西電研發(fā)準一維表面等離激元，或引領光學與射頻雙透明器件新方向
發(fā)布時間：2023-10-10 1164人看過
透明與隱身電子器件是科學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。
對于光學透明或隱身器件，全球研究人員大多采用透明導體材料加以實現。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，透明導體材料自身載流子濃度與光學透過率相互制約，這導致所制作的器件難以同時獲得高透光率與高效率。而且由于是導體材料，采用上述方法制備的器件價格相對昂貴，無法實現射頻透明，對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，近年來學界采用三維或二維電磁超材料等方式實現對射頻電磁波的操控，進而獲得在一定頻段內的射頻透明。然而，由于二維或三維結構的非光學透明特性，這種方法所制備的器件必然無法實現光學透明。
可見，光學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，諸多學者為此苦苦追尋卻一直難以得償所愿。
在最近一項工作中，西安電子科技大學吳邊教授團隊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一維表面等離激元（quasi-1D SPPs）結構。
基于該結構，他們發(fā)現了諸多新穎的物理現象，例如, 相比傳統(tǒng)二維或三維結構, 準一維表面等離激元結構具有更強的場局域與增強效應、任意拓撲形式的傳輸能力、以及更有效的導行波與空間波轉換能力等。
這些特性可以催生各類新型電磁傳輸與輻射器件，同時具備 90% 以上的光學與射頻透過率。
在該方法基礎上，課題組進一步開發(fā)了具有信號傳輸和輻射功能的光學與射頻雙透明無線圖像傳輸系統(tǒng)，從系統(tǒng)應用層面解決了射頻終端無法同時實現光學與射頻透明的技術難題。
整體來看，該技術首次提供了光學與射頻雙頻段透明的新型電磁器件設計方法，打破了光學透明電磁器件對于傳統(tǒng)透明導體材料的依賴，大幅提升了光學透明度，同時獲得了優(yōu)越的射頻透明特性。
該項技術有望廣泛用于各類電子屏幕、建筑玻璃、太陽能面板、家居設備面板等，以實現高效的無線能量收集、集成隱身通訊、萬物互通互聯(lián)等領域，助力人類社會實現多維信息互聯(lián)。
據介紹，該團隊多年來一直致力于開發(fā)面向工程應用的高性能電磁器件與天線。因而，當他們將目光聚焦在同時具備光學與射頻雙透明電磁器件時，就必須打破對傳統(tǒng)透明導體材料的依賴，所以本課題的出發(fā)點便是如何在不依賴材料特性的前提下，實現光學與射頻雙頻段透明。
在方案的選取上，既然不能依賴于透明導體材料，傳統(tǒng)結構的方法又被局限在三維與二維尺度，那么更低維度的結構便成了他們探索的重點。這個步驟耗時頗久，最終他們成功提出了準一維表面等離激元的全新結構方案。
下一步便是特性的研究。針對準一維表面等離激元結構進行電磁特性分析，他們發(fā)現其不僅具有卓越的場局域性和拓撲傳輸能力，而且具有優(yōu)異的導行波-空間波轉換能力等。
基于準一維表面等離激元結構的優(yōu)良特性，該團隊進行了光學與射頻雙透明電磁器件的設計、加工與測試。
為了能在實際應用場景中進行功能驗證，他們開發(fā)了面向無線圖像傳輸的光學與射頻雙透明圖像傳輸系統(tǒng)，通過無線數據傳輸的系統(tǒng)性實驗，展示了準一維表面等離激元射頻終端具有優(yōu)異的光學和射頻雙透明特性。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)具有更高的信號強度、更好的集成性以及更優(yōu)越的圖像傳輸質量。
