石墨烯电调谐调研

电控石墨烯超表面当前工作总结

1. 摘要

本报告对2021年至2025年期间电控石墨烯超表面领域的最新学术进展进行了系统性的综合调研。我们筛选并分析了14篇高质量的原创性研究文章，全面覆盖了该领域在振幅调制、相位调控、光束整形与偏振控制等多个关键方向的研究成果。核心发现包括：1) 在振幅调制方面，通过引入可调谐电容机制，实现了接近100%（最高45.7 dB）的太赫兹调制深度，并将重构速度提升至30 MHz；2) 在相位调控方面，实现了超过330°的连续相位调谐范围，并基于此演示了动态光束转向、可重构聚焦透镜、多功能涡旋光束生成等；3) 在偏振控制方面，实现了从完美吸收到高效偏振转换（>90%）的电学切换，以及动态可调的线偏振-圆偏振-椭圆偏振转换。此外，研究还扩展到了可编程多功能超表面、多通道滤波器等新型器件。这些研究进展共同彰显了电控石墨烯超表面作为下一代高速、紧凑、多功能光电器件核心平台的巨大潜力，为太赫兹通信、传感、成像等应用开辟了新的道路。

2. 背景与介绍

超表面（Metasurface）是一种由亚波长结构单元周期性或非周期性排列而成的二维超材料，能够对电磁波的振幅、相位、偏振等参数进行灵活调控。近年来，将石墨烯与超表面结构相结合的“石墨烯超表面”引起了广泛关注。石墨烯作为一种二维材料，其独特的电学和光学特性，特别是其费米能级（即载流子密度）可以通过外部电场进行连续且快速的调谐，这使得石墨烯超表面成为实现动态、可重构光电器件的理想平台。本调研旨在全面总结近年来电控石墨烯超表面的前沿工作，系统梳理其在不同功能领域的实现机制和性能表现。

3. 核心发现

3.1 振幅调制与吸收

电控石墨烯超表面在振幅调制和可调吸收方面展现了卓越的性能，特别是在实现高调制深度和快速响应方面取得了突破。

基于可调谐电容超材料的100%振幅调制
Xia等人在2025年发表了一项突破性研究，通过将纳米级石墨烯电容器嵌入超材料谐振器的间隙中，将调制机制从传统的电阻阻尼转变为电容调谐[ref]。该方法成功克服了石墨烯有限电导率的限制，在太赫兹范围内实现了超过四数量级的振幅调制，在1.68 THz处调制深度高达45.7 dB（接近100%），重构速度达到30 MHz，为高效太赫兹调制器开辟了新途径。
基于EIT效应的高性能光调制器
Foong等人在2022年提出了一种基于双层石墨烯和电磁感应透明（EIT）效应的调制器[ref]。利用EIT产生的高品质因子（Q-factor）谐振，极大地增强了光与石墨烯的相互作用，在6.68V的低驱动电压下实现了18.49 dB的超高调制深度，且器件的3dB带宽高达17.78 GHz。
基于LN混合谐振超表面的可调吸收器
Chen等人在2021年构建了一种石墨烯-铌酸锂（LN）混合超表面，实现了电学可调的完美吸收器[ref]。该器件在798.42 nm处实现了99.99%的完美吸收，并通过LN的电光效应，在±150V电压下实现了吸收峰1.14 nm的红移，反射光的开关比可达-44.08 dB。
可编程多通道太赫兹滤波器
Zhang等人于2025年设计了一款基于石墨烯嵌入式超表面的电可调三窄带太赫兹透射滤波器[ref]。通过多通道独立门电压系统精确控制不同谐振单元中石墨烯的电导率，该滤波器实现了对0.52, 0.74, 和 1.11 THz三个透射峰的独立开关和幅度控制，最大透射调制深度达到82.4%，并能编程产生8种不同的传输状态。

3.2 相位调控与光束整形

通过电学手段动态调控相位是石墨烯超表面的核心优势之一，已广泛应用于光束转向、动态聚焦和复杂光场生成等。

超330°连续相位调谐范围
Sun等人在2021年提出了一种可在中红外光谱实现超过330°平滑连续相位调制的石墨烯超表面[ref]。该设计利用了多重共振机制，对石墨烯费米能级的微小变化极其敏感。基于此，作者数值演示了在60°范围内平均效率高达22%的动态光束转向和焦距可调的反射式聚焦透镜。
基于费米能级控制的光束转向和聚焦反射镜
Yu等人在2023年提出了一种利用费米能级控制的动态光束转向和聚焦石墨烯超表面反射镜[ref]。通过在金属间隙中嵌入石墨烯，并对其费米能级分布进行偏置控制，数值模拟演示了太赫兹波段下的快速光束转向和聚焦功能，有效克服了传统MEMS器件速度慢的缺点。
太赫兹动态编码光束转向
Xu等人于2021年提出了一种基于石墨烯编码超表面（GBCM）的太赫兹动态光束转向方案[ref]。通过整体调控石墨烯薄膜的费米能级，可以连续改变编码状态，从而实现从单光束到多光束（双、三、四、五光束）的动态切换，以及从镜面反射到漫反射的动态切换。
可重构多功能太赫兹超表面
Zhang等人在2024年设计了一种简洁的多功能太赫兹超表面，通过电控石墨烯来改变金属谐振环的开口位置，从而重构超表面以实现光束偏转、超透镜聚焦和涡旋光束生成等多种功能[ref]。
效率可调的太赫兹聚焦透镜
Wang等人于2021年设计了一种效率可调的太赫兹聚焦透镜[ref]。该设计利用几何相位原理实现聚焦，并通过调节石墨烯的费米能级来改变圆偏振光的转换幅度，从而在不改变结构尺寸的情况下动态调节超透镜的聚焦效率。
基于热电子效应的超快光束转向
Qin等人在2025年提出利用飞秒激光脉冲引发的石墨烯热电子效应，实现了超快的中红外光束转向[ref]。该器件在104飞秒内实现了21°的最大反射角偏转，展示了在超快光编码和自适应光学领域的应用潜力。

3.3 偏振调控

石墨烯超表面同样为动态偏振控制提供了有效的解决方案，能够实现偏振状态的高效转换和动态切换。

吸收与偏振转换功能切换
Luo等人在2023年提出了一种新颖的红外光调制器，可在完美吸收器和高效反射式偏振转换器之间进行电学切换[ref]。通过调节石墨烯的费米能级，该器件能在1550nm处实现完美吸收入射光，或将其转换为交叉偏振光，转换效率超过90%。
电可重构太赫兹偏振转换器
Song等人在2024年通过一种新颖的石墨烯-金双层拓扑结构，实验验证了一款电可重构的太赫兹偏振转换器[ref]。在0V至12V的偏置电压下，该器件在240GHz附近实现了反射波偏振椭圆率从-0.94到-0.5的动态调谐，展示了线偏振到圆偏振和椭圆偏振的灵活转换能力。
吸收与宽带偏振转换双功能切换
Liu等人在2025年提出了一款基于石墨烯的双功能太赫兹超表面[ref]。当石墨烯费米能级为0 eV时，器件在1.45–3.15 THz范围内作为宽带偏振转换器，转换率超过90%；当费米能级为1 eV时，则在2.79–3.15 THz范围内作为高效吸收体，吸收率超过90%。

4. 结论

本次综合调研全面展示了2021至2025年间电控石墨烯超表面领域的多元化和深层次发展。从实现近乎完美（100%）的振幅调制和30 MHz的高速重构，到超过330°的宽范围相位调控，再到完美吸收到高效偏振转换的动态功能切换，这些研究成果凸显了石墨烯的电学可调谐特性在构建下一代高性能光电器件中的核心价值。研究趋势表明，该领域正从单一功能器件向多功能、可编程、系统集成的方向发展。未来，电控石Graphene超表面有望在6G通信、高速光开关、激光雷达、生物传感和量子信息处理等前沿科技领域扮演至关重要的角色。