综述：机械可重构超构表面的研究进展
2026-04-10 15:45:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光学超构表面（Metasurfaces）可在亚波长尺度内实现精确的光调控，近几十年来备受学术界的广泛关注。将可调谐能力集成到这类结构中，对于推动下一代平面光学器件的发展至关重要。在诸多技术路线中，机械可重构超构表面通过物理改变超构单元的几何参数（例如形状、间距和方向）来实现光学特性调控，从而为动态调控提供了一种通用型解决方案。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学与宁波东方理工大学等机构的联合研究团队综述了机械可重构超构表面研究进展，综述论文以“Recent progress in mechanically reconfigurable metasurfaces”为题发表于APL Photonics期刊。研究团队回顾了主要的机械调制机制，包括可拉伸衬底、微马达，以及静电驱动、电热驱动和压电驱动技术。此外，系统分析了这些方法的基本原理、技术特征及新兴应用，同时探讨了当前领域面临的主要挑战，并展望了未来发展方向。

图1 机械可重构超构表面概述图

机械可拉伸的超构表面

基于可拉伸衬底的机械可重构超构表面为动态波前整形提供了简单有效的实现方法。通过拉伸或压缩可变形的衬底，可以改变超构原子之间的间距，从而动态地改变光学响应。常见的柔性衬底包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等聚合物，这些材料因其柔性和与低成本制造工艺的兼容性而备受青睐。

图2 机械可拉伸的超构表面

除了简单的光谱调谐外，可拉伸的超构表面已被集成到彩色滤光片、随机激光器和图像处理系统等各类可调谐功能器件中。其中变焦透镜对于成像和自适应视觉应用至关重要。可拉伸的超构表面因其能够适应各种形状而具有显著的优势，使其成为可穿戴、柔性及便携式光电设备的理想选择，其生物相容性进一步拓展了其在植入式医疗设备及其它生物集成光学系统中的应用潜力。此外，可拉伸的超构表面还具有调谐范围广、制造工艺简单、性能稳定、可重复等特点。值得注意的是，这类超构表面的关键优势在于其适用于光波前的二维调控。

基于微马达的机械可重构超构表面

基于微马达的机械控制正在成为实现低频可重构超构表面的一种重要技术路线。通常，微马达通过调控超构原子的几何结构（例如旋转角度）、结构尺寸（例如单元结构高度）或辐射元件与接地平面之间的气隙，从而实现对电磁波相位、振幅或偏振的精确调控。

图3 基于微马达的机械可重构超构表面

总的来说，利用微马达实现机械可重构超构表面，为低频应用提供了多项独特优势。通过将微马达置于接地平面下方并将其与辐射元件分离，这类超构表面可有效避免集成式电子移相控制系统带来显著的单元损耗。此外，每个超构原子的独立控制使得电磁特性的精确调控成为可能。低功耗和非易失性进一步提升了能效，使这些系统成为大规模、持久应用的理想选择，同时兼具环境友好及可持续性。

基于静电驱动的机械可重构超构表面

基于微马达的可重构超构表面在微波和太赫兹（THz）波段的有效性已被证实，但在红外（IR）和可见光波段仍面临重大挑战，因该波段的超构原子具有纳米尺度特征。在这种情况下，静电力强度随着物体间距的减小而增大，成为极具前景的替代方案。静电力能够克服精确工程纳米结构的弹性阻力，仅需数伏驱动电压即可使形貌改变，或调控超构表面、超构单元或超构原子与其衬底之间的间距，从而改变其光学特性。研究人员按静电力运动形式将静电超构表面分为三类：平面内运动、平面外运动、二维与三维之间的结构转变。

图4 基于静电驱动的机械可重构超构表面

尽管静电驱动系统需要结构完善的电路才能高效运行，而且有时会因“吸合效应（pull-in）”（即当电压超过临界值时，弹性力无法抵消静电吸引力）而导致运动失稳，但这类机械可重构超构表面仍然是与现有半导体技术兼容性最优的方案之一。其具备响应速度快、功耗低以及在红外和可见光波段响应范围宽等特点。除自由空间光调制外，静电驱动的重构技术在动态波导调控方面具有广阔前景，使其成为开发未来智能自适应光电器件和系统的重要技术路线。

基于电热驱动的可重构超构表面

电热驱动通过利用温度引起的变形，实现了超构表面在可见光、红外和太赫兹波段的动态调谐。这种调谐主要基于两种机制：第一种机制依赖于双层复合结构，该结构由两种热膨胀系数（CTE）不同的材料组成；随着温度变化，CTE较高的材料膨胀更多，导致结构向CTE较低的层弯曲，从而改变了超构表面的形貌。第二种机制采用相变材料（PCM），其中温度波动会触发晶格的膨胀或收缩，从而引起应变并使结构变形。

图5 基于电热驱动的可重构超构表面

总的来说，电热驱动为机械可重构超构表面带来了诸多优势，包括能够实现显著变形以增强光学调谐、与亚波长特征尺寸的兼容性以及相对简单的设计和制造工艺。然而，调控速度受到驱动所需的温度变化的固有限制，并且差异膨胀机制导致变形幅度仅与功能单元尺寸成正比。这反而限制了调制深度，在微尺度应用和可见光波段尤为明显。

基于压电驱动的机械可重构超构表面

除了静电驱动和电热驱动外，压电驱动是机械可重构超构表面中另一种广泛使用的换能技术。这种方法是通过在压电材料的电极上施加直流电压来实现的，这种电压会产生与施加电场强度成正比的应变。这种应变导致机械位移，使材料发生变形，进而改变超构表面的结构和光学性质。常用的压电材料包括锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN），两者均具有很强的机电耦合性。

图6 基于压电驱动的机械可重构超构表面

压电驱动是实现机械可重构超构表面的理想方案，具有驱动电压低、功耗低、响应速度快以及外形紧凑等显著优势。与静电驱动不同，压电系统提供线性驱动且不存在“吸合效应”的风险，因此特别适合于光学纳米结构的动态调谐。然而，基于压电薄膜技术的超构表面在制造工艺上复杂性和成本较高，对其规模化生产与多场景普及应用构成挑战。

总结及展望

可重构技术的集成推动了超构表面向更高复杂性和多功能性的发展。与基于材料的调控不同，通过物理改变单元结构的几何特征实现的机械可重构超构表面，提供了极其宽广的可调谐范围。尽管这些超构表面用途广泛且与多种材料兼容，但往往面临诸如调制速度较慢、集成复杂性增加等挑战。

未来针对机械可重构超构表面的研究有望实现对光学特性的全面调控，从而为此类器件广泛集成到多功能超构光子系统中铺平道路。然而，要从实验室演示过渡到商业应用，仍需付出巨大努力，以实现更快的转换速度、更宽的调谐范围、更大的调制深度（包括相位和幅度）、更高的效率和更低的功耗。同样重要的是，机械重构策略可与其它可调谐材料平台形成互补，包括超导体、半导体和硅基结构、光活性和相变材料，以及基于MEMS的手性调控技术。通过将机械重构策略与这些先进材料相结合，有望实现具有更强动态调控能力、多功能且具备系统级集成的超构表面，从而为未来应用解锁全新可能性。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0274326

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

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