太赫茲及紅外吸波超材料研究進(jìn)展

楊競(jìng)帆，屈紹波，龐永強(qiáng)，徐翠蓮

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太赫茲及紅外吸波超材料研究進(jìn)展

楊競(jìng)帆，屈紹波，龐永強(qiáng)，徐翠蓮

（空軍工程大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710051）

隨著超材料研究的不斷發(fā)展，基于超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一系列太赫茲及紅外吸波體引起了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。由于具有高效的吸波性能，太赫茲及紅外吸波超材料在現(xiàn)代隱身技術(shù)、節(jié)能、絕熱、生物化學(xué)光譜、紅外成像、傳感和安檢等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)緊密跟蹤國(guó)內(nèi)外太赫茲及紅外吸波超材料的最新研究進(jìn)展，討論總結(jié)了太赫茲及紅外吸波超材料的吸波機(jī)理。由于材料依靠增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收往往比靠材料本身的損耗吸收電磁波有更高的效率，與傳統(tǒng)吸波材料的工作原理不同，超材料在太赫茲及紅外波段主要依靠亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低其等離子體頻率，從而實(shí)現(xiàn)表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)（SPPs）。基于此，總結(jié)歸納了太赫茲及紅外吸波超材料研究中3種有效降低等離子頻率的方法，分別為金屬表面的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體材料的摻雜和新型碳納米材料的引入，更加清晰地闡明了表面等離激元場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)方式。同時(shí)，對(duì)太赫茲及紅外吸波超材料今后的發(fā)展給出了自己的認(rèn)識(shí)。

太赫茲；紅外；吸波超材料；表面等離激元

0 引言

超材料是由亞波長(zhǎng)諧振單元所組成的人工材料，具有自然界中材料所不具備的新穎電磁特性，其應(yīng)用主要包括負(fù)折射率[1-3]、完美透射[4]和左右手傳輸線(xiàn)[5]等。超材料應(yīng)用的另一重要方面是完美吸收超材料吸波體[6]，電磁吸波材料是指能有效吸收入射電磁波從而使目標(biāo)回波強(qiáng)度顯著衰減的一類(lèi)功能材料。電磁吸波材料[7]由于其在軍事和民用方面都有著十分廣泛的應(yīng)用前景，長(zhǎng)期以來(lái)受到世界各國(guó)研究者的關(guān)注。完美吸收超材料吸波體是由美國(guó)波士頓大學(xué)的Landy[8]在2008年首次提出，隨著材料制備水平以及微觀結(jié)構(gòu)表征能力的不斷改進(jìn)與提高，吸波材料也從微波頻段逐步擴(kuò)展到太赫茲頻段[9]、紅外波段[10]和光波段[11]。本文闡述了太赫茲及紅外超材料吸波的基本理論，對(duì)超材料吸波體的研究進(jìn)展、最新應(yīng)用，及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。

1 吸波的基本原理

1.1 材料的吸收率

記()是反射率，()是透過(guò)率，材料的吸收率()可以表示為：

()＝1―()―() (1)

設(shè)電磁波從端口1入射、從端口2出射，則()、()可表示為：

()＝|11|2(2)

()＝|21|2(3)

式中：代表散射參數(shù)，11為輸入反射系數(shù)，21為輸入反射系數(shù)。對(duì)厚度為的材料，21主要取決于材料的復(fù)折射率＝1＋i2和復(fù)阻抗＝1＋i2，可以表示為：

式中：＝/，為真空中的光速。

當(dāng)復(fù)合材料與自由空間阻抗匹配（＝1）時(shí)，則有：

根據(jù)以上推導(dǎo)，吸波材料要實(shí)現(xiàn)高吸收率，必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：①吸波材料的阻抗必須盡量與自由空間的阻抗相匹配，以便使入射電磁波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部；②吸波材料應(yīng)具備很強(qiáng)的電磁波衰減特性，以便使進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波最大限度地被損耗掉。當(dāng)吸波材料實(shí)現(xiàn)了理想的阻抗匹配和無(wú)窮大的折射率虛部時(shí)，吸收率()＝1。

1.2 材料的阻抗匹配特性

要使吸波材料能夠有效地吸收電磁波，吸波材料除了具有良好的衰減特性外，還需要與自由空間阻抗匹配，這樣才能使電磁波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部。當(dāng)電磁波由自由空間（阻抗0）入射到吸波材料（輸入阻抗為i）的界面上時(shí)，一部分電磁波被反射、一部分電磁波進(jìn)入吸波材料內(nèi)部。吸波材料的反射系數(shù)可表示為：

i＝0r,i＝0r(9)

由式(8)、(9)知，要使反射系數(shù)為零，則需要材料的0和i匹配，即要求材料的相對(duì)介電常數(shù)r和相對(duì)磁導(dǎo)率r相等，而在實(shí)際中人們往往盡量使相對(duì)介電常數(shù)r和相對(duì)磁導(dǎo)率r大小接近，從而使材料前表面的反射盡量小。

1.3 表面等離子體激元（SPPs）的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)

當(dāng)電磁波入射到金屬與介質(zhì)分界面時(shí)，金屬表面的自由電子發(fā)生集體振蕩，電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒?chǎng)電磁波，如果電子的振蕩頻率與入射電磁波的頻率一致就會(huì)產(chǎn)生共振，在共振狀態(tài)下電磁場(chǎng)的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動(dòng)能，這時(shí)就形成了一種特殊的電磁模式：電磁場(chǎng)被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)并發(fā)生增強(qiáng)，這種現(xiàn)象就被稱(chēng)為表面等離激元現(xiàn)象。

由于材料吸收的能量與材料的損耗成正比，與激發(fā)電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比。因此，在紅外或太赫茲波段利用超材料激發(fā)SPPs的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)完美吸波。

通常金屬的介電特性由Drude模型描述：

2 紅外超材料吸波器的研究進(jìn)展

2.1 周期性結(jié)構(gòu)的金屬表面

為了將等離子體頻率從光頻段降低到紅外、THz波段，可以采用周期性結(jié)構(gòu)的金屬表面陣列，增強(qiáng)表面波與微結(jié)構(gòu)的相互作用，從而獲得等效介質(zhì)中較低的等離子體頻率。如圖1[12](a)所示，這種超材料吸波器由三層“三明治”結(jié)構(gòu)組成，上層由兩個(gè)內(nèi)外徑分別為2mm、3.3mm的同心金屬圓環(huán)嵌套而成，中層用SiO2作為電介質(zhì)層將上層結(jié)構(gòu)單元與底層金屬背板隔開(kāi)。通過(guò)優(yōu)化尺寸參數(shù)，金屬環(huán)之間的諧振頻率幾乎沒(méi)有影響，共同作用形成了兩個(gè)獨(dú)立的吸收峰。由于金屬背板的存在，阻斷了入射電磁波的透射，透射率()幾乎為0，因此只需測(cè)量其反射率，代入式(8)即可。仿真結(jié)果如圖1(c)所示，在11.8THz和17.9THz有兩個(gè)近完美吸波峰，并且與極化角度無(wú)關(guān)。

除了利用嵌套方法來(lái)實(shí)現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)的金屬表面，多層諧振層疊加也可以達(dá)到同樣的效果。這里介紹一種中紅外多層電介質(zhì)層寬帶超材料吸波器，如圖2[13](a)所示，Y2O3和Al2O3作為電介質(zhì)層分別位于金屬Al夾層中間，介電常數(shù)分別為d＝3.06（無(wú)損耗）和2.28（tan＝0.04），自上而下依次為金屬Al、介質(zhì)Y2O3、金屬Al、介質(zhì)Al2O3、金屬Al。利用多層金屬-介質(zhì)-金屬諧振堆棧，激發(fā)每層諧振堆棧的磁諧振，通過(guò)設(shè)計(jì)不同介質(zhì)層的介電常數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)吸收峰值波長(zhǎng)，然后疊加成寬帶超材料吸波體。經(jīng)過(guò)紅外傅里葉變換頻譜儀和紅外顯微鏡測(cè)量，這種雙層諧振堆棧結(jié)構(gòu)在6.94mm和6.68mm處分別有兩個(gè)吸收率為77.7%和77.2%的吸收峰值，吸收率大于70%的帶寬為0.52mm；對(duì)于三層諧振堆棧，在6.88mm、6.68mm和6.37mm處分別有吸收率為82.5%、83.4%和80.7%的吸收峰值，吸收率大于70%的帶寬0.83mm，結(jié)果如圖2(b)所示。這種多層寬帶超材料吸波體的諧振堆棧都是相同尺寸，因此只需要經(jīng)過(guò)一次光刻處理，這極大簡(jiǎn)化了微納加工步驟，并且可以在不改變結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，通過(guò)改變電介質(zhì)層的介電常數(shù)改變諧振峰值，這在能量采集、靈敏度探測(cè)和熱調(diào)節(jié)等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

2.2 摻雜半導(dǎo)體材料周期陣列

與普通金屬相比，半導(dǎo)體材料的載流子的濃度遠(yuǎn)低于金屬中自由電子濃度，其等離子體頻率由載流子濃度決定，半導(dǎo)體自由載流子與紅外光的相互作用類(lèi)似于金屬，半導(dǎo)體表面SPPs特性可通過(guò)摻雜、光、熱、電等方式激勵(lì)[14-16]。

圖1 雙帶吸波超材料

圖2 中紅外多層電介質(zhì)層寬帶超材料吸波器

如圖3[17](a)，是一種高效率寬帶極化無(wú)關(guān)太赫茲吸波體，不同于傳統(tǒng)的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)，這種寬帶近完美吸波體由二維光柵和摻硼硅基板組成。通過(guò)利用相消干涉和衍射的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)了寬帶吸波。根據(jù)等效介質(zhì)理論，在低頻太赫茲波段，入射的太赫茲波碰到光柵結(jié)構(gòu)后，由光柵上表面和下表面反射的太赫茲波會(huì)有一定的相差，通過(guò)調(diào)節(jié)光柵層的厚度使上下表面反射的太赫茲波干涉相消，減小反射波；在高頻波段，將光柵視為周期波導(dǎo)陣列，利用光柵衍射減小反射，實(shí)現(xiàn)了在1.17THz和1.73THz吸收率接近100%，1～2THz范圍內(nèi)吸收率在95%以上，如圖3(b)。

圖3 二維光柵結(jié)構(gòu)(a)及吸收率曲線(xiàn)圖(b)

在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)光柵的占空比（光柵面積與基板面積之比）進(jìn)一步研究，提出了占空比為0.29的互相垂直“雙啞鈴”摻硼硅光柵陣列結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)比原二維光柵具有更寬的吸波帶寬，在0.92～2.4THz超寬帶頻段內(nèi)吸收率大于95%，如圖4[18]所示。

圖4 雙啞鈴結(jié)構(gòu)光柵(a)及吸收特性曲線(xiàn)圖(b)

2.3 石墨烯、碳納米管等新型納米材料

石墨烯具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率（目前其載流子遷移率的理論最大值可達(dá)2×106cm2/(V×s)）、優(yōu)異的光傳導(dǎo)性（其每一層的光傳導(dǎo)與它的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)相對(duì)應(yīng)），并且它還具有卓越的力學(xué)強(qiáng)度與熱力學(xué)穩(wěn)定性，這使它成為了推動(dòng)光電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵材料之一。

在紅外和太赫茲頻段，石墨烯對(duì)電磁波的響應(yīng)行為類(lèi)似于金屬對(duì)電磁波的響應(yīng)行為，可以激發(fā)表面等離激元（SPPs），當(dāng)光入射到石墨烯上時(shí)，石墨烯結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生SPP響應(yīng)，導(dǎo)致等離激元吸收增強(qiáng)。如圖5[19](a)所示的結(jié)構(gòu)，十字形石墨烯陣列附著在折射率為3.4的硅基板上，中間用一層介電常數(shù)為3.9的薄二氧化硅隔開(kāi)。采用控制變量法分析該吸收譜，通過(guò)控制＝1.25 μm不變，分別改變十字石墨烯的寬長(zhǎng)比/和長(zhǎng)周期比/兩個(gè)變量參數(shù)，仿真發(fā)現(xiàn)無(wú)論這兩個(gè)變量參數(shù)取何值，吸收譜總會(huì)存在一個(gè)吸收峰，而吸收率存在差異，如圖5(b)、(c)。

以上研究發(fā)現(xiàn)，這種十字形石墨烯結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的石墨烯圓盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)吸收峰值波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)更加自由，而且吸收效率還可以進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖5 十字形石墨烯結(jié)構(gòu)單元(a)，不同寬度下的吸收譜(b)及不同周期下的吸收譜(c)

3 超材料完美吸收體的應(yīng)用

目前完美吸收體很多應(yīng)用研究都處于初級(jí)階段，一個(gè)主要的目標(biāo)是將其集成于現(xiàn)有的器件中以改善他們的性能。下面將簡(jiǎn)述其可能存在的主要應(yīng)用。

3.1 選擇發(fā)射的應(yīng)用

超材料是由亞波長(zhǎng)人工結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的頻率選擇特性。通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以有選擇性地吸收、透射或反射電磁波。根據(jù)熱輻射的Kirchhoff定律，在熱平衡的時(shí)候,物體的發(fā)射率等于它的吸收率。因此,在原則上給出了設(shè)計(jì)熱發(fā)射的可能，促進(jìn)了紅外輻射調(diào)控技術(shù)的發(fā)展。在紅外烘烤技術(shù)[20]中，不同的被烘烤物對(duì)應(yīng)不同的紅外吸收波長(zhǎng)，例如大多數(shù)無(wú)機(jī)物、有機(jī)高分子材料在8～12μm處有很強(qiáng)的吸收峰，如果我們?cè)O(shè)計(jì)出吸收波長(zhǎng)在9μm的完美吸收超材料，那么其紅外輻射將與烘烤物中的有機(jī)高分子的紅外吸收相匹配，使能量傳播效率提高，起到高效節(jié)能的作用。選擇發(fā)射在飛行器紅外隱身中也有重要應(yīng)用，飛行器蒙皮是重要的紅外輻射源[21]，在8～12μm段貢獻(xiàn)率大，因此針對(duì)8～12μm波段的超材料完美吸波體將會(huì)大大消減飛行器的紅外信號(hào)特征，滿(mǎn)足飛行器的紅外隱身性能。

3.2 傳感器的應(yīng)用

由于大多數(shù)物質(zhì)分子及其分子間相互作用在太赫茲波段存在指紋譜，而且太赫茲輻射所具有的非電離特性，使其非常適合于生物化學(xué)物質(zhì)的傳感測(cè)量[22]。相比于X射線(xiàn)等傳統(tǒng)光譜分析技術(shù)，太赫茲輻射能量低，不足以造成分子的化學(xué)損傷，而且太赫茲波對(duì)DNA構(gòu)形和構(gòu)象的變化非常敏感，因此可以通過(guò)太赫茲光譜進(jìn)行基因分析或無(wú)標(biāo)記探測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，DNA的序列差異越大，THz的透過(guò)率越小，共振頻率越低，因此可以利用基于超材料諧振器的傳感器對(duì)DNA序列進(jìn)行檢測(cè)，如Nagel等人[23]利用超材料諧振器對(duì)聚合態(tài)DNA進(jìn)行了傳感檢測(cè)，靈敏度比傳統(tǒng)的時(shí)域光譜（TDS）高出1000倍，Driscoll等人[24]利用SRRs（開(kāi)口金屬環(huán)共振器）結(jié)構(gòu)超材料諧振器，通過(guò)向表面滴加納米硅球和酒精混合液，改變SRRs結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境的介電特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其諧振頻率的高精度調(diào)控。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線(xiàn)，利用超材料完美吸波特性制成的紅外線(xiàn)傳感器，可以遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度，發(fā)現(xiàn)溫度異常部位；利用人造衛(wèi)星上的紅外線(xiàn)傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)等。

4 結(jié)論

如今，太赫茲及紅外領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界受到了廣泛的關(guān)注，而超材料的發(fā)展也為太赫茲及紅外吸波方面做出了巨大貢獻(xiàn)，如寬帶吸波、大角度入射吸波、極化無(wú)關(guān)吸波等等。本文將現(xiàn)階段太赫茲及紅外吸波超材料的吸波原理進(jìn)行了概括說(shuō)明，對(duì)實(shí)現(xiàn)吸波的不同方法進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)應(yīng)舉出了實(shí)例。但是，紅外吸波材料發(fā)展到現(xiàn)在仍有巨大的挖掘空間，可以預(yù)期未來(lái)紅外吸波材料的發(fā)展趨勢(shì)：

1）智能可調(diào)超材料：電磁超材料是由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元組成，通過(guò)改變超材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。而智能可調(diào)超材料可以通過(guò)施加外部信號(hào)來(lái)改變超材料的電磁性質(zhì)，既可以改變和擴(kuò)展超材料的工作頻段，又為各種調(diào)制器等有源器件的開(kāi)發(fā)提供了可能。目前可調(diào)超材料有熱調(diào)制、電調(diào)制、磁場(chǎng)調(diào)制和光調(diào)制，但在太赫茲和紅外頻段對(duì)新現(xiàn)象新物理的探索和認(rèn)識(shí)仍然不足，智能可調(diào)超材料仍有著廣闊的發(fā)展前景。

2）角度選擇性：通過(guò)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的超材料，可以使超材料具有自然界材料不具備的新穎特性，角度選擇性也是其中之一。對(duì)于超材料吸波體來(lái)說(shuō)，大角度入射吸波、極化無(wú)關(guān)吸波超材料的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，而具有強(qiáng)角度選擇性超材料的研究還很欠缺，角度選擇性超材料可作為角度選擇器在方向性探測(cè)上有一定的應(yīng)用前景。

3）極窄帶吸波超材料：以往的吸波超材料都傾向于把頻帶做寬，卻往往忽視了極窄帶吸波，如今隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)于超高靈敏度傳感器的需求愈來(lái)愈烈。極窄帶吸波超材料因其具有良好的頻點(diǎn)選擇性，使得其對(duì)諧振頻點(diǎn)的捕獲更加精確，因而可以作為高靈敏度傳感器的基石，也有巨大的發(fā)展前景。

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Development of THz and Infrared Metamaterial Absorbers

YANG Jingfan，QU Shaobo，PANG Yongqiang，XU Cuilian

（,,710051,）

Recent years, with gradually development of metamaterial, a series of THz and infrared absorbers based on metamaterial structures have attracted widespread attention all over the world. Due to the highly efficient absorption performance, THz and infrared metamaterial absorbers(MAs) have wide application prospects in many fields, such as modern stealth technology, energy saving project, thermal insulation field, biochemistry spectrum, infrared imaging, THz sensor, security check and so on. By taking a closely tracking on the latest research at home and abroad, this paper discusses and summarizes the basic operating principle of THz and infrared MAs. It’s universally accepted that the energy absorption is proportional to the loss of absorbing material and the quadratic of electric field strength. Due to the relatively low loss of nature material, it's more efficient to achieve electromagnetic wave absorption by increasing motivated electric field strength than the material loss itself. Different from the traditional material absorbers largely depending on loss, MAs decreases the plasmon polaritons through the design of sub-wavelength structure in THz and infrared frequency region, which contributes the electric field enhancement of surface plasmon polaritons(SPPs). Based on this, the paper summarized three effective methods to decrease the plasmonic frequency by designing periodic structure of metallic surface, doping semi-conductor periodic array and adding new type carbon nanomaterials. And then, a more detailed description for the methods to achieve surface plasmon polaritons(SPPs) is given out. Furthermore, combined with development tendency of metamaterial, the paper also expounded the perspective for the future development of THz and infrared metamaterial absorbers.

THz，infrared，metamaterial absorbers，surface plasmon polaritons

TN820

A

1001-8891(2017)04-0323-06

2016-10-07；

2016-11-07.

楊競(jìng)帆（1993-），男，碩士研究生，從事紅外吸波超材料方面的研究。

國(guó)家青年基金：基于人工表面等離激元的寬帶輕質(zhì)無(wú)反射背板吸波材料研究（61501497）。