Control of the electric response of dielectric nano-bars to create versatile reconfigurable metasurfaces.

Abstract

[ES] El objetivo del trabajo fin de máster es el análisis y diseño de metasuperficies reconfigurables a frecuencias de infrarrojo con materiales de cambio de fase. En particular, el trabajo se centrará en metasuperficies puramente dieléctricas y se hará uso de GST (germanio-antimonio-telurio) como material activo que permite controlar la funcionalidad de la metasuperficie. El GST permite controlar el índice de refracción de manera no-volátil controlando el estado de cristalización del material. De esta manera, se puede controlar la respuesta electromagnética de cada elemento que forman la metasuperficie y modificar su respuesta. De una manera general, se propone el uso de barras dieléctricas de alto índice de refracción (Ge/GST) que permiten controlar de manera sencilla la respuesta eléctrica. Durante este trabajo, se abordarán diferentes estrategias de diseño. En primer lugar, se usará esta estructura para diseñar metasupercies que permiten cambiar la dirección de la onda transmitida usando técnicas de diseño local. También se completará el estudio con diseños no locales para reflexión y transmisión. Durante el desarrollo del trabajo se reflexionará sobre efectos prácticos como las limitaciones de fabricación o el efecto de los substratos de soporte.

[EN] For decades the manipulation of electromagnetic (EM) waves in the near-infrared has been a relevant topic in science and engineering. In recent years, the metasurface concept has emerged as a prominent, more compact and efficient solution to handling EM waves. Its applications in new technologies like LIDAR, FSO or highly sensitive sensors have led to an intense study of these devices. As a natural evolution of the technology, active reconfigurable metasurfaces were created. Using electromagnetic simulation software, this work shows the implementation of a phase change material (PCM), a material that can modulate its refractive index, as the active component of the metasurface. The studied metasurface geometry consists of an array of infinite dielectric bars with a slab of PCM inside. Its scattering response relies only on the induced electric dipole resonances. A full phase coverage in transmission is proven possible leading to the development of different reconfigurable settings with high energy efficiency. Furthermore, a buildable prototype is simulated, taking into account the constraints imposed by real materials. The chosen PCM material is part of the GST family, the substrate is made of calcium fluoride, and the main structure uses germanium.