单一半导体打造红外超材料：InAs“金属+电介质”双层超晶格，把5~10 μm光玩出花

搁浅

单一半导体打造红外超材料：InAs“金属+电介质”双层超晶格，把5~10 μm光玩出花（DOI: 10.1364/oe.24.008735）

01 为什么要折腾中红外超材料？

• 传统可见光超材料：金/银+氧化物，5 μm 以后集体“掉线”——金属介电常数负得太大，没有合适介质匹配。
  
• 中红外应用嗷嗷待哺：气体传感、热成像、片上光谱仪，全都指着 3~12 μm 波段吃饭。
  
• 过去方案：InGaAs/InAlAs 异质多层，需要晶格匹配、两种材料轮流长，工艺复杂。
  
  

02 一招破局：InAs 自己跟自己“叠罗汉”美国 Delaware 团队用分子束外延（MBE）把“掺杂 InAs”当金属层，“本征 InAs”当介电层，只调硅掺杂量（3E18→8E18 cm⁻³）就能连续移动“等离子体波长”λ_p：

• λ_p=5.8 μm → 6.7 μm → 9.5 μm
  
• 金属层厚度 t_m、介电层厚度 t_d 独立可调，金属填充比 ρ=t_m/(t_m+t_d) 0.24–0.74 任意设定。
  
• 10 个周期总厚 2–3 μm，一次外延 30 min 搞定，缓冲层只用 500 nm GaAs。
  
  

03 实测成绩单

• 角分辨 FTIR：TM 偏振在 λ_p 附近出现 Brewster 角突变与强色散，TE 偏振无感，符合双曲色散 ε_⊥<0、ε_∥>0。
  
• 负折射验证：30° 斜入射，刀口半遮实验——TM 光在 λ_p 处出现“左遮增透、右遮减透”，TE 光单调变化，实锤负折射。
  
• 带宽：λ_p 越短，相对带宽≈30%；λ_p 越长，可压缩到 10%，完全由 doping 与填充比说了算。
  
  

04 应用脑洞

• 超透镜：λ_p=5.8 μm 样品可在 8 μm 处实现 λ/5 亚衍射成像。
  
• 辐射工程：把 HMM 当衬底，InAs 量子点自发辐射速率可提升 10×（Purcell）。
  
• 可调吸收器：填充比 0.24 样品在 10–12 μm 呈“介质”态，可做成宽带抗反射层；填充比 0.74 样品长波端直接金属镜，一物两用。
  
  

05 一句话总结“单材料、单外延、单后段工艺”——InAs 双曲超材料把中红外光子学从实验室推向量产只差一次流片。