破局光場調控：芝加哥大學徐伯均團隊研發出基于可逆金屬電沉積的高效寬譜動態超表面

隨著增強現實/虛擬現實、激光雷達、自適應光學以及動態熱管理等應用的快速發展，能夠在亞波長尺度調控光學響應的動態超表面，已成為微納光子學領域的重要研究方向。然而，受限于現有可調材料（如相變材料、導電聚合物等）有限的光學對比度，實現高效率和大調制深度的動態光學超表面仍面臨挑戰。

近日，芝加哥大學徐伯均（Po-Chun Hsu）教授團隊提出并實驗驗證了一種基于可逆金屬電沉積（Reversible Metal Electrodeposition, RME）的高效寬譜動態超表面平臺。該研究通過在亞波長的金屬-絕緣體-金屬諧振結構中進行可逆銅電沉積，實現了從可見光到中紅外波段的高效率動態光場調控，為構建高性能動態光學與熱學器件提供了新的通用方案。該研究相關成果以“High-efficiency broadband active metasurfaces via reversible metal electrodeposition” 為題，發表在Light: Science & Applications上。論文第一作者為芝加哥大學博士后研究員李啟章，通訊作者為芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授徐伯均。

該研究利用金屬與電解質之間巨大的光學性質差異，將可逆金屬電沉積引入光學超表面單元結構中。如圖1所示，通過施加不同電壓，銅原子可以在納米尺度上均勻、可逆地沉積或剝離于諧振腔周圍。由于可逆金屬電沉積過程能在寬譜范圍內實現材料本征反射率的巨大變化，從而能夠在從可見光到中紅外區間有效調控諧振腔的表面等離激元共振。

圖1 基于可逆金屬電沉積的高效寬譜動態超表面的概念與潛力

在實驗驗證中，研究團隊設計并制備了一種基于可逆銅電沉積的動態光束偏轉超表面（圖 2）。在無 Cu 沉積狀態下，具備梯度相位分布的超表面產生了異常反射，使反射角偏離入射方向。當Cu 均勻沉積于諧振腔周圍后，等離激元共振被抑制，相位梯度消失，反射模式切換為鏡面反射。實驗結果表明，在685 nm工作波長下，該器件在兩種工作狀態下均實現了超過 90% 的衍射效率，且通過500毫秒的電化學沉積與剝離過程即可在兩種反射模式之間實現快速切換，體現了可逆金屬電沉積在納米尺度上對超表面光場的高效動態調控能力。

圖2 基于可逆金屬電沉積的動態光束偏轉超表面

為進一步闡明異常反射與鏡面反射之間切換的物理機制，作者對超表面的單元結構開展了全波電磁仿真（圖3）。未沉積Cu時，諧振腔形成了局域在天線中心附近的間隙表面等離激元（gap-surface plasmon）共振。借助該諧振帶來的強相位響應，梯形諧振腔在沿長度方向逐漸變化的寬度可實現接近2π的相位覆蓋，從而形成所需的相位梯度，該相位梯度為入射光引入額外橫向波矢，最終產生異常反射波前。相反，當在諧振腔周圍沉積約30 納米的Cu層后，共振被顯著抑制，原有相位梯度消失，從而切換為鏡面反射模式。值得強調的是，切換過程中反射率仍保持在較高水平，這是實現高效率動態光束偏轉的關鍵基礎。

圖3 基于可逆金屬電沉積的動態超表面的光學機制

在實驗中，研究團隊通過原位與非原位光學表征系統評估了該動態超表面的光束偏轉性能，如圖4所示。借助傅里葉平面成像技術，清晰觀測到器件在銅沉積與剝離兩種狀態下，反射光束在鏡面反射與異常反射方向之間實現穩定、可逆的切換。在 685 nm 工作波長下，該超表面在兩種工作模式中均實現了超過 90% 的衍射效率，同時保持較高的反射效率，表明光場調控過程幾乎不引入額外能量損耗。

進一步的循環測試顯示，該器件在經歷 3000 次以上電化學開關循環后仍保持穩定性能，未出現明顯退化。研究人員指出，這一優異的穩定性主要源于將金背反射層同時作為電化學工作電極的結構設計：金的高電導率有效降低了器件尺度上的電勢降（potential drop），從而保證了沉積電場與反應動力學在整個超表面范圍內的均勻性；同時，金與銅之間較低的晶格失配有利于銅在納米尺度上的均勻成核與可逆生長，避免了局部過度沉積和結構劣化。該工作展示了可逆金屬電沉積在實現高效率、長壽命動態超表面方面的獨特優勢，為可重構光學器件及相關應用提供了新的技術路徑。

圖4 持續高效率動態光束偏轉的實驗驗證

研究團隊進一步展示了該可逆金屬電沉積動態超表面在寬光譜范圍內的光束調控能力（圖5）。實驗結果表明，依托可逆銅電沉積所提供的強光學對比以及梯形納米天線的寬譜設計，該器件的高效率光束偏轉性能可從可見光波段自然拓展至近紅外乃至中紅外區域。更重要的是，該器件在不同的工作波段內均展現出較高且穩定的信噪比，明顯優于多種已報道的動態超表面方案。這一特性確保了動態切換過程中目標光束的清晰可辨性，為高可靠性的可重構光學與成像應用奠定了基礎。

圖5 基于可逆金屬電沉積的動態超表面的寬譜光束偏轉性能

綜上所述，本研究證明了可逆金屬電沉積在實現高性能寬譜動態超表面中的顯著優勢。通過利用可逆銅電沉積提供的強光學對比，實驗實現了具備超過 60% 反射效率和 90% 衍射效率的動態光束偏轉超表面，其高效性能可從可見光拓展至中紅外波段。該方案通過將天線的金屬背反射層同時用作電化學工作電極，實現了銅在納米尺度上的均勻、可逆調控，從而兼顧了優異的光學性能與電化學穩定性。該工作為亞波長尺度下光場的動態調控提供了新的通用策略，并為高效率動態光學與熱輻射超器件的實現奠定了基礎。

論文信息：

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

期刊: Light: Science & Applications

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

作者簡介：

徐伯均, 芝加哥大學助理教授，研究方向聚焦于用于能源、可持續發展與健康領域的光與熱管理材料。他在斯坦福大學獲得材料科學與工程博士學位，并于同校機械工程系從事博士后研究工作。在加入芝加哥大學之前，他曾于 2019 至 2022 年間擔任杜克大學機械工程與材料科學助理教授。徐教授曾獲得美國國家科學基金會（NSF）CAREER 獎（2022年）、Ralph E. Powe初級教師提升獎（2021年）、MIT科技評論中國35歲以下創新者獎（2020年）和索尼教師創新獎（2019年）。他的博士論文項目“冷卻紡織品”被《科學美國人》評為世界十大改變世界的創意之一。目前，他擔任《Nano Letters》早期職業顧問委員會主席和《EcoMat》早期職業顧問委員會成員。