实现近100%红外透过率的大面积金属集成光栅电极

为不可见光打造更锐利的“眼睛”

从热成像相机和夜视镜到自动驾驶汽车的激光雷达与红外激光器，许多当今最先进的技术都依赖既能传导电流又能让红外光通过的部件。不幸的是，良好的导电材料通常会阻挡或反射大量红外光。这篇论文提出了一种新方法来构建红外“窗口”，使其中远中红外光几乎像穿过完美玻璃一样透过，同时仍可作为高性能金属电极。

红外成像的难题

透明导电电极是位于发光二极管、激光器和传感器表面的那层既透明又类金属的薄层。它们必须同时完成两项相互矛盾的任务：传输大电流并保持透明。在可见光范围—我们肉眼可见的波段—科学家们已经开发出良好的解决方案，例如用于手机屏幕和太阳能电池的氧化铟锡涂层。但在中远红外波段，热成像相机和许多先进探测器工作的区域，这些同样的材料表现很差。它们的自由电子会吸收并反射红外光，因此仅在半导体晶片表面加上一层导电膜就可能使透射率远低于裸露表面能够实现的水平。

一种新型的金属—玻璃“栅栏”

作者通过改造金属形状而不是更换材料来解决这个问题。他们没有铺设平整的金属膜，而是在砷化镓（GaAs）晶片表面刻出密集的栅形脊，并在沟槽底部嵌入狭窄的金条。该结构——被称为金属集成的整体高对比度光栅——像为光设计的精密栅栏。对于中远红外波长，该结构不再表现为分离的金属线和间隙，而作为一个单一、经过精确调谐的光学层，具有比大块半导体更低的“有效”折射率。在这种工作区间，图案化表面模拟出高质量的抗反射涂层，而埋藏的金条仍然为电流提供了便捷的通路。

用隐蔽共振引导光

通过详尽的数值模拟，团队表明光栅可以被调谐到使两种主要偏振态都经历一种温和的、类似腔体的共振——称为法布里–珀罗（Fabry–Perot）模。由于电场对一种偏振主要集中在半导体脊上，而对另一种偏振主要分布在空气间隙中，只有极少的电场进入金属区域。因此尽管存在大量金属，金属中的吸收仍然出奇地低。通过调整脊的高度以及脊宽与周期的比率，研究者找到了使这些共振在两种偏振下同时对齐的条件，形成高阶的“透射带”，允许几乎全部无偏光的红外光通过。

将理论转化为可用器件

研究团队随后使用工业兼容的工艺在超过一平方厘米的砷化镓上制造了这种光栅：电子束光刻与等离子体刻蚀形成深而窄的沟槽，随后进行受控的金沉积。显微检测确认实际结构与设计高度一致。用真空红外光谱仪测量表明，在约7微米波长处，该器件对无偏光的透射率达到94%——比简单的平面GaAs–空气界面的理论极限高约35%。与此同时，巧妙设计的电学测试结构显示出极低的片电阻，仅为2.8欧/平方，媲美或优于迄今报道的最佳红外电极。红外成像实验进一步表明，通过新型电极观察的场景比通过裸GaAs更亮，凸显了其实用中的透射改进。

这对未来红外技术的重要性

通过将近乎完美的透明性与极高的电导率相结合，这种金属集成光栅打破了长期限制透明电极（尤其在红外范围内）的常见权衡。该设计可针对不同波长进行调整，可直接集成到半导体器件表面，并可用芯片制造中已实现可扩展的光刻方法来制造。这使其成为下一代需要高光学通量和高电流密度的红外激光器、发光二极管与探测器的有力候选者，以及需要对热成像透明的透明加热器与电磁屏蔽装置的理想选择。简单来说，这项工作提供了一种新型的“隐形金属”用于红外器件——它在允许几乎所有所需光线通过的同时，仍能承担传输电力的重任。

引用: Bogdanowicz, K., Głowadzka, W., Smołka, T. et al. Large-area metal-integrated grating electrode achieving near 100% infrared transmission. Light Sci Appl 15, 195 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02270-0

关键词: 红外透明电极, 高对比度光栅, 砷化镓, 无等离激元金属光学, 光电器件