Dynamische meta-oppervlakken en metadvices mogelijk gemaakt door grafeen

Een nieuwe publicatie in Opto-elektronische vooruitgang geeft een overzicht van dynamische meta-oppervlakken en metadvices die mogelijk zijn gemaakt door grafeen.

Meta-oppervlakken, kunstmatige subgolflengte gestructureerde interfaces, vertonen ongekende mogelijkheden om elektromagnetische (EM) golven te manipuleren, variërend van zichtbare tot terahertz- en microgolffrequenties.

In het afgelopen decennium is uitgebreid onderzoek gedaan naar statische meta-oppervlakken en metadevices. Vanwege het passieve karakter van bouwstenen in het algemeen gemaakt van metalen en/of diëlektrica, kunnen hun functionaliteiten echter niet actief in situ worden afgestemd na fabricage, wat hun toepassingsscenario’s zoals varifocale lens, dynamische holografie en bundelbesturing in LiDAR ernstig belemmert . Gemotiveerd door die belangrijke vereisten, hebben wetenschappers jarenlang geworsteld om de dynamische afstembaarheid van meta-oppervlakken te verbeteren, en het introduceren van actieve materialen of componenten in de passieve meta-oppervlakken is voorgesteld als de eerste gedachte-strategie.

Tot op heden zijn verschillende actieve materialen en componenten, zoals transparante geleidende oxiden, faseovergangsmaterialen, 2D-materialen (met name grafeen), varactordiodes, elastische materialen en micro-elektromechanische systemen, theoretisch en experimenteel aangetoond om de actieve afstembaarheid op meta-oppervlakken en meta-apparaten door externe thermische, elektrische, optische en mechanische prikkels toe te passen, wat aanleiding geeft tot een nieuwe richting, namelijk dynamische (bijv. afstembare, herconfigureerbare, programmeerbare, intelligente en digitale codering) meta-oppervlakken en metade-apparaten.

Opgemerkt moet worden dat, hoewel eerder onderzoek een belangrijke inspiratiebron vormt voor dynamische meta-oppervlakken en metadevices, elk type actief materiaal en component een reeks unieke kenmerken heeft, bemoedigende kansen biedt en ook lijdt aan verschillende beperkingen en uitdagingen. Verschillende overzichtsartikelen die de afgelopen jaren zijn gepubliceerd, hebben zich op dit gebied gericht om de bovengenoemde problemen te bespreken. Een uitgebreid overzicht van op grafeen gebaseerde dynamische meta-oppervlakken en metadevices is echter nog steeds afwezig, die van gelijke en zelfs grotere betekenis zijn vanwege de buitengewone eigenschappen van grafeen.

In dit artikel verdelen de auteurs grafeen-bekrachtigde dynamische meta-oppervlakken en metadevices zijn onderverdeeld in twee categorieën, dat wil zeggen, meta-oppervlakken met bouwstenen van gestructureerd grafeen en hybride meta-oppervlakken geïntegreerd met grafeen, zoals weergegeven in Fig. 1. De state-of-the-art ontwikkelingen in dynamische spectrummanipulatie, golffrontvorming, polarisatiecontrole en frequentieconversie zijn sterk uitgewerkt in respectievelijk nabije/verre velden en globale/lokale manieren. Ook worden resterende uitdagingen en mogelijke toekomstige ontwikkelingen geschetst en geanalyseerd.

De auteurs zijn van mening dat vanwege de intrinsieke voordelen van een compacte voetafdruk, opmerkelijke elektrische afstembaarheid, breedband en snelle werking, grafeen en grafeenachtige 2D-materialen de EM-golfmanipulaties met behulp van meta-oppervlakken naar een nieuwe hoogte stuwen: van statisch naar dynamisch, wat zal zeker een revolutie teweegbrengen in EM-golfmanipulaties en toekomstige commerciële toepassingen mogelijk maken.