超表現是個啥（下）

上一篇文章提到過，對電磁波的共振本身就與材料陣列本身結構和面積有很大的關係，金屬超材料曾長期被運用在天線領域，結合LC震蕩的模型，來實現電磁波的調製。只是由於現代工藝技術的進步，逐漸被運用於光學領域。

但是，人們漸漸發現，利用金屬雖然可以很好的實現性能，但是作為調製來說，並不容易，然而表面電子氣由於在界面產生，對錶面介質材料的折射率非常敏感，故而研究者們尋找了一系列可以作為調控手段的材料，比如液晶，還有CD常用的相變材料，這一種材料一般的被稱為複合/混合超材料（hybrid matematerial），常常利用與調製光相位，實現光開關。

比如下圖就是利用該類型材料所實現的一個四分之一波片，利用二氧化釩加電失電金屬性得失，來調控銅超材料：

然後，人們又發現，貴金屬作為等離子超材料，他們損耗有點太高了，這讓一些需要利用超材料透過特性的器件性能不盡人意，故有研究者提出用一些半導體材料作為超材料介質，來實現低損耗的超材料，下圖為研究者所標定的材料所對應光譜區的材料：

這種形式的超材料通常被稱為dielectrical metamaterials。下圖是利用高k材料所實現的結構色，並通過排列各類顏色所對應的結構來實現激光列印功能：

金屬的超表面結構，由於表面存在等離激元，故可以發生共振情況。然而這個解釋用於非金屬的一些介質，似乎並不能行得通，而金屬超材料的高損耗著實頭疼，人們就想著利用非金屬介質來製備超材料。其中最常見的半導體行業的老玩家——硅。

上圖中為硅納米陣列形成結構色以及空間相位調製還有全息特性。

更重要的是，現在半導體工藝是建立於硅的CMOS工藝上的，從契合角度來說，Si之間的相性結合較好，而且有SOI這種常見工藝結構在前，用Si來實現超材料的功能對於集成光子學來說實際意義重大。

而不同於貴金屬材料的plamonic metamaterials，這裡的硅納米顆粒陣列是dielectricmetamaterials，很多文章中會用Mie式共振來對其特性的激勵進行解釋。

提起散射，瑞利散射和米氏散射這兩種是大家所極為熟悉的。瑞利散射適用於在粒子遠小于波長的情況下，常見的一種瑞利散射是天空變藍；而米氏散射則用於粒子與波長大小相當的情況下，通常我們解釋云為何是白色的會用米氏散射。Mie式共振嚴格意義上是適用於球形粒子的，然而科學家們發現，建立柱形結構同樣會有一些奇特的特性存在。

除了Mie resonance之外，表面聲子共振（surface phononpolaritons resonance），也是運用於dielectric metasurface的一種現象，超表面肯定要發生在表面，實際Mie式共振的那些嚴格意義上只能算是超材料，並不能算超表面。

由一種叫GST（GexSbyTez）材料所做的有關表面聲子極化共振的相關工作的研究分別在2015年和2016年分別成就了一篇naturephotonics和一篇nature materials。這個材料我們一般稱之為相變材料，常見的是GST-225，其通常用在存儲方面（相變存儲器，PCM），擁有較高的穩定性，可以在非晶態和晶態間有數十萬次的切換。

上圖當中，利用激光設計GST的晶化區點陣，形成表面聲子極化共振的超表面，從而實現了菲涅爾衍射的變化。關鍵是材料的讀寫特性對於光的控制來說是很有意義的。之後還有對於超薄GST的表面聲子極化共振調控的研究，對於未來超透鏡研究有著重要意義。

然而這種超表面通常只存在於剩餘射線區域，即在極性晶體的橫向和縱向方向所存在的一個特別的頻譜範圍。所以與等離子體超材料還有米氏共振超材料的結合可能會更好的發展……

參考文獻：

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