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导读
近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院的朱卫仁副教授团队与来自中国科学院重庆绿色智能技术研究院以及南京大学等研究人员合作，提出了一种结合石墨烯与相位编码超表面实现电磁散射波束动态赋形的新设计，为主动式超表面实现电磁波的多功能调控引入了新的自由度，同时也扩展了二维材料石墨烯在微波频段的实际应用。相关成果于近期以“Dynamic Scattering Steering with Graphene‐Based Coding Metamirror”为题目在线发表于《Advanced Optical Materials》上。该论文的第一作者为上海交通大学博士生张金，通信作者为朱卫仁副教授，论文的合作作者包括中国科学院重庆绿色智能技术研究院博士生张恒与魏兴战研究员，南京大学博士生杨维旭、陈克副研究员、冯一军教授，以及上海交通大学金荣洪教授。
图1.基于石墨烯数字编码超表面实现散射赋形效果示意图。
近年来，利用编码及可编程超表面对电磁波进行动态操控在波束赋形、传感探测、扫描聚焦、极化调控以及信号调制等方面展现出了广泛的应用前景。而此类超表面大多基于PIN管、变容二极管等可调电子元件以实现相位的调控，受限于电子元件的性能以及复杂的馈电网络设计。石墨烯作为一种新型二维材料，不仅具有柔性、轻薄以及光学透明等物理特性，更重要的是，它的电磁特性可以通过外加电压实现动态控制，适用于设计动态可调超表面。由于缺乏对微波频段电磁波相位信息的重构，目前微波频段石墨烯超表面大多基于幅度调制设计一些基本功能，如宽带吸波、相干吸波\透波切换等，难以实现对电磁波更为复杂的调控。
图2(a-c)不同电压下石墨烯编码超表面的散射示意图；（d-f）不同电压下相应的微波成像应用设想图。
在这项工作中，研究人员首次在微波频段提出了一种新颖的石墨烯编码超表面设计方案，该方案结合石墨烯三明治结构与1比特编码超表面，将基于石墨烯的动态幅度调制技术引入到相位预编码超表面中，为实现电磁波的多功能调控引入了新的自由度。基于这种思想，研究人员设计了一款工作在微波频段的的石墨烯数字编码超表面，通过外加电压实现对其散射波束的连续动态调控，如图2所示，实现对物体的镜面反射成像到模糊反射的动态调控。
图3.(a)单元结构示意图(b)石墨烯单元俯视图(c)金属图案单元结构图(d)不同结构参数对反射相位响应的影响(e)石墨烯表面阻抗的变化对反射幅度的影响(f)石墨烯表面阻抗的变化对反射幅度的影响(g)编码超表面的“0”“1”单元分布。
所设计的超表面的单元结构如图3(a)所示，从上到下由石墨烯三明治层、介质层、金属图案层、基底层以及金属背板组成。其中，图3(c)所示的金属图案层由耶路撒冷十字嵌套方环结构组成。当改变结构尺寸参数l时，可以实现将近360°的相位差。根据图3(d)，选取l=3mm和l=3.75mm (此时相位差为180°)分别作为相位编码超表面的“0”单元与“1”单元。另一方面，石墨烯三明治层由上下两层图案化的单层石墨烯以及夹在中间的离子液层构成。在上下两层石墨烯之间加载偏置电压调控石墨烯表面阻抗从1500Ω/sq变化到220Ω/sq，从而实现反射幅度的动态调控。如图3(e-f)所示,石墨烯表面阻抗的变化对相位并不产生影响且对幅度调制具有编码选择性：在工作频点13.3GHz处，当石墨烯的表面阻抗变化时，“0”单元(l=3mm)的反射幅度可以从0.7变化到0，而“1”单元(l=3.75mm)的反射幅度始终在0.9以上。
图4.(a-c)不同石墨烯表面阻抗情况下的散射波束计算结果 (d-f) 不同石墨烯表面阻抗情况下的散射波束H面仿真结果 (g-i) 不同石墨烯表面阻抗情况下的散射波束e面仿真结果。
基于上述的单元响应分析，通过计算和仿真得出所设计超表面的散射波束方向图如图4所示。
图5.(a)金属图案层加工样品(b)石墨烯层加工样品(c)测试装置图(d-i)测试结果图。
图5展示了所设计的石墨烯动态可调编码超表面的样品、测试装置以及测试结果。通过仿真与测试结果的对比可以得出：所设计石墨烯编码超表面的散射波束可以通过外加电压实现由垂直镜面反射到散向四周的漫反射的连续动态调控，验证了所提出方案的正确性。
与传统的基于反射式数字编码数字超表面相比，本文基于石墨烯材料将独立的幅度调制引入到相位预编码超表面设计当中，在微波频段内实现了散射波束的连续动态调控，并通过实测结果进行了验证。该方案结合石墨烯新型电磁材料为数字编码超表面的设计引入了新的自由度，为实现电磁波的多功能动态调控奠定了基础，同时也进一步拓展了石墨烯材料在微波频段的应用前景。
本研究得到了国家自然科学基金(NSFC)(61701303, 51777168)和上海市自然科学基金(17ZR1414300)资助。
文章链接
https://doi.org/10.1002/adom.202000683
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