可調(diào)諧電磁超材料吸收器的研究進展

可調(diào)諧電磁超材料吸收器的研究進展

續(xù)宗成1,2，吳亮2，張雅婷2

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津301316； 2.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072)

[摘要]電磁超材料是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，而且這些性質(zhì)主要來自人工的特殊結(jié)構(gòu).基于電磁超材料的完美吸收器是近幾年的研究熱點，本文主要從可調(diào)諧吸收器方面綜述了最新的研究進展.

[關(guān)鍵詞]超材料；可調(diào)諧；吸收器；進展[收稿日期]2015-07-30

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號：61205096).

[作者簡介]續(xù)宗成(1982-)，男，山東臨沂人，天津大學(xué)仁愛學(xué)院副教授，理學(xué)碩士，天津大學(xué)2012級在讀博士研究生，主要從事電磁超材料的研究.

[中圖分類號]O441 TB34 [文獻標(biāo)識碼]A

0引言

超材料是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負的人工周期結(jié)構(gòu)材料[1]，作為一種新型的人工材料，具有諸如負折射[2]、完美透鏡[3]、逆多普勒效應(yīng)[4]等多種特殊性能.2008年,Landy第一次提出了基于超材料的完美吸收器的概念[5]，入射到超材料上的電磁波的損耗可以充分利用，在特定頻率處反射和透射盡可能小，即可以實現(xiàn)完美吸收.增大對電磁波入射后的損耗，增強對電磁波的吸收能力，實現(xiàn)電磁隱身是目前的一個研究熱點[6]，更多的電磁吸收是單頻吸收[7-9]，也有多頻吸收的[10-12]，最后發(fā)展到寬帶吸收[13]，而目前的一個研究熱點是實現(xiàn)可調(diào)諧吸收[14-15]，本文總結(jié)了近幾年在可調(diào)諧吸收器方面的研究情況.

1可調(diào)諧吸收器的研究

目前基本上所有基于超材料結(jié)構(gòu)的電磁波吸收器都是被動式的，一旦制備完成，其吸收性能也就確定了.而日益復(fù)雜的電磁應(yīng)用環(huán)境需要的是主動式的可調(diào)諧的電磁超材料吸收器，比如可以根據(jù)電磁環(huán)境的變化控制電磁超材料吸收器對電磁波的吸收率等.

圖1　可調(diào)諧電磁吸收器的結(jié)構(gòu)及單元陣列(a)結(jié)構(gòu)圖;(b)單元陣列

1.1利用VO2薄膜實現(xiàn)可調(diào)諧吸收

在三層式電磁超材料吸收器的超材料層和介質(zhì)層之間，插入一層具有絕緣-金屬相變特性的VO2薄膜層，利用熱觸發(fā)VO2薄膜的相變過程來控制電磁超材料吸收器的吸收率.

Mo Man-Man[16]提出了圖1所示的可調(diào)諧超材料結(jié)構(gòu)，在金屬和電介質(zhì)中加入一層具有絕緣-金屬相變特性的VO2薄膜層，通過外部控制溫度，進而可以改變VO2薄膜層的相變特性，當(dāng)溫度為680C時，VO2薄膜層將由絕緣體變?yōu)榻饘偬匦?，進而其電導(dǎo)率發(fā)生巨大的變化，影響超材料的吸收性能.圖2表示了在不同溫度下，超材料吸收器吸收性能的變化，溫度的變化主要改變的是超材料的吸收強度，隨著溫度升高，吸收強度降低.

圖2　可調(diào)諧吸收器的吸收率與溫度的關(guān)系

1.2利用二極管實現(xiàn)可調(diào)諧吸收

在文獻[17]中提出了利用二極管實現(xiàn)了在微波波段的超材料可調(diào)諧吸收.圖3是超材料吸收器的結(jié)構(gòu)單元和制作的樣品，在一個結(jié)構(gòu)單元中有兩個開口環(huán)結(jié)構(gòu)，兩個開口環(huán)直接由一個二極管連接.該吸收器也是三層結(jié)構(gòu)，第一層為金屬，第二層為電介質(zhì)，第三層為金屬.該吸收器有兩個共振模式組成，一個是偶極共振，另外一個是ELC共振.加在二極管上的電壓可以是正向(ON)也可以是反向(OFF)，兩種狀態(tài)改變了超材料的耦合特性，進而影響了超材料的吸收性能.

圖3　(a)超材料吸收器的結(jié)構(gòu)單元; (b)樣品

圖4　在不同偏壓狀態(tài)下的仿真(實現(xiàn))和測量(虛線)的反射圖像以及吸收(三角)圖像

圖4表示在兩種狀態(tài)下，正偏壓和逆偏壓會導(dǎo)致超材料在不同的頻率點實現(xiàn)完美吸收.正向偏壓在高頻實現(xiàn)完美吸收，逆向偏壓實現(xiàn)了低頻吸收，通過電壓的變化可以實現(xiàn)在兩個不同頻率點之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)換.文獻[18]中利用二極管實現(xiàn)了對吸收幅度的調(diào)制.和文獻[16]中設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)不一樣，通過改變偏壓的強度，進而實現(xiàn)了對超材料吸收強度的調(diào)制.

圖5　(a)轉(zhuǎn)換超材料吸收器的結(jié)構(gòu)圖；(b)制作的樣品

圖6 (a)不同偏壓下的反射圖像；(b)超材料在吸收頻率點處的表面電流分布圖

1.3利用MEMS調(diào)諧超材料吸收器

最近，利用微機電系統(tǒng)(MEMS)來調(diào)諧超材料吸收器越來越收到重視，也是作為主動調(diào)諧的一種方式.文獻[19]中,利用微機電系統(tǒng)設(shè)計了一個在紅外波段的調(diào)諧吸收器，設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖7所示.通過調(diào)諧二氧化硅的厚度可以影響超材料的吸收性能，隨著二氧化硅厚度的增加，吸收向長波長方向調(diào)諧.

圖7　(a)可調(diào)諧吸收器的微機電機構(gòu)圖；(b)超材料的結(jié)構(gòu)單元；

圖8　(a)光控可調(diào)諧吸收器的單元結(jié)構(gòu)及尺寸；(b)測試樣品圖形；(C)吸收圖像

1.4利用外部光控的方法實現(xiàn)可調(diào)諧吸收器利用半導(dǎo)體材料對光敏感的性質(zhì)，可以在超材料中吸收半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)可調(diào)諧吸收。文獻[20]中就是利用開口諧振環(huán)中吸收半導(dǎo)體材料Si，利用外部光控的方法，實現(xiàn)了強度和頻率的調(diào)諧，強度調(diào)制達到60.5%。圖8為其設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖以及吸收圖像，隨著外部光泵浦能量的增加，半導(dǎo)體Si的載流子濃度發(fā)生變化，進而影響超材料的諧振吸收.

2結(jié)束語

綜上所述，電磁超材料吸收器的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但在與其它功能材料結(jié)合的實驗制作方面還有一定的困難, 未來在這方面會有大的突破，可調(diào)諧吸收器的研究會有新的進展.

參考文獻

[1]D R Smith, S Schultz, P Markos, and C M Soukoulis. Determination of effective permittivity and permeability of metamaterialsfrom reflection and transmission coefficients [J].Physical review b, 2002, 65, 195104.

[2]D R Smith, P Kolinko and D Schurig.Negative refraction in indefinite media [J].Journal of the Optical Society of America B, 2004, 21 (5), 1030-1043.

[3]J B Pendry.Negative Refraction makes a perfect lens [J]. Science 2000, 85 (15) ,3966-3969.

[4]N Seddon, T Bearpark. Observation of the inversedopplereffect [J]. Science, 2003, 302(28), 1537-1540.

[5]N I Landy, SSajuyibge, J JMock, D R Smith and W J Padilla. Perfect metamaterial absorber [J]. Phys. Rev. Lett., 2008, 100, 207402.

[6]Q Ma, Z L Mei,S K Zhu, T Y Jin, and T J Cui. Experiments on Active Cloaking and Illusion for Laplace Equation [J].Phys. Rev. Lett., 2013,111,173901.

[7]N I Landy, S Sajuyigbe, J J Mock, D R Smith, and W J Padilla. A perfect metamaterialabsorber [J].Phys. Rev. Lett.,2008, 100, 207402.

[8]Q YYu,Y Jin,and S L He. Omnidirectional, polarization-insensitive and broadband thin absorber in the terahertz regime [J]. J. Opt. Soc. Am. B, 2010, 27(3),498-504.

[9]Q Cheng, T J Cui, W X Jiang and B G Cai. An omnidirectional electromagnetic absorber madeof metamaterials [J]. New Journal of Physics, 2010, 12, 063006.

[10]H Li, L H Yuan, B Zhou, X P Shen, Q Cheng, and T J Cui.Ultrathin multiband gigahertzmetamaterial absorbers [J].Journalofapplied physics, 2011,110,014909.

[11]沈曉鵬, 崔鐵軍，沈建祥. 基于超材料的微波雙波段吸收器[J].物理學(xué)報，2012， 61(5)，058101.

[12]Shen X P, T J Cui,J M Zhao,H F Ma,W X Jiang,and H Li. Polarization-independent wide-angle triple-band metamaterial absorber [J]. Optics Express. 2011, 19, 9401-9407.

[13]T Cao, C W Wei, R E Simpson, L Zhang, M J Cryan. Broadband polarization-independent perfect absorber using a phase-changemetamaterial at visible frequencies [J].Scientific Report. 2014, 24,1-8.

[14]F RHu,Y X Qian, Z Li, J HNiu, K Nie,X MXiong, W T Zhang, and Z Y Peng. Design of a tunable terahertz narrowbandmetamaterial absorber based on anelectrostatically actuated MEMScantilever and split ring resonator array [J]. J. Opt., 2013, 15, 055101.

[15]ZC Xu, RM Gao, CF Ding, L Wu, YT Zhang, JQ Yao.Photoexcited broadband blueshift tunable perfect terahertzmetamaterial absorber [J]. Optical Mateials, 2015, 42, 148-151.

[16]莫漫漫.寬頻可調(diào)諧太赫茲電磁超材料吸收器的研究[論文]. 2014,39-42.

[17]B. Zhu, C. Huang, Y. Feng, J. Zhao and T. Jiang.Dual band switchable metamaterial electromagnetic absorber [J].Progroess in Electromagnetics Research B，2010， 24，121-129.

[18]B. Zhu, Y J Feng, J M Zhao, C Huang, T jiang.Switchable metamaterial reflector/absorber for different polarized electromagnetic waves.

[19]P. Pitchappa, C H Ho, P Kropelnicki, N Singh, D L Kwong and C Lee.Micro-elctro-mechanically switchable near infrared complementary metamaterial absorber [J].Applied Physics Letters, 2014, 104, 201114.

[20]X P Shen, T J Cui. Photoexcited broadband redshift switch and strength modulation of terahertz metamaterial absorber [J].J. Opt. ,2012, 14, 114012.

[責(zé)任編輯：閆昕]

Research of Progress of Tunable Electromagnetic Metamaterial Absorber

Xu Zong-Cheng1,2, Wu Liang2, Zhang Ya-Ting2

(1.Tianjin University Renai College，Tianjin301316, China； 2.College of Precision

Instrument and opt-electronics Engineering ,Tianjin University，Tianjin 300072,China)

Abstract:Electromagnetic metamaterial is an artificial composite structure or composite material, which has the special physical properties of natural materials, and these properties are mainly derived from the special structure of artificial materials. Perfect absorber based on electromagnetic metamateialis a hot research topic in recent years. This paper mainly from the tunable absorber reviewed the latest research progress.

Key words: metamaterial; tunable; absorber; progress