光学超表面（optical metasurfaces）是一种由亚波长尺寸的人工结构组成的二维材料，它们可以对入射光进行任意的调控，实现各种光学功能，如折射、反射、衍射、聚焦、偏振、相位调制等。光学超表面具有厚度薄、重量轻、可集成性高、可定制性强等优点，已经在成像、显示、通信、计算等领域得到了广泛的应用。

近年来，光学超表面也引起了传感领域的关注，因为它们可以实现对微小变化的高灵敏度检测，如温度、压力、湿度、电场、磁场、化学物质、生物分子等。为了提高光学超表面传感器的性能，一种有效的方法是对光学超表面进行表面功能化和纹理化。表面功能化是指在光学超表面上引入特定的功能基团或分子，使其具有特定的物理或化学性质，如疏水性、亲水性、荧光性、磁性等。纹理化是指在光学超表面上形成特定的几何形状或拓扑结构，使其具有特定的光学或力学性质，如反射性、折射性、吸收性、弹性等。

这篇博文将介绍用于传感功能的光学超表面的表面功能化和纹理化的方法、机理和应用，并对其发展前景进行了展望。

根据功能基团或分子与光学超表面之间的连接方式，可以将其分为两大类：非共价连接法和共价连接法。非共价连接法是指利用静电力、范德华力或氢键等弱相互作用将功能基团或分子吸附在光学超表面上，形成功能化层。这种方法操作简单，无需使用有机溶剂或交联剂，但是功能化层与光学超表面之间的连接强度较低，容易发生脱落或泄漏。共价连接法是指利用硅氧键、硫醚键或酰胺键等强相互作用将功能基团或分子与光学超表面上的活性基团（如羟基、氨基或巯基等）发生反应，形成功能化层。这种方法可以提高功能化层与光学超表面之间的连接强度和稳定性，但是操作复杂，需要使用有机溶剂或交联剂，可能会影响光学超表面的结构和性能。

根据功能基团或分子的种类和作用机制，可以将其分为四大类：响应型功能化、识别型功能化、催化型功能化和放大型功能化。响应型功能化是指在光学超表面上引入能够对外界刺激（如温度、压力、湿度等）产生响应的功能基团或分子，使其发生形状变化或相变等，从而改变光学超表面的光学特性（如透射率、反射率、折射率等）。这种功能化可以实现对外界刺激的高灵敏度检测，如温度传感、压力传感、湿度传感等。识别型功能化是指在光学超表面上引入能够与目标物质（如化学物质、生物分子等）发生特异性结合的功能基团或分子，使其发生吸附或解吸等，从而改变光学超表面的光学特性（如透射率、反射率、折射率等）。这种功能化可以实现对目标物质的高选择性检测，如气体传感、DNA传感、蛋白质传感等。催化型功能化是指在光学超表面上引入能够催化目标反应（如氧化还原反应、水解反应等）的功能基团或分子，使其产生新的产物或中间体等，从而改变光学超表面的光学特性（如透射率、反射率、折射率等）。这种功能化可以实现对目标反应的高效促进和监测，如电化学传感、光催化传感等。放大型功能化是指在光学超表面上引入能够放大目标信号（如荧光信号、磁信号等）的功能基团或分子，使其发出更强的信号或更明显的变化等，从而改变光学超表面的光学特性（如透射率、反射率、折射率等）。这种功能化可以实现对目标信号的高灵敏度检测，如荧光传感、磁传感等。

表面功能化方法

以不同类型的光学超表面（如金属超表面、介电超表面、有机超表面等）为例，详细介绍各种表面功能化方法的原理、优缺点、操作步骤和实例。根据超表面单元的材料和结构特点，可以将光学超表面分为以下几种类型：

金属超表面：金属超表面是利用金属纳米结构的等离激元（plasmon）共振来实现对光场的调控。金属超表面具有较强的电磁响应，可以实现较大的相位变化和较高的调制效率。金属超表面的功能化方法主要有以下几种：

 1)      利用电子束或离子束刻蚀技术在金属薄膜上制作不同形状和尺寸的纳米结构，如纳米天线、纳米孔、纳米棒等。

 2)      利用干涉或全息光刻技术在光敏材料上形成周期性或非周期性的图案，然后通过转移印刷或蒸发技术将金属沉积在图案上。

 3)      利用自组装或化学合成技术制备金属纳米颗粒或纳米棒，并通过自旋涂覆或浸渍法将其固定在基底上。

介电超表面：介电超表面是利用高折射率的介电材料构成的亚波长单元来实现对光场的调控。介电超表面具有较低的损耗，可以实现宽带和全色彩的光学功能。介电超表面的功能化方法主要有以下几种：

 1)  利用电子束或离子束刻蚀技术在介电材料上制作不同形状和尺寸的微纳结构，如微柱、微盘、微环等 。

 2)  利用干涉或全息光刻技术在光敏材料上形成周期性或非周期性的图案，然后通过反应离子刻蚀或湿法刻蚀技术将图案转移到介电材料上 。

 3)  利用自组装或化学合成技术制备介电纳米颗粒或纳米棒，并通过自旋涂覆或浸渍法将其固定在基底上 。

有机超表面：有机超表面是利用有机分子或聚合物构成的亚波长单元来实现对光场的调控。有机超表面具有较高的可调性，可以实现动态和可重构的光学功能。有机超表面的功能化方法主要有以下几种：

 1)   利用溶液加工技术在基底上涂覆不同类型和厚度的有机分子或聚合物薄膜，如液晶、导电聚合物、非线性光学分子等 。

 2)   利用软刻印技术在基底上转移不同形状和尺寸的有机分子或聚合物图案，如微球、微线、微网等 。

 3)    利用外加电场、磁场、温度、湿度等刺激来调节有机分子或聚合物的取向、形变、极化等性质，从而改变超表面的光学响应 。

一些常用的功能基团或分子（如聚乙二醇、聚苯乙烯、聚吡咯烷酮、聚苯胺、聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮-聚乙二醇共聚物、聚丙烯酰胺-聚乙二醇共聚物、聚丙烯酰胺-聚乙二醇-聚丙烯酰胺三嵌段共聚物、硫代葡萄糖苷钠盐、硫代葡萄糖苷钾盐、硫代葡萄糖苷铵盐、硫代葡萄糖苷钠盐-硫代葡萄糖苷钾盐共晶体，金属有机框架、石墨烯、碳纳米管、碳量子点、硅纳米线、金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子、铁氧体纳米粒子、氧化锌纳米棒、氧化锡纳米线、氧化钛纳米管、氧化钛纳米片、氧化钛纳米球、氧化钛纳米花、氧化钛纳米星、氧化钛纳米蝴蝶、氧化钛纳米蜂窝等）。

 光学超表面的表面功能化是一种有效的方法，可以实现对光学超表面的物理或化学性质的调节和优化，从而提高其传感性能和应用范围。

光学超表面的纹理化方法

根据几何形状或拓扑结构的种类和作用机制，可以将其分为四大类：反射型纹理化、折射型纹理化、吸收型纹理化和弹性型纹理化。反射型纹理化是指在光学超表面上形成能够对入射光进行反射或散射的几何形状或拓扑结构，如微镜面、微棱镜、微锥体等。这种纹理化可以实现对入射光的方向或颜色的调控，如反射传感、散射传感等。折射型纹理化是指在光学超表面上形成能够对入射光进行折射或衍射的几何形状或拓扑结构，如微透镜、微光栅、微孔洞等。这种纹理化可以实现对入射光的聚焦或分离，如折射传感、衍射传感等。吸收型纹理化是指在光学超表面上形成能够对入射光进行吸收或转换的几何形状或拓扑结构，如微腔、微天线、微共振器等。这种纹理化可以实现对入射光的消耗或增强，如吸收传感、转换传感等。弹性型纹理化是指在光学超表面上形成能够对外界力学刺激（如压力、拉伸等）产生变形的几何形状或拓扑结构，如微弹簧、微梁、微桥等。这种纹理化可以实现对外界力学刺激的响应，如压力传感、拉伸传感等。

可以看出，光学超表面作为一种具有高度可定制性和可集成性的光学材料，具有广阔的传感应用潜力和市场需求。通过对光学超表面进行表面功能化和纹理化，可以实现对光学超表面的物理、化学、光学和力学性质的有效调控和优化，从而提高其传感性能和应用范围。然而，光学超表面的表面功能化和纹理化也存在一些需要改进和完善的方面，如功能基团或分子的选择和连接方法、几何形状或拓扑结构的设计和制备方法、性能评价方法、再生和循环利用方法等。因此，建议未来的研究应该更加关注光学超表面的创新设计和制备方法，发展更准确和灵敏的性能评价方法，探索更高效和环保的再生和循环利用方法，以及拓展更多的传感应用领域。