电探测器和成像系统中的应用、超构表面在薄膜太阳能电池中的应用等几个部分分别进行了系统的综述。最后进行了未来展望，提出在未来重点关注光学性能和电学性能的平衡、制备成本和性能指标之间的平衡等，为未来学术界和工业界发展提出了建议。
图1：超材料链接光与电的三种形式：发射器件、调制器件和吸收器件
图源：Science
纳米光电子器件的协同设计新机遇
光电技术的发展正在经历一场深刻的变革，超构材料，特别是超构表面技术的出现，为光电器件的设计和性能优化提供了前所未有的可能性。传统光学器件在操控光的传播、吸收和发射方面受到尺寸和加工精度的限制，而超构表面技术通过纳米尺度的结构设计，实现了对光波前、相位、振幅和偏振的精确控制。尤其是当超构表面与光电器件相结合，形成光电超构材料时，能够突破传统器件的局限，不仅能提升性能，还能赋予器件全新的功能。
纳米光电子器件的缩小化带来了众多重要益处，最显著的是降低信息处理和通信系统的功耗。目前这些系统消耗了全球约10%的电力，而人工智能和机器学习的快速发展预计将进一步增加能源需求，对温室气体排放产生不可持续的影响。在纳米尺度上，量子力学效应和光学共振等有益物理效应自然变得可用，可以提供极强的光-物质相互作用。通过精心构建器件以利用这些效应，可以显著改善对电荷和光流的控制，创造新功能并实现远超基本缩放规则预期的功耗降低。
本综述分为了图2所示的三类光电器件：LED、显示器和激光器；空间光调制器；以及光电探测器和太阳能电池，总体阐述了在纳米级光电子器件的协同设计策略。在这些纳米光电子系统中，光学、电子、机械和热元件之间的确切边界通常变得模糊，许多组件可以同时执行多种功能。例如，金属层不仅可以作为导电功能，还可以丰富其结构特性从而兼顾光学响应。这与当前大型系统截然不同，在当前系统中，光学元件、电子元件、机械和热元件都很容易识别并在空间上分离。超构表面在这种光学、电学协同设计中展现出其特有的优势，为实现电子和光子紧密集成的全新系统架构提供了机会。
图2：不同类型的光电元器件及其功能
图源：Science
光发射和显示器件领域
在发光器件领域，如图3所示，超构表面的应用显著提升了LED和激光器的性能。LED的外量子效率受到限制，即电子向光子转化的比例难以突破，而超构表面能够优化光子的出射路径，提高光提取效率。例如，通过精确设计纳米结构，可以增强Purcell效应，加速自发辐射，从而提升LED的亮度和响应速度。此外，超构表面还能优化光场，使LED的发射方向更加可控，实现偏振选择性。对于激光器而言，超构表面技术不仅改善了腔体设计，使激光束质量更高，还能利用拓扑光学设计制造偏振可调、响应速度超快的激光器，为光通信和精密传感提供了新的解决方案。
图3：基于超构表面的LED发光阵列
图源：Science
光调制器件领域
在光学调制器领域，如图4所示，超构表面技术同样展现出极大的应用潜力。光学调制器在光通信、AR/VR显示、激光雷达（LiDAR）等领域至关重要。传统的光学调制器依赖于体材料的折射率变化，而超构表面通过纳米级的相位和幅度调控，实现更快、更薄、更复杂的光学调制。尤其是在结合液晶、相变材料或半导体后，超构表面调制器能够实现动态可调的光学响应，为全息显示、智能成像、光学计算等应用提供了新方案。此外，超构表面增强的光调制器可以显著提高调制速度，缩小器件尺寸，同时提高空间分辨率，为未来的超小型、高性能光电设备奠定了基础。
图4：基于超构表面的典型光学调制器以及应用
图源：Science
光电探测器件领域
光电超构材料在光探测器中的应用也带来了革命性的突破，如图5所示。传统光电探测器（如CMOS传感器）主要用于测量光的强度，但无法直接获取光场的偏振、波长、相位等信息。超构表面探测器则通过精确设计纳米结构，能够捕获更丰富的光信息。例如，超构表面可以增强特定波长范围的光吸收，实现窄带探测，提高成像对比度。此外，利用非对称纳米结构，光探测器可以直接分辨入射光的偏振角和方向，为光场测绘、手势识别等应用提供新方案。更为前沿的是，超构表面探测器能够直接测量光的轨道角动量（OAM），这在高维光通信领域具有重要意义，因为OAM光束可以在光通信系统中提供额外的自由度，从而提升通信容量。
图5：基于超构表面的典型光电探测器以及成像器件
图源：Science
太阳能电池领域
在太阳能光伏领域，光电超构材料的应用为高效能量转换提供了新的思路。传统太阳能电池在光子管理方面存在局限，部分光子未能被有效吸收，导致光电转换效率受限。而超构表面可以通过纳米结构的抗反射和光捕获功能，提高光吸收效率。例如，利用双模态Mie共振结构，可以实现高效的光陷获，大幅提升薄膜太阳能电池的吸光率。此外，超构表面还能优化光伏器件在可见光和近红外波段的光吸收，使其在更广的光谱范围内保持高效工作。这些技术创新为下一代超薄、高效太阳能电池的研发提供了重要支持。
总结与展望
总的来说，基于超构材料的局域场增强、亚波长尺度响应和超高设计自由度，极大促进了光电领域集成式、多功能器件的发展。尽管光电超构材料的发展前景广阔，但仍然面临诸多挑战。首先，在设计和制造方面，超构表面的光学特性高度依赖于纳米结构的精度，而如何实现大规模、低成本的制造仍是难题。其次，光学与电子性能的协同优化至关重要，既要确保超构表面能够精准操控光场，又不能影响电子器件的电荷注入效率、热管理和整体能耗。此外，目前大多数超构表面器件仍然是静态的，而实现高速、低功耗的动态调控，将是推动该技术进一步发展的关键。
未来，光电超构材料的发展可能会朝着智能化方向迈进。结合人工智能和机器学习，可以探索智能超构表面，实现自适应光场控制和光计算功能。例如，通过AI优化超构表面的结构设计，使其具备自适应调整光学特性的能力，提高光电器件的效率和灵活性。此外，光电超构材料需要与现有半导体工艺兼容，以便在智能手机、光通信设备、自动驾驶系统等消费级产品中得到广泛应用。推动该技术商业化的关键在于跨学科合作，集成材料科学、纳米制造、电子工程等多领域的研究成果，加快产业化进程。
论文信息
Son Tung Ha et al., Optoelectronic metadevices. Science 386, eadm7442(2024).
https://doi.org/10.1126/science.adm7442
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