破局光场调控：芝加哥大学徐伯均团队研发出基于可逆金属电沉积的高效宽谱动态超表面

随着增强现实/虚拟现实、激光雷达、自适应光学以及动态热管理等应用的快速发展，能够在亚波长尺度调控光学响应的动态超表面，已成为微纳光子学领域的重要研究方向。然而，受限于现有可调材料（如相变材料、导电聚合物等）有限的光学对比度，实现高效率和大调制深度的动态光学超表面仍面临挑战。

近日，芝加哥大学徐伯均（Po-Chun Hsu）教授团队提出并实验验证了一种基于可逆金属电沉积（Reversible Metal Electrodeposition, RME）的高效宽谱动态超表面平台。该研究通过在亚波长的金属-绝缘体-金属谐振结构中进行可逆铜电沉积，实现了从可见光到中红外波段的高效率动态光场调控，为构建高性能动态光学与热学器件提供了新的通用方案。该研究相关成果以“High-efficiency broadband active metasurfaces via reversible metal electrodeposition” 为题，发表在Light: Science & Applications上。论文第一作者为芝加哥大学博士后研究员李启章，通讯作者为芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授徐伯均。

该研究利用金属与电解质之间巨大的光学性质差异，将可逆金属电沉积引入光学超表面单元结构中。如图1所示，通过施加不同电压，铜原子可以在纳米尺度上均匀、可逆地沉积或剥离于谐振腔周围。由于可逆金属电沉积过程能在宽谱范围内实现材料本征反射率的巨大变化，从而能够在从可见光到中红外区间有效调控谐振腔的表面等离激元共振。

图1 基于可逆金属电沉积的高效宽谱动态超表面的概念与潜力

在实验验证中，研究团队设计并制备了一种基于可逆铜电沉积的动态光束偏转超表面（图 2）。在无 Cu 沉积状态下，具备梯度相位分布的超表面产生了异常反射，使反射角偏离入射方向。当Cu 均匀沉积于谐振腔周围后，等离激元共振被抑制，相位梯度消失，反射模式切换为镜面反射。实验结果表明，在685 nm工作波长下，该器件在两种工作状态下均实现了超过 90% 的衍射效率，且通过500毫秒的电化学沉积与剥离过程即可在两种反射模式之间实现快速切换，体现了可逆金属电沉积在纳米尺度上对超表面光场的高效动态调控能力。

图2 基于可逆金属电沉积的动态光束偏转超表面

为进一步阐明异常反射与镜面反射之间切换的物理机制，作者对超表面的单元结构开展了全波电磁仿真（图3）。未沉积Cu时，谐振腔形成了局域在天线中心附近的间隙表面等离激元（gap-surface plasmon）共振。借助该谐振带来的强相位响应，梯形谐振腔在沿长度方向逐渐变化的宽度可实现接近2π的相位覆盖，从而形成所需的相位梯度，该相位梯度为入射光引入额外横向波矢，最终产生异常反射波前。相反，当在谐振腔周围沉积约30 纳米的Cu层后，共振被显著抑制，原有相位梯度消失，从而切换为镜面反射模式。值得强调的是，切换过程中反射率仍保持在较高水平，这是实现高效率动态光束偏转的关键基础。

图3 基于可逆金属电沉积的动态超表面的光学机制

在实验中，研究团队通过原位与非原位光学表征系统评估了该动态超表面的光束偏转性能，如图4所示。借助傅里叶平面成像技术，清晰观测到器件在铜沉积与剥离两种状态下，反射光束在镜面反射与异常反射方向之间实现稳定、可逆的切换。在 685 nm 工作波长下，该超表面在两种工作模式中均实现了超过 90% 的衍射效率，同时保持较高的反射效率，表明光场调控过程几乎不引入额外能量损耗。

进一步的循环测试显示，该器件在经历 3000 次以上电化学开关循环后仍保持稳定性能，未出现明显退化。研究人员指出，这一优异的稳定性主要源于将金背反射层同时作为电化学工作电极的结构设计：金的高电导率有效降低了器件尺度上的电势降（potential drop），从而保证了沉积电场与反应动力学在整个超表面范围内的均匀性；同时，金与铜之间较低的晶格失配有利于铜在纳米尺度上的均匀成核与可逆生长，避免了局部过度沉积和结构劣化。该工作展示了可逆金属电沉积在实现高效率、长寿命动态超表面方面的独特优势，为可重构光学器件及相关应用提供了新的技术路径。

图4 持续高效率动态光束偏转的实验验证

研究团队进一步展示了该可逆金属电沉积动态超表面在宽光谱范围内的光束调控能力（图5）。实验结果表明，依托可逆铜电沉积所提供的强光学对比以及梯形纳米天线的宽谱设计，该器件的高效率光束偏转性能可从可见光波段自然拓展至近红外乃至中红外区域。更重要的是，该器件在不同的工作波段内均展现出较高且稳定的信噪比，明显优于多种已报道的动态超表面方案。这一特性确保了动态切换过程中目标光束的清晰可辨性，为高可靠性的可重构光学与成像应用奠定了基础。

图5 基于可逆金属电沉积的动态超表面的宽谱光束偏转性能

综上所述，本研究证明了可逆金属电沉积在实现高性能宽谱动态超表面中的显著优势。通过利用可逆铜电沉积提供的强光学对比，实验实现了具备超过 60% 反射效率和 90% 衍射效率的动态光束偏转超表面，其高效性能可从可见光拓展至中红外波段。该方案通过将天线的金属背反射层同时用作电化学工作电极，实现了铜在纳米尺度上的均匀、可逆调控，从而兼顾了优异的光学性能与电化学稳定性。该工作为亚波长尺度下光场的动态调控提供了新的通用策略，并为高效率动态光学与热辐射超器件的实现奠定了基础。

论文信息：

标题: High-efficiency broadband active metasurfaces via reversible metal electrodeposition

期刊: Light: Science & Applications

DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02136-x

作者简介：

徐伯均, 芝加哥大学助理教授，研究方向聚焦于用于能源、可持续发展与健康领域的光与热管理材料。他在斯坦福大学获得材料科学与工程博士学位，并于同校机械工程系从事博士后研究工作。在加入芝加哥大学之前，他曾于 2019 至 2022 年间担任杜克大学机械工程与材料科学助理教授。徐教授曾获得美国国家科学基金会（NSF）CAREER 奖（2022年）、Ralph E. Powe初级教师提升奖（2021年）、MIT科技评论中国35岁以下创新者奖（2020年）和索尼教师创新奖（2019年）。他的博士论文项目“冷却纺织品”被《科学美国人》评为世界十大改变世界的创意之一。目前，他担任《Nano Letters》早期职业顾问委员会主席和《EcoMat》早期职业顾问委员会成员。