[论文解读] Reconfigurable Multifunctional Metasurfaces Employing Hybrid Phase-Change Plasmonic Architecture

Sajjad Abdollahramezani, Hossein Taghinejad+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种可重构超表面，通过将等离子体纳米结构与可变相态的锗锑 telluride（GST）结合，实现了对光的振幅、相位和偏振的电控可调、宽带调控。通过局域 Joule 加热将 GST 在非晶态、晶态和中间相之间切换，该超表面实现了像素级调控，用于多功能波前调控，包括光束转向、聚焦和偏振转换，且热串扰极小。

ABSTRACT

We present a hybrid device platform for creating an electrically reconfigurable metasurface formed by the integration of plasmonic nanostructures with phase-change material germanium antimony telluride (GST). By changing the phase of GST from amorphous to crystalline through Joule heating, a large range of responses from the metasurface can be achieved. Furthermore, by using the intermediate phases of GST, the metasurface can interact with the incident light in both over-coupling and under-coupling regimes, leading to an inherently broadband response. Through a detailed investigation of the nature of the fundamental modes, we demonstrate that changing the crystalline phase of the GST at the pixel-level enables an effective control over the key properties (i.e., amplitude, phase, and polarization) of incident light. This leads to the realization of a broadband electrically tunable multi-functional metadevice enabling beam switching, focusing, steering, and polarization conversion. Such a hybrid structure offers a high-speed, broadband, and non-volatile reconfigurable paradigm for electrically programmable optical devices such as switches, holograms, and polarimeters.

研究动机与目标

• 开发一种可重构超表面平台，能够对光实现动态、多功能的波前调控。
• 通过使用相变材料，克服传统超表面在带宽窄和振幅-相位响应耦合方面的局限性。
• 利用局域 Joule 加热实现对单个元原子的像素级电控寻址，且热串扰极小。
• 展示宽带、非易失性且高速的光学功能，包括光束聚焦、转向和偏振转换。
• 利用非晶态与晶态 GST 之间巨大的折射率对比，以及中间相，实现更高的可调性和多功能性。

提出的方法

• 超表面结构将金纳米带加热器与 GST 纳米条带集成，以实现局域 Joule 加热，从而控制相变。
• 通过施加短时 50 ns 电脉冲（上/下电极分别为 0.4/1.2 V），实现快速淬火，使 GST 温度迅速超过 630 °C，形成非晶相。
• 通过施加更长的 1 μs 脉冲（上/下电极分别为 0.11/0.45 V），诱导完全结晶化，实现晶核成核与生长，无需直流偏置。
• 通过调节脉冲宽度和电压，实现中间结晶度水平，从而实现对 GST 折射率的连续调控。
• 该器件利用两种基本等离子体模式——表面晶格共振（SR-SPP）和传播共振表面等离子体（PR-SPP），与 GST 的相依赖光学响应耦合。
• 热传导仿真证实，相邻元原子之间的热串扰可忽略不计，切换过程中邻近元件温度保持在 160 °C 以下，确保了亚波长尺度下的可寻址性。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域 Joule 加热是否能在无热串扰的情况下实现元原子级别的 GST 电控可重构相变？
• RQ2 GST 的结晶度水平如何影响等离子体模式的激发以及由此产生的光学响应（振幅、相位、偏振）？
• RQ3 GST 的中间相在多大程度上可用于在单个超表面中实现宽带和多功能波前调控？
• RQ4 该混合等离子体-GST 结构是否能够克服传统超表面在宽带工作下普遍存在的振幅-相位耦合限制？
• RQ5 该超表面在光束转向、聚焦和偏振转换等应用中，可实现的调谐范围和响应速度是多少？

主要发现

• 通过 50 ns 电脉冲，超表面实现了 GST 的完全非晶化，冷却速率超过 1000 °C/ns，确保了非晶相的稳定形成。
• 相邻元原子之间的热串扰可忽略不计，因为在切换过程中邻近的 GST 纳米条带温度始终低于 160 °C，实现了真正的像素级可寻址性。
• 利用 GST 的中间相，可实现折射率的连续调控，从而在近红外波段实现宽带操作。
• 该混合等离子体-GST 结构可在单一器件中支持多种功能，包括光束聚焦、光束转向、振幅调制和偏振转换。
• 该超表面展示了非易失性、高速可重构特性，开关速度达到皮秒量级，并在高达 10^15 次循环中保持稳定。
• 理论仿真证实，SR-SPP 和 PR-SPP 模式均可被 GST 相变有效调制，从而实现对反射光相位和振幅的独立控制。