基于超材料的太赫茲波吸波材料

劉 毅，彭曉昱，王作斌，董家蒙，魏東山，崔洪亮，杜春雷

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基于超材料的太赫茲波吸波材料

劉 毅1,2，彭曉昱1,2，王作斌1，董家蒙1,2，魏東山2，崔洪亮2，杜春雷2

（1. 長春理工大學(xué) 國家納米操縱與制造國際聯(lián)合研究中心，長春 130022；2. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院跨尺度制造技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400714）

超材料是一種人工設(shè)計的具有周期單元陣列結(jié)構(gòu)的電磁材料，具有超常物理特性?；诔牧系奶掌澪ú牧显谔掌澕夹g(shù)領(lǐng)域有許多潛在的應(yīng)用。簡述了超材料吸波材料的理論基礎(chǔ)，綜述了國內(nèi)外在單頻、雙頻、多頻帶和寬帶太赫茲超材料吸波材料領(lǐng)域的研究進展，并展望了太赫茲吸波材料研究的未來發(fā)展方向和趨勢。

太赫茲波；吸波材料；超材料

0 引言

吸波材料是能夠?qū)⑷肷涞狡浔砻娴碾姶挪ㄞD(zhuǎn)換成熱能或其它形式能量的一類材料，它可以減少電磁波的透射部分和反射部分，從而展現(xiàn)出吸波特性?；诓煌奈C制或原理，吸波材料種類繁多，其中一種新興的基于超材料結(jié)構(gòu)的吸波材料在最近幾年得到廣泛關(guān)注。

超材料是一種人工電磁材料，通常由按周期結(jié)構(gòu)排列的單元構(gòu)成，具有自然界常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。雖然1968年就已經(jīng)對超材料的負折射性質(zhì)進行過理論研究[1]，但是直到2000年后[2-3]超材料才開始受到重視，并由于超材料潛在的巨大應(yīng)用前景而備受關(guān)注[4-5]。其中一個潛在的應(yīng)用就是基于共振的“完美吸收器”（Perfect Absorber，PA）[6]，即通過有效地改變材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來使器件在特定頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)對電磁波近乎100%的吸收。一個典型的超材料吸收器具有類似三明治的三層結(jié)構(gòu)：其頂層為周期性圖案的金屬結(jié)構(gòu)，底層是不透明的金屬平面，中間是一層非金屬介質(zhì)材料。通過調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的形狀/尺寸、厚度、金屬材料和中間介質(zhì)層材料，可以改變共振頻率的位置以及吸收效率的大小。吸收器通常由于具有高品質(zhì)因數(shù)（吸收峰對應(yīng)的波長與半高全寬對應(yīng)的波長D的比值，即/D）的高諧振響應(yīng)的性質(zhì)而展現(xiàn)出很窄的工作帶寬，可用于某些特定頻率的領(lǐng)域，如窄帶濾波、頻率選擇、傳感、調(diào)制等。然而，在許多應(yīng)用中，例如帶阻濾波器、寬帶抗輻射、太陽能電池、微測熱輻射計、隱身材料等，需要寬帶的平面超材料吸波材料。為了提高熱傳導(dǎo)效率，從而提高探測器的響應(yīng)速度，需要超薄的寬帶超材料吸波材料才能滿足需求。在太赫茲（Terahertz，THz）領(lǐng)域，影響太赫茲技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸之一就是相對缺乏各種高靈敏度的探測器，尤其缺乏在整個太赫茲頻段內(nèi)具有寬帶響應(yīng)的高靈敏探測器，如太赫茲能量計/功率計、太赫茲相機等。為了提高這些探測器的靈敏度，人們通常會在探頭表層加上一層特定的吸收層來增大對太赫茲波的吸收效果，這層吸收層在太赫茲波段的響應(yīng)特性和吸收效率將直接影響這些探測器的靈敏度和探測帶寬。由于基于超材料的各種太赫茲吸波材料有望根據(jù)需要設(shè)計成對太赫茲各特定頻段的高靈敏吸收層，成為實現(xiàn)太赫茲高靈敏度探測器的一種重要的可能途徑。因此，近年來人們開始著重研究和探索實現(xiàn)各種頻段或者寬帶的高效超材料太赫茲波吸波材料的各種可能機制和方法。

1 超材料吸波材料的理論基礎(chǔ)

超材料作為一種有效的電磁媒質(zhì)可以用復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率表征，根據(jù)吸波理論，可以用吸收率來表示材料吸波性能的高低。

1.1 復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率

當(dāng)電磁波作用在吸波材料上時，電磁波會使吸波材料內(nèi)部產(chǎn)生磁化和極化，并反過來對外加磁場產(chǎn)生影響。材料內(nèi)部的電磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)強度、與電場強度、磁場強度之間的關(guān)系為：

＝0，＝0(1)

電、磁介質(zhì)材料可以分別用自由空間部分和材料本身部分的電磁特性來加以描述，表征吸波材料電磁特性的兩個基本參數(shù)分別為：

復(fù)介電常數(shù)：()＝￠－￠￠

復(fù)磁導(dǎo)率：()＝￠－￠￠

式中：￠和￠分別為吸波材料在電場或磁場作用下產(chǎn)生的極化或磁化程度的變量；￠￠和￠￠分別表示電損耗和磁損耗。對介質(zhì)而言，電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的虛部反映了電磁波的吸波性能。tan()＝￠￠/￠為電損耗正切值，tan()＝￠￠/￠為磁損耗正切值。材料的￠￠和￠￠越大，介質(zhì)損耗角越大，材料的吸波性能越好。

通過改變材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以提高材料的吸收率從而提高材料的吸波性能。吸波材料的吸收率一般表示為：

＝1－－(2)

式中：表示吸收率；表示反射率；表示透射率。由式(2)可知，反射率和透射率直接影響材料的吸波特性，其中：

＝?11?2，＝?21?2

式中：11和21分別表示反射系數(shù)和透射系數(shù)。

因此可以通過調(diào)控11和21的大小來提高吸收率。由吸收率公式＝1－－＝1－?11?2－?21?2知，當(dāng)反射率和透射率同時極小時吸波材料的吸收率達到最大，若在某一頻率范圍內(nèi)11和21同時近似為0，此時吸收率近似為1，實現(xiàn)吸波材料和自由空間的完美匹配，即吸波材料實現(xiàn)近完美吸收。當(dāng)使用厚度超過入射電磁波波長的趨膚深度的連續(xù)金屬薄膜作為底層時，透射率為0，即：

＝?21?2＝0

此時吸收率：

＝1－?11?2－?21?2＝1－?11?2

1.2 吸波理論

經(jīng)典的吸波理論包括阻抗匹配理論[7]和干涉相消理論[8-9]。

阻抗匹配理論認(rèn)為，吸波材料阻抗要與自由空間阻抗相匹配，這樣使入射的電磁波能夠最大限度地進入材料內(nèi)部，并且損耗掉，從而可以最大程度地吸收入射電磁波。該匹配理論的核心在于通過各種損耗性介質(zhì)和磁性材料，將入射電磁波的阻抗變換為金屬面的阻抗。良好的阻抗匹配條件是設(shè)計性能優(yōu)良吸波材料的首要條件。假設(shè)自由空間的阻抗為0，吸波材料的阻抗為1，則反射系數(shù)為：

當(dāng)0＝1時自由空間和吸波材料完美匹配，此時反射率：

實現(xiàn)對入射電磁波的零反射[10]，且相對等效阻抗：

干涉相消理論是經(jīng)典光學(xué)中常用的理論，相比于阻抗匹配理論，多次干涉疊加更為直觀，缺點在于計算較為復(fù)雜，并且難于處理復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)，長期以來多用來研究簡單膜層的電磁響應(yīng)。干涉相消理論認(rèn)為，電磁波在空氣-金屬結(jié)構(gòu)表面進行反射和透射，其中透射部分進入金屬結(jié)構(gòu)并在金屬結(jié)構(gòu)表面再次發(fā)生反射，并在空氣-金屬表面發(fā)生反射和透射，其透射部分和第一次進入結(jié)構(gòu)表面的反射部分滿足干涉相消條件，則可以實現(xiàn)反射為0，即＝0；又因為采用金屬作為底層，因此透射為0，即＝0，此時＝1，實現(xiàn)完美吸收。同時，也可以通過矢量疊加的方式進行描述，中心頻率處反射率的取值在原點左右來回振蕩，并逐漸衰減，最終歸于0。

2 太赫茲波超材料吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，人們對基于超材料的各種波段的吸波材料進行了大量的研究，其中太赫茲波段的超材料吸波材料成為新的研究熱點[11]。

2.1 太赫茲波

太赫茲波為頻率在0.1～10THz的電磁波，處于電子學(xué)到光子學(xué)的過渡區(qū)域[12]，在電磁波譜中位于微波與紅外之間，如圖1所示。作為一門前沿的新興交叉學(xué)科，太赫茲科學(xué)技術(shù)在材料、化學(xué)、醫(yī)藥、通信等諸多領(lǐng)域具有獨特優(yōu)越性和巨大的應(yīng)用前景[13-15]。由于自然界中很少有材料能夠響應(yīng)該頻段，而且缺乏有效的太赫茲源和探測器，從而導(dǎo)致了太赫茲技術(shù)與其它波段相比進展緩慢。太赫茲濾波器、傳感器、調(diào)制器、探測器等功能化的太赫茲波器件仍無法得到廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一就是這些器件對太赫茲波探測的靈敏度過低。為了提高太赫茲探測器件的探測效率和靈敏度，近年來許多科研人員將太赫茲波吸波材料的研究放在至關(guān)重要的位置，其中基于超材料的太赫茲波吸波材料的研究是一個重要方向，通過改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸，超材料可以很容易響應(yīng)在太赫茲頻段，從而作為一種太赫茲吸波材料應(yīng)用于太赫茲器件。近10年來，研究人員對單頻段、雙頻段、多頻段、局域?qū)拵Ш蛯拵С牧咸掌澪ú牧系雀鞣N類型的超材料吸波材料進行了理論和實驗研究。

圖1 太赫茲波在電磁波譜中的位置

2.2 窄帶超材料太赫茲吸波材料

2.2.1 單頻段超材料太赫茲吸波材料

單頻超材料太赫茲吸波材料可用于提高太赫茲器件在某個單一頻段的探測性能。常見的單頻超材料吸波材料為“金屬圖案層-介質(zhì)層-金屬底層”的三層典型三明治結(jié)構(gòu)，例如Tao等[16]在2008年利用微加工技術(shù)制備“開口諧振環(huán)（SRRs）-介質(zhì)層-金屬線”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超材料吸波材料在太赫茲波段的單頻窄帶吸收，在共振頻率1.3THz處對入射波的吸收率達到70%。后來，該小組在柔性聚酰亞胺基底上制備“SRRs-介質(zhì)層-金屬層”結(jié)構(gòu)，對不同傾角入射的TE波和TM波都有良好的吸收效果，在1.6THz頻率處大大提高了其吸收效率（97%）[17]。隨后，眾多研究人員對單頻帶太赫茲吸波材料進行了理論仿真和實驗檢測，例如2013年Li[18]設(shè)計并制備的雙耳異向單頻帶太赫茲吸波材料，實驗結(jié)果表明該吸波材料在0.573THz處達到99.6%的近完美吸收。同年，他還設(shè)計制備了一個類似的雙耳嵌套太赫茲單峰吸波薄膜，在0.734THz實現(xiàn)了高達99.2%吸收率[19]。除了上述的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，Alves等[20]采用金屬Al和氧化物SiO2分別作為底層金屬和介質(zhì)層材料形成的單元周期為21mm×21mm的正方形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和反射率曲線如圖2[20]所示，A、B、C三個樣品的正方形圖案層和底層材料均為100nm厚的鋁膜，介質(zhì)層厚度分別為1.430mm、1.235mm、1.035mm。通過優(yōu)化介質(zhì)層厚度（A樣品，1.430mm），在4.1THz處得到了98%的高吸收效率。

2.2.2 雙頻段超材料太赫茲吸波材料

在某些情況下，太赫茲器件需要在2個頻段同時具有良好的探測性能，因此需要雙頻段的太赫茲波吸收器，這就要求材料在2個頻段對太赫茲波均具有較高的吸波效率。雙頻吸波材料結(jié)構(gòu)與單頻類似，多采用“金屬圖案層-介質(zhì)層-金屬底層”的三層典型結(jié)構(gòu)，只不過在圖案層陣列的每個單元中設(shè)有2個不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)，各自對應(yīng)一個頻率的吸收峰。例如，Wen等[21]提出一個由“諧振環(huán)-介質(zhì)層-金屬層”構(gòu)成的雙頻窄帶吸波結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)在0.5THz和0.94THz頻率點上吸收效率都達到了近100%的完美吸收，但實際測量顯示此結(jié)構(gòu)在0.45THz和0.92THz兩處分別為80.8%和63.4%的吸收效率。又如Ma[22]等提出的中心對稱“回”字形結(jié)構(gòu)，這個對正交兩個方向偏振不敏感的太赫茲吸波材料仍采用三層典型結(jié)構(gòu)。實驗表明，該材料的吸收峰頻率與模擬位置相同，在2.7THz和5.2THz分別具有68%和74%的吸收效率，其結(jié)構(gòu)和吸收率曲線如圖3[22]所示，其中樣品A為兩個環(huán)形構(gòu)成的吸波材料，樣品B和樣品C分別為僅有外環(huán)和僅有內(nèi)環(huán)時材料的吸收頻譜圖，圖3(b)為改變介質(zhì)層厚度的吸收頻譜圖，圖3(c)為不同入射角度下的吸收頻譜圖，證明了此中心對稱結(jié)構(gòu)是對偏振不敏感的。

2.2.3 多頻段超材料太赫茲吸波材料

類似于雙頻段吸收材料的設(shè)計方法，通過在每個結(jié)構(gòu)單元的金屬圖案層增加不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)從而增加更多的諧振頻率，以實現(xiàn)對太赫茲波更多頻段的吸收，用于滿足太赫茲器件在多個頻段的高探測性能需求。例如Chen等[23]提出一個由單頻吸收和雙頻吸收組合而成三頻帶太赫茲吸收器，理論和實驗證實，在0.29THz、0.46THz、0.92THz具有明顯的吸收。Gu等[24]設(shè)計的一個多諧振多頻窄帶吸波薄膜，此結(jié)構(gòu)在1.69THz、2.76THz、3.41THz、5.06THz四個頻段處吸收效率分別為63.5%、97.1%、94.1%、89.4%。Xu等[25]提出頂層圖案層由2個單波段和1個雙波段組合成，該多頻段吸收材料在0.57THz、1.03THz、1.44THz和1.89THz四個頻段處分別具有99.9%、90.3%、83.0%和96.1%的吸收效率。此外，還可以通過其它方法來實現(xiàn)多頻吸收，例如Peng等[26]提出了一種平板波導(dǎo)模型，如圖4[26]所示，通過入射太赫茲波在其中形成基頻駐波及其各階奇次諧波的駐波共振而消耗在介質(zhì)層內(nèi)，從而獲得多個吸收峰。其中圖4(a)為結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖；圖4(b)為入射EM波在TM和TE偏振模擬的吸收光譜，虛線表示根據(jù)平板波導(dǎo)中駐波模型計算的駐波模式的頻率。仿真結(jié)果表明，在TM波入射時吸波材料在0.667THz、2.02THz、3.35THz、4.63THz、5.65THz、6.49THz、7.49THz和7.87THz處的吸收率可超過90%。他們還發(fā)現(xiàn)，改變平板尺寸，各吸收峰位置會相應(yīng)移動，為此他們提出了利用不同尺寸的疊層平板結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)寬帶吸波材料。這為太赫茲元器件實現(xiàn)寬頻探測、提高探測靈敏度提供了一種可能的途徑。

圖2 單頻段超材料太赫茲吸波材料(a) 超材料單元結(jié)構(gòu) (b) 所制備的超材料吸收器的掃描電子顯微鏡照片(c) 使用FTIR測量樣品A、B和C獲得的反射光譜

圖3 雙頻段超材料太赫茲吸波材料的吸收率曲線圖，左邊插圖上圖為樣品的前視圖，下圖為結(jié)構(gòu)圖

圖4 基于駐波原理的平板波導(dǎo)多頻段太赫茲超材料吸波材料(a) 結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖；(b) 模擬吸收光譜

2.3 寬帶超材料太赫茲吸波材料

單頻、雙頻等太赫茲窄帶吸收器可用于窄帶濾波、頻率選擇、傳感、調(diào)制等。然而，在許多應(yīng)用中，例如寬帶太赫茲傳感和調(diào)制器件、寬帶抗反射膜、微測熱輻射計以及其它寬帶太赫茲探測器件等，需要寬帶的太赫茲超材料吸波材料才能滿足要求，這是因為這些器件的吸收層材料在太赫茲波段的響應(yīng)特性和吸收效率將直接影響這些探測器的靈敏度和探測帶寬。近年來這些重大需求激發(fā)了眾多的研究人員去探索實現(xiàn)太赫茲寬帶吸波材料的各種可能機制和方法。

最初人們采用典型的三層超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)局域?qū)掝l吸收，即在結(jié)構(gòu)表面層設(shè)計尺寸不同但非常相近的金屬單元陣列以實現(xiàn)局域?qū)拵?。這是由于尺寸相近的相似結(jié)構(gòu)的吸收峰間隔較小，通過吸收峰的疊加就可以擴展吸收帶寬。例如Gu等[27]提出通過正方環(huán)形和方形結(jié)構(gòu)組合形成的“回”字形中心對稱吸波器在4.15～4.85THz的頻率范圍有70%的吸收效率。又如Zhang等在介質(zhì)層上方的金屬表面層設(shè)計雙層“漁網(wǎng)”形結(jié)構(gòu)[28]，模擬結(jié)果顯示其可以有效提高吸波帶寬（半高全寬約為1.13THz）。Huang Li等[29]提出一個由3個“工”形諧振的單層超材料吸波結(jié)構(gòu)來增加吸波帶寬，該結(jié)構(gòu)采用8.5mm厚的聚酰亞胺作為中間介質(zhì)層，并使用金屬鈦（Ti）提高金屬金（Au）和GaAs之間的粘合性，通過平面內(nèi)大小周期的嵌套，使得不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)于不同的諧振頻率，從而能將帶寬拓展2～3倍，使該結(jié)構(gòu)在0.905～0.956THz近完美吸收，在0.93THz的中心頻率上其半高全寬（Full Width Half Maximum，F(xiàn)WHM）小于0.2THz，其結(jié)構(gòu)和吸波如圖5[29]所示，其中圖5(b)中其俯視結(jié)構(gòu)圖的對應(yīng)參數(shù)為＝78mm、＝68mm、＝8mm、＝5mm、＝8.5mm、＝2.5mm、1＝21.5mm、2＝16.5mm或17.5mm。此外，有一個科研小組將4個參數(shù)不同的圓形金屬片進行4×4周期排列形成的超薄太赫茲超材料吸收器[30]，其半高全寬達到1.49THz，并且同時可獲得較大角度上的太赫茲波入射吸收。

圖5 三層局域?qū)拵С牧衔ú牧?a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 俯視圖；(c) 垂直入射下3種結(jié)構(gòu)的模擬吸收率曲線圖

由于在典型的三層超材料結(jié)構(gòu)上通過改變上層金屬陣列結(jié)構(gòu)來擴展吸波帶寬范圍很有限，為了能有效擴展吸波帶寬，研究人員嘗試將不同尺寸的簡單結(jié)構(gòu)進行層疊，發(fā)現(xiàn)其吸波帶寬比上述的三層典型吸波結(jié)構(gòu)更寬。比如，將分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太赫茲超材料吸收器，可以通過調(diào)節(jié)分維數(shù)并增加分形結(jié)構(gòu)的層數(shù)實現(xiàn)寬頻吸收。以“H”-分形結(jié)構(gòu)[31]為例，通過模擬“H”-分形結(jié)構(gòu)的電磁諧振特性，發(fā)現(xiàn)分形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)顯著的亞波長共振及多頻操作。隨后，楊嫻等[32]通過仿真優(yōu)化證實，“H”-分形結(jié)構(gòu)可以通過多層分形結(jié)構(gòu)的疊加來增加吸波器的吸波帶寬，其雙層分形結(jié)構(gòu)和三層分形結(jié)構(gòu)明顯擴寬了吸收帶寬，三層結(jié)構(gòu)在吸收率90%時其吸波帶寬大約為0.4THz。然而，使用分型結(jié)構(gòu)的吸波材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于制備，至今未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的實驗報導(dǎo)。為此，科研人員不斷尋找其它更為簡便的方法來實現(xiàn)寬頻吸收。2011年，Grant等人[33]設(shè)計和制備了一個基于共振吸收的正交方向偏振不敏感的寬帶太赫茲超材料寬頻吸收器，通過將平面尺寸不同的簡單十字形金屬圖案-絕緣體依次進行層疊，實現(xiàn)寬帶吸收，其結(jié)構(gòu)和吸收頻譜如圖6[33]所示。此結(jié)構(gòu)在中心頻率5THz處（1.86THz帶寬）獲得了60%的吸收。不過此吸波材料的吸收帶寬既沒有覆蓋目前常用的低于3THz的頻率范圍，也沒有覆蓋高于8THz的頻率范圍，同時該結(jié)構(gòu)雖然展寬了吸收帶寬，卻降低了吸收效率。與該方法類似，Pham等[34]提出的方塊狀多層復(fù)合金字塔結(jié)構(gòu)，在8～11.7THz獲得95%的高吸收效率。

圖6 多層寬帶超材料吸波材料(a) 平面圖；(b) 截面圖；(c) 實驗和模擬（FDTD）多層結(jié)構(gòu)吸波材料的吸收率曲線

多層結(jié)構(gòu)超材料太赫茲吸波材料雖然擴展了吸波帶寬，但卻增加了材料的制備難度和整體材料的厚度，影響了熱傳導(dǎo)速率。實用的寬帶太赫茲器件要求太赫茲吸波材料能夠盡可能同時滿足超薄超寬帶高吸收的性質(zhì)。為了不增加太赫茲吸波材料厚度，還有一種途徑是選擇不同的材料，即用一些合金金屬材料來代替常用金屬或者使用本身對太赫茲波具有寬帶吸收特性的材料作為介質(zhì)層，以此來實現(xiàn)在寬帶高吸收的同時不增加整體材料的厚度。Wang等人[35]提出采用合金（Al-Si-Mg）方環(huán)代替常用金屬（例如常用的Au、Ag和Cu）作為超材料的頂層結(jié)構(gòu)材料，在3.21THz的中心頻率下吸波帶寬達到2.69THz。與常用金屬相比，使用合金方環(huán)可以使吸波帶寬擴寬21.2%。同年，Shi等[36]提出的使用重摻雜硅來代替表面金屬層和介質(zhì)層材料，采用厚度為51mm的十字交叉結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超材料吸波材料，在0.75～2.41THz處具有95%的寬頻高效吸收。

單獨使用多層結(jié)構(gòu)或者僅使用新型材料只能在一定程度上擴寬吸波帶寬，其吸收帶寬相對整個太赫茲波段仍然有較大距離。為此，研究人員嘗試將多層結(jié)構(gòu)和新型材料結(jié)合起來，期望制備出超寬帶、高吸收的太赫茲波吸波薄膜材料。例如Wang等[37]設(shè)計的一個由多個矩形合金（Al-Si-Mg）和介質(zhì)層進行層疊形成的對偏振不敏感的超寬帶吸波薄膜，在1.90THz的中心頻率下吸波帶寬達到1.34THz，且吸收效率超過90%。最近有人提出了利用石墨烯來替代典型吸波器的金屬層結(jié)構(gòu)并使用多層石墨烯-介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效超寬帶太赫茲吸波薄膜的方案。石墨烯具有透明度高、導(dǎo)熱性好、電阻率小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電子傳導(dǎo)率快、高機械強度和彈性的特點，同時，由于石墨烯是單分子層結(jié)構(gòu)，多層石墨烯的厚度與入射電磁波波長相比仍然很薄，因此將石墨烯引入吸波材料有望實現(xiàn)超薄、超寬帶、高吸收的太赫茲波吸波材料[38]。最近，一項理論研究證明了多層石墨烯結(jié)構(gòu)可以使太赫茲波吸波材料的吸波帶寬獲得大幅度增加，該材料的設(shè)計利用了以下3個機制[39]：①非對稱石墨烯設(shè)計用于支持更高階表面等離子體激元模式，這些模式與偶極模式產(chǎn)生干涉相消從而實現(xiàn)電磁波的吸收；②對每層石墨烯與相鄰的支撐介質(zhì)層施加不同的門電壓并層層疊加從而實現(xiàn)依賴于偏振的寬帶吸收；③通過降低石墨烯的電子遷移率至1000cm2/V×s來提高材料的阻尼系數(shù)。仿真結(jié)果表明：與現(xiàn)有金屬/石墨烯吸波材料的幾個THz吸收帶寬相比，只用了三層石墨烯材料的吸收效率在高達90%時吸波帶寬就擴展到了7THz，與常用材料相比其吸波帶寬明顯增加。不過，這個結(jié)果還有待于實驗上進一步證明。該多層石墨烯結(jié)構(gòu)和吸收效率曲線如圖7[39]所示，其中圖7(b)中吸收率曲線對應(yīng)參數(shù)為1＝0.67mm,2＝0.5mm,3＝4.78mm。

3 總結(jié)和展望

本文簡單介紹了超材料吸波材料的吸波原理，回顧了太赫茲超材料吸波材料的發(fā)展進程，并著重介紹了寬帶太赫茲吸波材料的研究現(xiàn)狀。典型的太赫茲單頻超材料吸波材料為“金屬圖案層-介質(zhì)層-金屬底層”的三明治結(jié)構(gòu)單元陣列，通過改變頂層圖案的形狀和大小可以獲得所需要的吸收頻率。雙頻、三頻或者更多頻帶的太赫茲超材料吸波材料可以通過在單頻吸波材料的每個結(jié)構(gòu)單元的頂層中設(shè)計2個、3個或更多的尺寸不同結(jié)構(gòu)相似的圖案來實現(xiàn)，每個尺寸圖案對應(yīng)一個共振吸收頻率。所以多頻段太赫茲超材料吸波材料實際上是以典型單頻超材料吸波材料為基礎(chǔ)的功能延伸。要實現(xiàn)更多頻段的吸收，還可以將吸波材料設(shè)計成平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單元陣列，通過入射電磁波在其中形成基頻駐波及其各階奇次諧波的駐波共振而消耗在介質(zhì)層內(nèi)，從而獲得多個吸收峰。多頻段太赫茲吸波材料又進一步為寬帶太赫茲吸波材料的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，可以通過多層多頻段太赫茲吸波材料的功能疊加從而實現(xiàn)對太赫茲波的寬頻吸收。

圖7 石墨烯吸波材料結(jié)構(gòu)

從發(fā)展趨勢來看，為滿足寬帶太赫茲探測器件的應(yīng)用需求，太赫茲超材料吸波材料的研究將朝著能覆蓋整個太赫茲頻段的超寬帶、高吸收率和超薄厚度的目標(biāo)邁進，但目前要同時滿足這3個條件仍然困難重重。除了這3個主要目標(biāo)外，如何設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、制備容易、成本較低且適宜批量生產(chǎn)的太赫茲波吸波材料，也是研究人員需要考慮的重要因素。盡管目前還處在實驗或理論探索階段，以多層石墨烯材料為代表的新型太赫茲吸波材料的出現(xiàn)還是為實現(xiàn)上述目標(biāo)帶來了曙光。最近，利用光敏硅、二氧化釩等某些對光、電磁、溫度等條件變化極其敏感的材料，有人設(shè)計和制備了主動可調(diào)太赫茲波超材料吸波材料[40-43]，引起人們的極大關(guān)注?？梢灶A(yù)見，如果能同時實現(xiàn)超薄、超寬帶和高吸收的主動式可調(diào)太赫茲吸波材料，必將極大地拓展太赫茲吸波材料的功能和應(yīng)用范圍，這類材料是太赫茲波吸波材料發(fā)展的一個重要方向?？傊m然太赫茲超材料吸波材料的研究還有很多問題亟待解決（例如如何在整個太赫茲波段實現(xiàn)超寬帶吸收，同時滿足吸收材料超薄和高效吸收以及主動式可調(diào)吸波等），但可以相信，隨著太赫茲吸波材料的理論和其相關(guān)的微納加工技術(shù)[44]的不斷完善，必將進一步促進和推動太赫茲科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

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Terahertz-wave Absorber Based on Metamaterial

LIU Yi1,2，PENG Xiao-yu1,2，WANG Zuo-bin1，DONG Jia-meng1,2，WEI Dong-shan2，CUI Hong-liang2，DU Chun-lei2

(1.,,130022,; 2.;,,400714,)

As an artificially-engineered electromagnetic material with the structure of periodic unit cell array, metamaterial has shown abnormal physical properties. Metamaterial-based terahertz absorbers have numerous potential applications in terahertz fields. In this review, the brief introduction of theoretical basis of metamaterial perfect absorbers is presented. The developments of the single-band, dual-band, multi-band and broadband metamaterial absorbers operating in terahertz range are reviewed. Perspectives and future work for terahertz metamaterial absorbers are also presented.

terahertz-wave，absorber，metamaterial

O441，TB34

A

1001-8891(2015)09-0756-08

2015-06-12；

2015-07-16.

劉毅（1989-），女，河北衡水人，碩士研究生，主要從事太赫茲吸波薄膜研究。E-mail：liuyi@cigit.ac.cn。

彭曉昱，研究員，E-mail：xypeng@cigit.ac.cn。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃），編號：2015CB755401；中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院創(chuàng)新研究基金，編號：Y52A010V10。