中红外波段既包含两个大气传输窗口,也是自然界中大多数材料固有振动吸收的频段,在军事、生物、医疗上有着广泛的应用。基于中红外波段的光学超表面,具有工艺兼容性好、调控自由度高、制备过程简单等优势。超表面由人工排布的亚波长单元结构组合而成,展现出优异的电磁波操控能力。其中,介质超表面由于结构简单、便于集成、损耗较低等特性,更有利于在实际中应用。基于二维材料的红外光电子器件由于原子级厚度,高载流子迁移率和易于集成的物理特性受到了极大的关注。但是,二维材料因其固有的原子级薄层厚度也在一定程度上限制了对光的吸收。借助于超表面的电磁场任意可调性,将光场通量集中到减小的光敏区域,可以有效改善光敏区域的吸收率,有利于光电探测器性能的提升。本论文的主要研究工作如下:1.利用矩形硅波导结构,通过硅波导长度的变化对相位进行调控,构建了一种工作在中红外波段的全介质相位梯度超表面。基于广义斯涅尔定律,改变矩形硅波导的几何参数,在3.6μm入射波长下实现了矩形硅波导超表面结构对光束的异常反射。经过验证,这种结构对垂直方向入射以及斜入射的电磁波,都能实现较好的偏转效果。另外,通过调整相位梯度超表面结构单元尺寸,模拟了可以将垂直入射的电磁波耦合成沿层状表面传播的表面波的超表面结构。2.在上述超表面结构的基础上,进一步优化结构为三维同心圆环结构。波长为3.6μm的x偏振光垂直入射的情况下,由于相位梯度相反,数值构建的相位梯度超表面结构可以产生两列相向传播的表面波,实现结构中心区域电场强度的增强。随后,研究了不同偏振方向的入射光对电场强度分布的影响。在数值上对不同圆环周期数目下的电场强度进行了表征和比较。3.将薄层黑磷与构建的圆环型相位梯度超表面进行集成。经数值计算结果证明,相位梯度超表面将5μm×5μm的薄层黑磷在3.6μm处的吸收提升至3.77%,约为同尺寸薄层黑磷吸收的20倍。随后,探究了不同尺寸的薄层黑磷与相位梯度超表面集成后,黑磷对光的吸收情况,找到高吸收率下的最佳尺寸。最后,在黑磷边长固定的情况下,研究了相位梯度超表面结构对10 nm-100 nm不同厚度黑磷吸收的影响。