光学元件的小型化是实现光的最终时空控制的关键。大量研究人员通过改进新兴的光学技术实现光学元件小型化的目标，比如增强和虚拟现实、动态全息、LIDAR（光检测和测距）和高分辨率波前和极化整形器。亚波长纳米天线是实现这一目标的有利候选材料。它们的共振特性允许与光高效相互作用，并且可以在超小、亚波长尺度上局部增强光的操纵、检测或调制。超表面的出现提供了在纳米尺度上实现基于等离子体的空间相关静态光控制的工具。这些包括超薄光学元件，例如由金属制成的超薄光学元件以及用于广义幅度和相位控制的电介质。集成到动态电光组件中需要通过纳米天线在外部刺激下动态改变光学特性来进行主动时空光控制。目前主要有两种方法，一种可能性是在接近相变的情况下操作纳米天线，从而产生可切换的等离子体共振和具有高对比度的有源超表面。这种直接修改依赖于由化学反应、气体暴露或温度激发的结构或化学材料转变。它们通常很慢，可逆性不完全，并且对与电光设备的集成构成了重大挑战。另一种方法是周围介质的电或温度驱动变化，调整共振强度、位置和线宽，这些特性限制了主动超表面应用中可实现的对比度。然而，迄今为止还没有实现可以在高频下完全开启和关闭的纳米天线谐振。
鉴于此，来自于德国斯图加特大学的HaraldGiessen教授课题组从金属聚合物中实现了等离子体纳米天线，其在金属状态下显示出明显的局域等离子体共振。电化学驱动聚合物从光学金属到绝缘体的转变，等离子体共振可以通过施加仅±1伏的交流电压以高达30Hz的视频速率频率完全关闭和重新开启。通过使用这个概念，研究人员展示了具有100%透射对比度的电可切换光束控制超表面。该方法将有助于实现基于超高效等离子体的集成有源光学器件，包括高分辨率增强和虚拟现实技术。相关研究成果以题为“Electrically switchable metallic polymer nanoantennas”发表在最新一期《Sciecne》期刊上。
在本文的电可切换等离子体系统中，纳米天线由金属聚合物制成，可以通过施加的电压进行电切换（图1A）。当施加+1V的电压时，聚合物被电化学掺杂和氧化，从而导致高载流子密度和金属光学特性。因此，聚合物纳米天线被打开并表现出强烈的等离子体纳米天线共振。相反，在-1V的施加电压下，载流子密度显着降低，聚合物变得绝缘。纳米天线关闭，没有观察到等离子体共振。ON和OFF状态之间的电切换发生得非常快，允许30Hz的视频速率切换频率。
纳米天线概念的核心是电化学驱动聚合物聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）从金属到绝缘体的转变。图1B描绘了介电函数ε1的实部PEDOT:PSS处于金属（红色）和绝缘（蓝色）状态，表明该材料具有出色的电学和光学性能。图1B的插图说明了当PEDOT:PSS从其中性（绝缘）状态变为其氧化（双）极化子（金属）状态时发生的氧化还原反应。
图 1. 由具有金属到绝缘体过渡的金属聚合物制成的电开关纳米天线的概念图
研究人员使用具有三电极设置的电化学电池在液体环境中进行电切换（图2A）。测量了长度L=300 nm的聚合物纳米天线阵列对参考电极施加不同电压时的光谱响应（图2B）。纳米天线在干燥状态下表现出约2.4 μm的等离子体共振，因为PEDOT:PSS几乎完全氧化，因此是金属的。由于（双）极化子的存在，施加+1V会触发PEDOT:PSS的进一步氧化，并具有聚合物的最大掺杂水平和电荷载流子密度。当施加-1V的负电压（蓝色曲线）会使天线谐振完全关闭，没有剩余的谐振光相互作用。
作者进一步对金属聚合物纳米天线的开关速度进行了研究（图2C）。图2C中的左图说明了频率为f=1 Hz时的前10个开关周期，确认了ON和OFF状态之间的完全转换而没有明显的退化。上升（或下降）时间定义为强度分别上升（或下降）在10%和90%之间的时间步长（图2D中的红色）。我们获得20.8 ms的上升时间(τrise)和9.1 ms的下降时间(τfall)，因此占空比时间(τ)为29.9 ms，相当于最大开关频率f=33 Hz。视频速率频率为f=30 Hz的等离子聚合物纳米天线的30次电开关循环如图2C的右图所示。
研究人员展示了一种用于超高对比度主动光束控制的可电切换金属聚合物超表面，即具有主动控制入射光进入固定角度范围的能力的超表面。基本工作原理如图3A所示：用圆偏振光束照亮超表面。根据聚合物纳米天线的状态，部分入射光被衍射，显示出相反的旋向性。该金属聚合物超表面的关键特征是能够完全以电方式打开和关闭。因此，对比度（定义为超表面开启和关闭状态下的衍射强度之比）达到100%。金属聚合物纳米天线（超表面的构建块）的TM（横向磁共振）共振光谱在2.65 μm处达到峰值（图3B）。聚合物超表面的扫描电子显微镜(SEM)图像如图3C所示。实验方案如图3左侧D和E所示。外加+1 V的电压打开超表面，观察到等离子体聚合物超表面的衍射（图3D，右）。相比之下，-1 V的施加电压使超表面完全关闭，+10.2°的衍射光束完全消失（图3E右）。衍射效率为1.1%。到目前为止，光束转向超表面在其开启状态下的光谱对比度约占86%，而在关闭状态下为100%（图3B）。金属聚合物纳米天线具有另一个有趣的特性：连续的电化学掺杂导致介于ON和OFF状态之间的中间状态；因此，可以随意修改衍射光束的强度（图3F）。
图 3. 用于超高对比度主动光束控制的金属聚合物等离子体超表面
本文制备的金属聚合物可用于等离子体纳米天线共振的电切换。等离子体共振可以完全打开和关闭，开关速度高达30Hz（视频速率），±1伏的低开关电压（兼容互补金属氧化物半导体）和100%的传输调制深度。结果可以应用于纳米光子设备，例如用于增强和虚拟现实成像应用的设备。这种可电切换的超表面和等离子体材料将使有源纳米光子技术的发展成为可能。
来源：高分子科学前沿
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