可調(diào)諧三維超材料管的研究

胡帆華　游昊

摘要：該文主要介紹了可調(diào)諧超材料傳感器的原理和應(yīng)用，以及三維太赫茲超材料管的形成。表征并分析了2D開口諧振環(huán)在卷起過程中傳感器的諧振響應(yīng)，并介紹3D超材料在食物傳感器上的應(yīng)用，驗證了傳感器監(jiān)測食物成熟度原理的正確性。

關(guān)鍵詞：開口諧振環(huán)；超材料；食物傳感器；藍(lán)移；紅移

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2095-03

目前，國際上學(xué)者將超材料"是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料統(tǒng)稱為超材料 （metamaterial）。把介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)的材料稱之為DNG，即左手材料（1eft.handed materials：LHMs）；把介電常數(shù)和磁導(dǎo)率僅有一者為負(fù)的材料稱之為SNG。相應(yīng)地將同時具有正介電常數(shù)和正磁導(dǎo)率的材料稱為雙正材料（double positive materials：DPS）即右手材料（right handed materials：RHMs）。而將左手材料用于天線結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)的小型化。SRR就是一種實現(xiàn)左手介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

近幾年來，負(fù)折射率材料由于其獨特新穎的物理性質(zhì)和誘人的應(yīng)用前景而獲得了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并已成為當(dāng)前國際電磁學(xué)界和光電子學(xué)界非常前沿和熱門的研究領(lǐng)域之一。異向介質(zhì)是本世紀(jì)初物理學(xué)和電磁學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)，它是等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時為負(fù)數(shù)的人造介質(zhì)。異向介質(zhì)的研究突破了傳統(tǒng)電磁場理論中的一些重要概念，它的深入研究成果將在許多領(lǐng)域有重大的應(yīng)用。2012年Thin Film生產(chǎn)了首款印制式溫度傳感器監(jiān)控系統(tǒng)，可以對易腐品（比如食物和醫(yī)藥）的溫度進(jìn)行監(jiān)控。這款溫度傳感器還可以用于醫(yī)藥行業(yè)，以確保疫苗、瓶裝藥品在運往醫(yī)院或醫(yī)生診所的途中一直處于適度安全的溫度環(huán)境下。該文主要介紹基于可調(diào)諧超材料管的研究及在食物傳感器方面的應(yīng)用。

1 可調(diào)諧超材料管結(jié)構(gòu)分析

1.1 開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

開口諧振環(huán)（Split-ring resonator）是一種磁性超材料，是產(chǎn)生磁諧振最常用的結(jié)構(gòu)，最早應(yīng)用在產(chǎn)生負(fù)指數(shù)煤質(zhì)的設(shè)計中，到現(xiàn)在已經(jīng)有很多重要的改進(jìn)，如高對稱性的設(shè)計，或擴(kuò)展到二維、三維的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用十分廣泛[1]。由SRR結(jié)構(gòu)形成的異向介質(zhì)可以用來實現(xiàn)微波控件濾波器。由SRR和其互補結(jié)構(gòu)CSRR構(gòu)成的傳輸線也實現(xiàn)了較傳統(tǒng)傳輸線更多的性能，并能夠?qū)崿F(xiàn)對特性阻抗和散射參量的進(jìn)一步控制。此外，基于SRR結(jié)構(gòu)的電磁諧振單元可以用來實現(xiàn)強次波長電磁諧振，因而在天線的小型化設(shè)計中有著潛在的應(yīng)用空間[2]。

1.2 柔性基底

非常規(guī)柔性基底大部分是類似橡膠的聚合物如PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PET（聚對苯二甲酸乙二酯）、PI（聚酰亞胺）等。超材料通常是由高導(dǎo)電金屬組成的亞波長諧振電磁結(jié)構(gòu)。通過控制結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)在廣闊電磁波頻譜中強烈的諧振響應(yīng)特性。一種新型三維被動式可調(diào)諧性太赫茲超材料，稱之為“超材料管”，是在柔性襯底上將二維平面制成的超材料卷起形成的[3]。超材料管呈現(xiàn)的藍(lán)移可調(diào)性會隨著直徑減小調(diào)諧范圍發(fā)生變化，這是由于在彎曲的空間里開口諧振環(huán)所產(chǎn)生的磁耦合諧振所影響的。由于超材料管從空芯變?yōu)閷嵭镜倪@種形式，介電常數(shù)所增加的內(nèi)環(huán)境，這使得諧振頻率的紅移可以用作識別未知材料的光譜特征。這種新型被動可調(diào)性太赫茲超材料管可以方便的開發(fā)新的功能太赫茲設(shè)備。

單個諧振環(huán)的尺寸可以確定太赫茲超材料的諧振屬性以及對SRR單元電池之間的相互作用。在以往的研究方法中，通過增加LC模型中的電容元件可以實現(xiàn)紅移可調(diào)性的調(diào)試方法，實現(xiàn)藍(lán)移可調(diào)性要求減少感性成分或電容元件。最近的一項研究表明通過紅外光強度同時減少電感和電容組件可控制可調(diào)諧超材料的藍(lán)移。在最近的研究中，佛羅里達(dá)州的柔性PEB薄膜可作為超材料的諧振增強和諧振寬頻基板構(gòu)造。這種薄膜屬于一種柔性的超材料，可以使之編程成非平面的形式，也就是三維立體的，比起超材料，它可以在剛性基板上有更富潛力的設(shè)計和應(yīng)用。

1.3 三維太赫茲超材料管

三維（3D）的太赫茲超材料管在SRR數(shù)組的內(nèi)壁上卷起成管狀的二維平面超材料。首先2D平面超材料的特點就是與LC共振， 3D超材料管的特點通過材料管進(jìn)行太赫茲波傳播。由于超材料管的軸線在垂直平面上的各向同性性能，當(dāng)透射光譜保持不變時，三維超材料管繞軸線旋轉(zhuǎn)。這種對偏光不敏感的優(yōu)勢可以提供極大的柔韌性，可由極化或非極化的太赫茲波傳感，檢測和掃描應(yīng)用程序。圖1示出的3D超材料管在不同直徑分別為6.20，5.50，5.00，4.50和4.00mm太赫茲波的透射光譜。通過將直徑從6.20減少到4.00毫米，諧振頻率示出藍(lán)移0.75至1.13Hz這個頻率之間有0.38 THz的調(diào)諧范圍。與直徑的藍(lán)移的頻率減少可以歸因于相鄰之間SRR單元電池的超材料管的相互作用。

圖2b比較平面超材料的2D和3D超材料管在1區(qū)的磁場方向。在二維平面的超材料，諧振環(huán)入射的太赫茲波的磁場H0垂直于每個SRR內(nèi)引起的振蕩電流方向。振蕩電流的感應(yīng)磁場H'，在相反的方向上作用于開口環(huán)結(jié)構(gòu)附近的入射磁場H0。在這種情況下，因為它們是在同一平面上，相鄰的諧振環(huán)陣列之間的相互作用較弱可忽略。對于三維超材料管，諧振環(huán)陣列的角度產(chǎn)生變化。在開口環(huán)結(jié)構(gòu)相鄰之間會存在一個角度為θ的彎曲表面，根據(jù)曲率或超材料管的直徑，使感應(yīng)磁場彼此相交。在SRR L和SRR[r][，]入射的太赫茲波引起的磁場H0可以被分解為兩個分量。只有H在SRR L和SRR R引起振蕩電流能產(chǎn)生磁場H。

2 表征與分析

這種新型的三維超材料是通過一個空心管設(shè)計和制造來實現(xiàn)被動諧振可調(diào)性。將直徑從6.20 降低到4.00毫米也能實現(xiàn)調(diào)頻范圍從0.75到1.13 THz，以更高的頻率擴(kuò)展了超材料的工作范圍。配合傳統(tǒng)的紅移頻率可調(diào)諧性能提供的一種新方法來覆蓋寬的太赫茲區(qū)域的應(yīng)用。直徑減小的諧振頻率藍(lán)移是由于在彎曲表面上的相鄰SRR單元電池破壞磁場之間的相互作用。此外，因為對稱管設(shè)計中偏振的不敏感屬性提供了3D超材料管在非極化的太赫茲波潛在的應(yīng)用也提供了極大的柔韌性。此外，它可以檢測傳統(tǒng)的太赫茲時域折射指數(shù)的變化，小至0.0075超靈敏的傳感應(yīng)用。超材料管可以實現(xiàn)各種新功能，通過其諧振可調(diào)諧性材料進(jìn)行識別及進(jìn)一步擴(kuò)大太赫茲應(yīng)用。

2.1 傳感器應(yīng)用原理驗證

當(dāng)開口諧振環(huán)加入外部激勵時，SRR可等效為磁等離子體，金屬環(huán)本身顯感性形成電感元件，SRR狹縫形成電容元件，金屬本身的導(dǎo)電特性形成電阻元件，再加入外來磁場感應(yīng)的電動勢形成電壓源，諧振器的諧振頻率與天線的等效電感與電容有關(guān)，可以等效為LC諧振電路[4]，其諧振頻率可表示為

而電感L主要是由幾何圖形決定，電容C依賴于支撐襯底和周圍的環(huán)境。諧振響應(yīng)受被檢測物體介質(zhì)常數(shù)、阻抗和頻率變化的影響，因此可被用來傳感與介電性能相關(guān)的密度/硬度和材料成分的變化。與食物質(zhì)量關(guān)聯(lián)的參數(shù)包括溫度、氣體排放和鹽的含量等，所有良好的共形能提高天線的靈敏度。同樣強力的附著對持續(xù)幾天甚至幾個月漫長的食物質(zhì)量檢測也很重要。

Department of Biomedical Engineering Tufts University 的 Hu Tao等人提出基于絲綢襯底上的電磁頻譜跨區(qū)域的無線無源天線的概念[5]。這些天線可以很容易地應(yīng)用到曲面對象并保持共形。該裝置通過監(jiān)測天線在不斷在變質(zhì)過程中電位諧振響應(yīng)來評估食品質(zhì)量的變化。這種方法的原理是通過在食物表面共形連接的射頻天線絲膜傳感器檢測食物成熟度。這類無線無源天線是在純蛋白絲膜襯底上制作，包含可食用金箔粉組成的亞波長陣列的天線/諧振器。亞波長陣列的天線/諧振器在食物表面表現(xiàn)出獨特的“指紋”，對比各時間段食物“指紋”檢測食物的成熟度[6] 。首先通過一個開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)來驗證傳感器的共形應(yīng)用。如圖3所示，在一個蘋果和雞蛋表面附著柔性絲綢襯底微米超材料結(jié)構(gòu)，圖3（d）顯示了開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在太赫茲頻率表現(xiàn)出了強烈的電磁諧振響應(yīng)。

圖示在絲綢襯底構(gòu)造的THz開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)包裹在雞蛋和蘋果表面。實驗測量雞蛋有（紅色曲線）無（藍(lán)色曲線）THz開口諧振環(huán)傳感器的反射頻譜。

3 總結(jié)

“超材料”的重要意義不僅僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，也體現(xiàn)在它提供了一種全新的思維方法，因為它為新型功能材料的設(shè)計提供了一個廣闊的空間，并昭示人們可以在不違背基本的物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”?？烧{(diào)諧超材料管的出現(xiàn)開辟了一種新的途徑，為其在食品材料、醫(yī)學(xué)、通信等方面的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Chen Z C， Rahmani M，Prof.T.C.Chong，Realization of Variable Three-Dimensional Terahertz Metamaterial Tubes for Passive Resonance Tunability[J]，Adv. Mater.2012，24，OP143-OP147.

[4] Smith D R， Kroll N， Negative refractive index in left-handed materials[J].Phys. Rev. Lett，2000（85）：2933-2936.

[5] Hu Tao， Mark A. Brenckle， Silk-Based Conformal， Adhesive， Edible Food Sensors [J].Adv. Mater.2012，24，1067-1072.

[6] Hu Tao， Jason J. Amsden， Metamaterial Silk Composites at Terahertz Frequencies[J].Adv.Mater.2010，22，3527-3531.