基于MEMS技術(shù)的可調(diào)控超材料的發(fā)展

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中山大學(xué)電子與信息技術(shù)學(xué)院林佑昇副教授團(tuán)隊(duì)近日在Electronics期刊上發(fā)表了一篇綜述文章，研究并評(píng)估了利用靜電驅(qū)動(dòng)(ESA)、電熱驅(qū)動(dòng)(ETA)、電磁驅(qū)動(dòng)(EMA)和彈性拉伸驅(qū)動(dòng)等機(jī)制的MEMS可調(diào)控超材料的演進(jìn)。

超材料

超材料，是一種用于干預(yù)電磁波傳輸?shù)木哂兄芷谛晕⒔Y(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的合成材料，由于其獨(dú)特的電磁特性，近年受到了廣泛關(guān)注。

通過對(duì)幾何尺寸的適當(dāng)控制，可以設(shè)計(jì)超材料的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率以滿足所需的應(yīng)用。為人工控制亞波長范圍內(nèi)的電磁波并獲得獨(dú)特的光響應(yīng)提供了一種策略。因此，超材料在隱身技術(shù)、能量收集、診斷成像、微流控檢測、生物醫(yī)學(xué)傳感等應(yīng)用中得到了廣泛研究。

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

利用MEMS技術(shù)調(diào)控超材料

基于超材料的光學(xué)器件已經(jīng)展示出令人印象深刻的性能。不過，一旦構(gòu)建完成，這些不夠靈活的“小工具”就無法進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整。

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

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

近期的發(fā)展

近十年基于MEMS技術(shù)的可調(diào)控超材料的發(fā)展

基于MEMS技術(shù)的主動(dòng)可調(diào)控超材料成為近年光電子研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它使我們能夠操縱電磁波。

超材料可以與MEMS技術(shù)緊密結(jié)合，通過利用MEMS技術(shù)直接調(diào)控超材料，從而實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

基于MEMS技術(shù)的繞組形懸臂超材料(WCM)和WCM單元的放大示意圖

林佑昇團(tuán)隊(duì)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(jìn)行主動(dòng)邏輯調(diào)制。WCM可以由外部驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)，邏輯調(diào)制位通過釋放MEMS懸臂梁來表示開、關(guān)狀態(tài)。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(gòu)的開關(guān)狀態(tài)下操作，避免在系統(tǒng)過載時(shí)系統(tǒng)崩潰。這種可重構(gòu)和可編程的MEMS器件具有同時(shí)執(zhí)行“或(OR)”和“與(AND)”門邏輯操作的多功能特性。這為進(jìn)一步在光電領(lǐng)域擴(kuò)大工作頻率范圍的應(yīng)用開辟了廣闊的途徑。該研究成果為多功能開關(guān)、主動(dòng)邏輯調(diào)制和光計(jì)算應(yīng)用提供了更多的可能性。

利用MEMS器件的可重構(gòu)和可編程性，可以構(gòu)建更智能的可定制超材料?；贛EMS技術(shù)的超材料可調(diào)控機(jī)制，因其在傳感和邏輯操作等領(lǐng)域的重要用途而受到廣泛關(guān)注。此外，彈性基板可以有效調(diào)節(jié)超材料的機(jī)械特性。這些基于MEMS技術(shù)的超材料開創(chuàng)性進(jìn)展，顯著擴(kuò)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(guān)鍵

過去十年來，基于MEMS技術(shù)的超材料在光電應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，林佑昇副教授團(tuán)隊(duì)綜述了采用不同MEMS機(jī)制的主動(dòng)可調(diào)控超材料，以及每種機(jī)制的顯著特征。

應(yīng)用于邏輯操作的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)控超材料

這些超材料的主要新興應(yīng)用包括高效傳感和邏輯操作。

基于MEMS技術(shù)的調(diào)控機(jī)制對(duì)比

隨著超材料在光電子領(lǐng)域的迅速發(fā)展，MEMS可調(diào)控超材料正在被廣泛探索，以實(shí)現(xiàn)電磁波的主動(dòng)控制，滿足更多實(shí)際應(yīng)用的需要。

驅(qū)動(dòng)機(jī)制是決定這些超材料功能的主要因素之一，如調(diào)諧范圍、驅(qū)動(dòng)力、工作頻率以及制造兼容性等。

當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)技術(shù)大致可以分為ETA、EMA、ESA和彈性拉伸機(jī)制。每種驅(qū)動(dòng)技術(shù)都有各自明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，必須根據(jù)超材料的應(yīng)用目的進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估和選擇。

基于MEMS技術(shù)的超材料能夠改變?nèi)肷潆姶挪ǖ念l率、振幅、極化條件和相位。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)許多有效的光電應(yīng)用，如邏輯操作和傳感器等。

應(yīng)用于傳感器的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)控超材料

盡管基于MEMS技術(shù)的超材料的復(fù)雜應(yīng)用已經(jīng)展現(xiàn)了成效，但是功率損耗以及與當(dāng)前IC工藝的兼容性問題，仍然是阻礙基于MEMS技術(shù)的超材料商業(yè)化的重大挑戰(zhàn)。

通過結(jié)合新穎的結(jié)構(gòu)、材料和調(diào)控機(jī)制來解決這些挑戰(zhàn)的超材料技術(shù)，在未來充滿前景。

由此，基于MEMS技術(shù)的超材料可以整合進(jìn)入現(xiàn)有的光電系統(tǒng)，以顯著改善應(yīng)用的功能，如光電調(diào)制器、光學(xué)計(jì)算機(jī)、片上傳感器等，并在智能光網(wǎng)絡(luò)、隱身技術(shù)、光子信號(hào)處理等創(chuàng)新應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

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審核編輯：湯梓紅