导读
南京大学超导电子学研究所范克彬副教授团队，联合清华大学团队成功开发了一种基于微机电系统（MEMS）的可调谐超表面热发射器。该器件通过自由悬浮的全金属超表面与硅基MEMS致动器相结合，利用空气间隙的连续变化，实现从 2 μm 到 14 μm 的宽范围窄带热发射调谐。器件整合了芯片上微加热器，支持实时动态红外操控。研究团队提出了一种多尺度微纳加工方法，结合表面和体微加工工艺，实现自由悬浮超表面的精密制造，并开发了晶圆级批量生产流程。实验验证了 8–14 μm 长波红外范围内的可调谐发射能力，峰值吸收率超过 70%，全宽半高（FWHM）最小约 200 nm。该成果为生化传感、红外成像和气体检测等应用提供了高效、低成本的动态红外元器件解决方案。论文以“Design and fabrication method of the MEMS tunable metasurface thermal emitter with free-standing structures”为题发表于国际光学期刊 Photonics Research。
研究背景
红外波段（2–14 μm）是电磁波操控的重要领域，涵盖中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR），在生化传感、红外成像、气体检测和热伪装等方面具有广泛应用。超材料和超表面作为人工设计的平面结构，通过亚波长元原子阵列实现对电磁波的精确操控。然而，传统被动超表面功能单一，无法满足多功能动态应用的需求。
近年来，可重构超表面通过外部刺激实现动态调整，成为研究热点。MEMS技术通过机械重构提供大调谐范围、低功耗和高响应速度的优势，但现有MEMS超表面面临衬底损耗、调谐范围有限和Q值不高等挑战。自由悬浮全金属超表面可消除衬底影响，但其与硅基MEMS致动器的兼容制造难度大。此外，覆盖MWIR和LWIR的高Q可调谐热发射器鲜有报道。本研究提出整合自由悬浮超表面、硅基MEMS致动器和微加热器的方案，旨在实现宽范围高性能动态热发射。
核心设计、原理与仿真结果
图1. MEMS可调谐超表面热发射器示意图，展示了自由悬浮超表面设计与硅基致动结构的结合，支持空气间隙的电控重构，实现动态红外发射调控。
本研究设计了一种基于MEMS的可重构超表面热发射器（图2）。超表面采用互补补丁几何形状的全金属结构（金，厚度约 100 nm），悬浮于硅致动器的中心硅板上，形成自由悬浮结构。致动器包括可动中心硅板、L形支撑梁和硅框架。衬底芯片集成金反射镜和微加热器。通过SU-8粘合层翻转芯片键合，形成可调空气间隙的Fabry-Perot（FP）腔。
图2. (a) MEMS超表面顶视图。(b) 自由悬浮元原子放大图。(c) 衬底芯片顶视图。(d) MEMS重构工作原理示意图。
表1. MEMS超表面典型设计参数
器件通过FP腔与超表面谐振耦合，实现破坏性干涉和完美吸收。根据Kirchhoff定律，吸收率等于发射率，故可通过调谐空气间隙实现窄带热发射。
图3. (a) 模拟吸收谱随空气间隙厚度(4–6.8 μm)的变化。(b) 在间隙6 μm处的吸收谱及电场分布图（插图为xy和xz平面）。
数值模拟显示，对于元原子尺寸 L=3 μm、P=7 μm，第一阶FP耦合峰可从 8.5 μm 调谐至 14 μm，吸收率 >60%。电场分布表明偶极谐振与FP谐振耦合。自由悬浮设计提供高反射和平滑相位变化，是提高性能的关键。
图4. (a)-(b) 不同Lm和Pm值下超表面的反射幅度与相位特性。(c)-(e) 不同尺寸参数下的模拟吸收谱。
仿真分析表明，元原子尺寸可灵活调控光学响应。为覆盖 2–14 μm 全波段，团队设计了五种元原子图案。
图5. (a)-(e) 五种不同元原子图案（L3P7, L2.4P6, L2P5, L1.1P2.2, L0.6P1）在不同空气间隙下的模拟吸收谱。
这五种图案的调谐范围可分别覆盖 10–14 μm、7.5–11 μm、6–8 μm、3.8–6 μm 和 2.5–3.8 μm，吸收率均 >90%。器件展现出极窄的发射线宽。
图5(f)-(h). (f) 吸收幅度与中心波长关系。(g) FWHM与中心波长关系。(h) 中心波长与空气间隙厚度的线性关系。
FWHM 从 27 nm 至 260 nm，随波长增加而减小，体现了高光谱分辨率。中心波长与间隙的调谐斜率接近2，表明具有强大的调谐能力。
图6. (a) 利用高阶谐振，仅用两种元原子图案即可覆盖2–14 μm。(b) 调谐范围可扩展至更长的红外波段。
关键制备工艺
为实现纳米级金属超表面与微米级硅结构的兼容制造，团队开发了晶圆级多尺度微纳加工方法。
图7. MEMS超表面芯片的主要制造步骤示意图。
工艺核心是结合表面与体微加工技术。通过多步光刻、电子束蒸发、深反应离子刻蚀（DRIE）和释放工艺，在SOI衬底上制备出自由悬浮的超表面和精密的MEMS静电致动器。
图8. 实现不同刻蚀深度的多级掩膜示意图。
表2. 不同刻蚀步骤的参数与掩膜选择率
图9. 衬底芯片制造与翻转芯片键合工艺流程示意图。
衬底芯片集成了微加热器和金反射镜。最终通过SU-8粘合层进行翻转芯片键合，精确控制初始空气间隙，完成器件集成。该流程产量 >95%，具备大规模生产潜力。
器件表征与性能验证
图10. (a) 制造的MEMS超表面晶圆照片。(b) 超表面区域3D形貌测量图。(c) 衬底晶圆照片。(d) 微加热器与反射镜光学照片。(e) 键合后的完整器件照片及超表面SEM图。
制造的器件显示出良好的结构完整性。超表面区域平坦度<40 nm。
图11. (a)-(c) 不同初始空气间隙下，致动器位移随施加电压的变化曲线（插图为模拟变形图）。(d) 微加热器温度随施加电压的变化曲线（插图为热分布图）。
致动器测试表明，其位移可达空气间隙的1/3，响应时间约 61 ms。微加热器可实现超过 400°C 的加热温度。
图12. (a)-(c) 三种不同元原子图案器件（E1, E2, E3）在不同驱动电压下的可调谐吸收响应实验测量结果。
光谱测试结果验证了器件的优异性能：器件E1调谐 12.2–8.4 μm；E2调谐 10.8–7.7 μm；E3调谐 8.3–5.9 μm，吸收率 >70%，FWHM ≈ 200 nm。
图13. (a) 热发射谱在不同驱动电压下的调谐实验结果。(b) 不同工作温度下的发射峰稳定性。(c) 红外热像图显示发射波长调谐时（调至8 μm以下）辐射强度明显下降。
热发射性能测试表明，发射峰可从 9.62 μm 连续调谐至 7.94 μm。红外热成像直观证实了发射率的实时动态控制能力。器件在高温下工作稳定。
总结与展望
本研究提出了一种通用方案，通过整合自由悬浮全金属超表面、MEMS静电致动器和微加热器，成功实现了覆盖 2–14 μm 的宽动态范围、高Q值可调谐热发射器。自由悬浮设计从根本上消除了衬底损耗；MEMS致动器提供了大行程、可靠的机械重构；FP谐振耦合机制则实现了宽谱段、高性能的调谐。所开发的多尺度微纳加工方法为这类复杂器件的晶圆级批量制造提供了可行路径。
该工作为动态红外光子学提供了实用且高效的解决方案。此平台可进一步扩展，用于构建动态光束扫描器、可调超透镜、光学开关及阵列化器件，在紧凑型气体传感、热伪装、光谱成像和红外通信等领域具有广阔的应用前景。
论文信息
Xiayu Wang, Fengjie Zhu, Qingsong Feng, Ziqi Mei, Rongbo Xie, Zhongjie Jiang, Chao Liang, Xiangyang Wei, Gaofei Zhang*, Xiaoguang Zhao*, Kebin Fan*, and Zheng You, Design and fabrication method of the MEMS tunable metasurface thermal emitter with free-standing structures, Photon. Res. 14, 297-308 (2026)
