从 5.8 μm 到 10 μm 一键漂移：InAs 双曲超材料如何做到“掺杂即调谐”？

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从 5.8 μm 到 10 μm 一键漂移：InAs 双曲超材料如何做到“掺杂即调谐”？

（DOI: 10.1364/oe.24.008735）

在红外光学里，波长就是命根子。今天这篇 PR 级别的操作手册告诉你：只要改硅掺杂，一块 InAs 就能让双曲色散“指哪打哪”。

【技术拆解】1 能带工程底层逻辑

• InAs 电子有效质量 m*=0.023 m₀，轻到极致，等离子体频率公式：ω_p² = n e² / (ε_s ε₀ m*)
• 掺杂 3×10¹⁸ cm⁻³ → λ_p=5.8 μm；拉到 8×10¹⁸ cm⁻³ → λ_p=9.5 μm
• 无晶格失配顾虑，硅原子“插班”In 位，MBE 450 ℃ 快速生长即可锁定高掺。
  
  

2 有效介质模型（EMT）一句话读懂

• 垂直等效介电常数 ε_⊥ = (1+η)/(1/ε_m+η/ε_d)
• 平行等效介电常数 ε_∥ = (ε_m+η ε_d)/(1+η)
• η=t_d/t_m，只要调 η 与 λ_p，就能画出任意的 ε_⊥-ε_∥ 组合，HMM、金属、介质三种身份随心切。
  
  

3 实验 vs 仿真

图 1：角分辨反射，25–70° 五度一阶，λ_p 附近 Brewster 角跳变 60°→70°，仿真与实验误差 <5%。

图 2：灰区间即 HMM 区，带宽 25–32%，随 λ_p 红移带宽略降，但绝对波长窗口从 2.2 μm 拉到 3.1 μm。

4 工艺兼容路线图

• 与现有 InAs 探测器、激光器共用 MBE 腔体，只需增设硅源。
• 后端刻蚀/金属化与传统 III-V 工艺 100% 兼容，无贵金属污染。
  
  

【结论】“掺杂即调谐”把超材料从“微纳结构”带回到“能带工程”老本行，工艺窗口大、CMOS 线也能玩，一颗 III-V die 就能完成传感+成像+通信三段式。