中山大學電子與信息技術學院林佑昇副教授團隊近日在Electronics期刊上發表了一篇綜述文章，研究并評估了利用靜電驅動(ESA)、電熱驅動(ETA)、電磁驅動(EMA)和彈性拉伸驅動等機制的MEMS可調控超材料的演進。

超材料

超材料，是一種用于干預電磁波傳輸的具有周期性微結構或納米結構的合成材料，由于其獨特的電磁特性，近年受到了廣泛關注。

通過對幾何尺寸的適當控制，可以設計超材料的介電常數或磁導率以滿足所需的應用。為人工控制亞波長范圍內的電磁波并獲得獨特的光響應提供了一種策略。因此，超材料在隱身技術、能量收集、診斷成像、微流控檢測、生物醫學傳感等應用中得到了廣泛研究。

通過物理擴展其幾何結構，超材料的工作波長范圍可以擴展到從可見光到紅外(IR)、太赫茲(THz)和微波的整個電磁頻譜。

利用MEMS技術調控超材料

基于超材料的光學器件已經展示出令人印象深刻的性能。不過，一旦構建完成，這些不夠靈活的“小工具”就無法進行主動調整。

通過外部輸入，可編程超材料有助于增強器件的靈活性。為了滿足這一需求，研究人員提出了MEMS技術、熱退火、相變材料、二維材料、液晶和激光泵等調控機制。

憑借主動調整超材料單元的能力，MEMS技術為超材料的主動可編程性提供了新途徑。此外，由于MEMS器件沒有天然物質非線性特性的限制，可以為超材料提供合適的平臺，并且具有廣泛的諧振頻率調諧范圍。

近期的發展

近十年基于MEMS技術的可調控超材料的發展

基于MEMS技術的主動可調控超材料成為近年光電子研究領域的熱點，它使我們能夠操縱電磁波。

超材料可以與MEMS技術緊密結合，通過利用MEMS技術直接調控超材料，從而實現廣泛的應用。

基于MEMS技術的繞組形懸臂超材料(WCM)和WCM單元的放大示意圖

林佑昇團隊2021年7月在Photonics Research期刊上提出并展示了一種基于MEMS的超材料器件，它使用可切換的WCM進行主動邏輯調制。WCM可以由外部驅動電壓驅動，邏輯調制位通過釋放MEMS懸臂梁來表示開、關狀態。雖然在釋放懸臂梁后，基于MEMS的元器件的襯底表面很粗糙，但允許元器件在可重構的開關狀態下操作，避免在系統過載時系統崩潰。這種可重構和可編程的MEMS器件具有同時執行“或(OR)”和“與(AND)”門邏輯操作的多功能特性。這為進一步在光電領域擴大工作頻率范圍的應用開辟了廣闊的途徑。該研究成果為多功能開關、主動邏輯調制和光計算應用提供了更多的可能性。

利用MEMS器件的可重構和可編程性，可以構建更智能的可定制超材料。基于MEMS技術的超材料可調控機制，因其在傳感和邏輯操作等領域的重要用途而受到廣泛關注。此外，彈性基板可以有效調節超材料的機械特性。這些基于MEMS技術的超材料開創性進展，顯著擴展了可定制光電子器件的廣泛用途，例如邏輯操作、傳感器、能量采集以及顯示器等。

研究的關鍵

過去十年來，基于MEMS技術的超材料在光電應用領域得到了迅速發展，林佑昇副教授團隊綜述了采用不同MEMS機制的主動可調控超材料，以及每種機制的顯著特征。

應用于邏輯操作的基于MEMS技術的可調控超材料

這些超材料的主要新興應用包括高效傳感和邏輯操作。

基于MEMS技術的調控機制對比

隨著超材料在光電子領域的迅速發展，MEMS可調控超材料正在被廣泛探索，以實現電磁波的主動控制，滿足更多實際應用的需要。

驅動機制是決定這些超材料功能的主要因素之一，如調諧范圍、驅動力、工作頻率以及制造兼容性等。

當前的驅動技術大致可以分為ETA、EMA、ESA和彈性拉伸機制。每種驅動技術都有各自明顯的優點和缺點，必須根據超材料的應用目的進行仔細評估和選擇。

基于MEMS技術的超材料能夠改變入射電磁波的頻率、振幅、極化條件和相位。同時，它們的工作頻譜范圍可以覆蓋從可見光到紅外、太赫茲和微波，實現許多有效的光電應用，如邏輯操作和傳感器等。

應用于傳感器的基于MEMS技術的可調控超材料

盡管基于MEMS技術的超材料的復雜應用已經展現了成效，但是功率損耗以及與當前IC工藝的兼容性問題，仍然是阻礙基于MEMS技術的超材料商業化的重大挑戰。

通過結合新穎的結構、材料和調控機制來解決這些挑戰的超材料技術，在未來充滿前景。

由此，基于MEMS技術的超材料可以整合進入現有的光電系統，以顯著改善應用的功能，如光電調制器、光學計算機、片上傳感器等，并在智能光網絡、隱身技術、光子信號處理等創新應用中展現出巨大潛力。

原文標題：MEMS可調控超材料賦能更多光電應用

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審核編輯：湯梓紅