透明與隱身電子器件是科學家與工程師們極力追求和熱衷探索的新型電子器件，憑藉其出色的光學或射頻透明特性，它能在人類日常生活中悄無聲息地發揮作用，並且可以帶來超乎尋常的性能優勢。
對於光學透明或隱身器件，全球研究人員大多採用透明導體材料加以實現。其中最常見的便是氧化銦錫材料，其被廣泛用於製作液晶顯示器、平板顯示器、等離子顯示器、觸摸屏、電子紙等。
然而，透明導體材料自身載流子濃度與光學透過率相互制約，這導致所製作的器件難以同時獲得高透光率與高效率。而且由於是導體材料，採用上述方法製備的器件價格相對昂貴，無法實現射頻透明，對於電磁波具有很大的反射或屏蔽效果。
在射頻透明器件的製備上，近年來學界採用三維或二維電磁超材料等方式實現對射頻電磁波的操控，進而獲得在一定頻段內的射頻透明。然而，由於二維或三維結構的非光學透明特性，這種方法所製備的器件必然無法實現光學透明。
可見，光學透明與射頻透明長久以來處於「魚和熊掌不可兼得」的矛盾地位，諸多學者為此苦苦追尋卻一直難以得償所願。
在最近一項工作中，西安電子科技大學吳邊教授團隊與合作者打破了傳統電磁超材料的維度限制，在國際上首次提出了准一維表面等離激元（quasi-1D SPPs）結構。
基於該結構，他們發現了諸多新穎的物理現象，例如, 相比傳統二維或三維結構, 准一維表面等離激元結構具有更強的場局域與增強效應、任意拓撲形式的傳輸能力、以及更有效的導行波與空間波轉換能力等。
（來源：Nature Electronics）
這些特性可以催生各類新型電磁傳輸與輻射器件，同時具備 90% 以上的光學與射頻透過率。
在該方法基礎上，課題組進一步開發了具有信號傳輸和輻射功能的光學與射頻雙透明無線圖像傳輸系統，從系統應用層面解決了射頻終端無法同時實現光學與射頻透明的技術難題。
整體來看，該技術首次提供了光學與射頻雙頻段透明的新型電磁器件設計方法，打破了光學透明電磁器件對於傳統透明導體材料的依賴，大幅提升了光學透明度，同時獲得了優越的射頻透明特性。
該項技術有望廣泛用於各類電子螢幕、建築玻璃、太陽能面板、家居設備面板等，以實現高效的無線能量收集、集成隱身通訊、萬物互通互聯等領域，助力人類社會實現多維信息互聯。
據介紹，該團隊多年來一直致力於開發面向工程應用的高性能電磁器件與天線。因而，當他們將目光聚焦在同時具備光學與射頻雙透明電磁器件時，就必須打破對傳統透明導體材料的依賴，所以本課題的出發點便是如何在不依賴材料特性的前提下，實現光學與射頻雙頻段透明。
在方案的選取上，既然不能依賴於透明導體材料，傳統結構的方法又被局限在三維與二維尺度，那麼更低維度的結構便成了他們探索的重點。這個步驟耗時頗久，最終他們成功提出了准一維表面等離激元的全新結構方案。
下一步便是特性的研究。針對準一維表面等離激元結構進行電磁特性分析，他們發現其不僅具有卓越的場局域性和拓撲傳輸能力，而且具有優異的導行波-空間波轉換能力等。
（來源：Nature Electronics）
基於准一維表面等離激元結構的優良特性，該團隊進行了光學與射頻雙透明電磁器件的設計、加工與測試。
為了能在實際應用場景中進行功能驗證，他們開發了面向無線圖像傳輸的光學與射頻雙透明圖像傳輸系統，通過無線數據傳輸的系統性實驗，展示了准一維表面等離激元射頻終端具有優異的光學和射頻雙透明特性。此外，相比傳統基於氧化銦錫的透明無線圖像傳輸系統，該系統具有更高的信號強度、更好的集成性以及更優越的圖像傳輸質量。
（來源：Nature Electronics）
回顧起研究歷程的艱辛，吳邊有感而發：「研究過程恰逢西安新冠疫情最嚴重的時候，面臨學校封校和西安封城。在那個冬天校園內有不少師生因為新冠肺炎而倒下，但我和學生對於未完成的工作終究是難以割捨，正是這種難以摒棄的熱情促成了一次次線上的交流、連夜的修改、重複的實驗、帶病的探討。
因此，這次工作不僅僅是產出一次科研成果，更讓他們真正發掘了自己的科研熱情與最大潛力。
「我堅信，這次取得的成果不會是一個句號。相反，我更願意把它看作是我們研究歷程中的里程碑，它將激勵我們在光學與射頻透明電磁器件領域取得更豐碩的成果。」吳邊表示。
圖 | 吳邊教授工作照（來源：課題組）
回顧起論文修改的過程，他說道：「我特別想感謝東南大學的崔鐵軍院士，他是信息超材料領域的國際權威專家，也是本論文的共同通訊作者。」
當他們把論文初稿寫完發給崔老師審閱時，當天下午崔老師就在百忙之中打來電話給出了重要的修改意見。正是在崔老師的悉心指導和熱情鼓勵下，他們對論文內容進行精雕細琢，對創新思想進行不斷凝練，並嘗試投稿到國際頂刊 Nature Electronics。
最終，相關工作以《基於准一維表面等離激元結構的光學和射頻透明超材料器件》（Optically and radiofrequency-transparent metadevices based on quasi-one-dimensional surface plasmon polariton structures）為題發在 Nature Electronics，西安電子科技大學博士祖浩然（現為武漢理工大學青年教師）為論文第一作者，西安電子科技大學吳邊教授和東南大學崔鐵軍院士為共同通訊作者[1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Electronics）
審稿人給予論文工作高度的肯定，其中一位審稿人評價：「我相信它將引領下一代透明天線的設計潮流，其卓越的性能將遠遠超越過去的透明天線，這一創新將在未來的無線通信技術中發揮極為重要的作用。」
在下一步的研究中，團隊計劃多方面地開發該技術在下一代移動通訊和智能家居領域的應用，包括基於准一維表面等離激元結構的各種透明輻射天線、透明微波器件與系統，將其與日常生活中的建築物玻璃和汽車玻璃等結合起來，努力開創一個無處不在又悄無聲息的無線物聯網時代。
參考資料：
1.Zu, HR., Wu, B., Chen, B. et al. Optically and radiofrequency-transparent metadevices based on quasi-one-dimensional surface plasmon polariton structures. Nat Electron 6, 525–533 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00995-z