论文信息
南京大学超导电子学研究所范克彬教授、金飚兵教授团队，联合北京理工大学马赫教授，在太赫兹动态超表面领域取得重要进展。研究团队创新性地将可转移的二氧化钒相变薄膜与单层介质超表面相结合，成功实现了太赫兹波在高透射、高吸收、高反射三种状态之间的动态、连续切换。该工作通过热致相变精准调控超表面的电磁模式，在一个独立式单层结构内完成了传统上需要多层复杂设计才能实现的功能，为发展高性能太赫兹智能窗、可重构雷达罩及电磁屏蔽器件提供了新思路。
相关成果以“Tristate Switching of Terahertz Metasurfaces Enabled by Transferable VO₂”为题，发表于光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》。
研究背景与挑战
实现对电磁波透射、吸收与反射状态的动态切换，是智能电磁表面（如智能雷达罩、选择性电磁屏蔽窗）的核心目标之一。在微波波段，可通过在多层结构的不同层中集成有源元件（如PIN二极管）来独立调控电、磁响应，从而实现三态切换。然而，在太赫兹及更高频段，制备低损耗的厚间隔层、实现层间精密对准以及集成有源元件都面临极大挑战，使得多层方案难以实施。
创新原理：单层结构中的模式调控
本研究摒弃了传统的多层设计思路，提出了一种基于单层介质惠更斯超表面的创新方案。该超表面由周期排列的硅圆柱阵列构成，通过在其表面集成一层二氧化钒薄膜实现动态调控。
其核心物理机制在于，通过VO₂的绝缘体-金属相变来调控超表面的本征模式：
1. 高透射态：在低温绝缘态时，VO₂损耗极低。硅圆柱同时激发电偶极子与磁偶极子共振，且两者频率重合、辐射损失相匹配，满足广义Kerker条件，形成惠更斯超表面，实现近乎完美的透射。
2. 高吸收态：随着温度升高，VO₂电导率增加，进入介电损耗主导的过渡态。此时，电、磁偶极子模式因材料损耗增加而达到临界耦合条件，入射太赫兹波能量被高效吸收于结构内部。
3. 高反射态：当温度继续升高使VO₂完全转变为金属态时，其高电导率严重破坏了结构的对称性，导致磁偶极子模式消失，系统响应由电偶极子模式主导。该模式在强损耗下远离临界耦合，从而表现出强烈的反射。
关键技术：可转移VO₂薄膜的异质集成
为实现上述功能，团队开发了一套VO₂薄膜转移与激光微加工的关键工艺。首先在石英衬底上生长高质量VO₂薄膜，然后将其完整剥离并转移至预先制备好的独立式硅圆柱阵列背面。随后，利用近红外激光精准刻蚀掉圆柱间隙区域多余的VO₂薄膜，最终在单层超表面上实现了VO₂图案化的异质集成。该工艺避免了高温工艺对VO₂相变特性的损伤，保证了器件性能。
性能验证
实验测得，通过将样品从室温加热至80°C，超表面在0.65 THz工作频率下成功实现了三态切换：
透射态：传输系数接近 1（反射接近于0）。
吸收态：吸收率最高达到 0.95。
反射态：反射系数提升至 0.65。
测量结果与基于时域耦合模理论的模拟分析高度吻合，验证了设计原理的正确性。此外，在状态切换过程中，透射波的相位变化超过210度，同时展示了波前调控的潜力。
应用前景
这项工作展示了利用相变材料与介质超表面结合，在单层架构上实现多功能动态调控的可行性与优势。所提出的三态切换超表面为开发太赫兹智能雷达罩（在透射、隐身、防护模式间切换）、动态电磁屏蔽器件以及可重构传感平台提供了创新的器件原型。其独特的单层设计与相对简单的热调控方式，更利于未来集成化与实用化。
图文导读
图1：三态切换超表面工作原理示意图。
a) 器件结构示意图：VO₂薄膜转移至独立式硅圆柱阵列上，其相变由加热控制。b-d) 理论计算的超表面在透射态（b）、吸收态（c）和反射态（d）下的透射、反射与吸收频谱。
图2：基于耦合模理论的模式演化分析。
a,b) 电、磁偶极子模式的复数本征频率（包括总损耗率与谐振频率）随VO₂电导率的变化。区域I为双偶极子模式主导，区域II为电偶极子模式主导。c) 不同VO₂电导率下，电、磁偶极子模式的电场分布图。d-f) 透射态（d）、吸收态（e）、反射态（f）的散射谱（实线）与耦合模理论拟合结果（虚线），两者高度一致。
图3：超表面散射特性随VO₂电导率演化的完整图谱。
a-c) 模拟的透射系数、反射系数及吸收率随VO₂电导率与频率变化的二维图谱。d) 在0.65 THz处提取的透射、反射、吸收值随电导率的变化曲线，清晰展示了从透射→吸收→反射的三态过渡路径。
图4：器件制备流程与VO₂薄膜表征。
a) 关键制备步骤示意图：硅圆柱阵列深刻蚀、VO₂薄膜剥离与转移、激光微加工去除多余薄膜。b) 漂浮于水面的独立式VO₂薄膜（尺寸约2厘米）。c,d) 转移VO₂薄膜后硅圆柱阵列的正面（c）与背面（d）显微图像。e) 最终制备的独立式可调谐超表面样品照片。f,g) 转移前后VO₂薄膜的电阻-温度曲线（f）与X射线衍射图谱（g），证明转移工艺未损伤薄膜的相变特性与结晶质量。
图5：实验测量的温度依赖三态切换性能。
a-c) 实验测得的透射系数（a）、反射系数（b）及计算得到的吸收率（c）随温度升高的演变。d) 0.65 THz处透射、反射、吸收值随温度的变化曲线，直观呈现三态切换过程。插图为该频率下复透射系数与反射系数随温度变化的轨迹。
文献来源
Fengjie Zhu, Kainan Yang, Jianhua Hao, Kebin Fan*, He Ma*, Jingbo Wu, Caihong Zhang, Xinping Zhang, Huabing Wang, Biaobing Jin*, Jian Chen, and Peiheng Wu. Tristate Switching of Terahertz Metasurfaces Enabled by Transferable VO₂. Laser & Photonics Reviews, 2025, 19, 2401732.