超表面吸收特性的研究進(jìn)展*

于宏巖，張　強(qiáng)，付淑芳，袁　悅，周　勝

(哈爾濱師范大學(xué))

*哈爾濱師范大學(xué)深化教育教學(xué)綜合改革資助項(xiàng)目(X2015-2-001);黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)教育科研課題資助項(xiàng)目(16Z040);黑龍江省高等學(xué)校教改工程資助項(xiàng)目(SJGY20170198)

0　引言

超表面具有與傳統(tǒng)天然材料不同的電磁特性，如負(fù)折射[1]、波束的偏轉(zhuǎn)、超高折射率、光磁性、隱身技術(shù)[2]等.超表面通過結(jié)構(gòu)可以調(diào)控電磁波傳播性質(zhì)，因此受到了物理學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的高度重視，同時(shí)也在現(xiàn)代理論物理學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域中快速發(fā)展.根據(jù)超表面的工作性能，可以將超表面分為頻率選擇表面、吸收超表面、高阻抗表面、偏振變換表面[3]等.

從微波到光波頻段下能夠吸收入射電磁波能量的超表面稱為吸收超表面.吸收超表面存在許多具體的應(yīng)用，可見光頻段，超表面被用于熱光伏系統(tǒng)[4]，作為熱發(fā)射器，傳感器和空間光調(diào)制器[5].微波頻段內(nèi)，超表面主要涉及電磁兼容性，用于減少天線和雷達(dá)橫截面的旁瓣輻射，以限制雷達(dá)回波[6]，以減少元件和電子電路之間的干擾和雜散輻射.太赫茲范圍內(nèi)，超表面吸收材料可以用作圖像裝置的微測(cè)輻射熱計(jì)，作為光譜靈敏性光電探測(cè)器[7].超表面吸收率A定義為吸收電磁波能量的百分比.即：

A=1-R-T=1-|S11|2-|S21|2

(1)

由(1)可知，對(duì)于高吸收超表面，反射R和透射T必須同時(shí)達(dá)到最小.該文首先介紹吸收超表面概念，然后對(duì)近年來吸收超表面在窄帶吸收、寬帶吸收、多頻段吸收及完美吸收方面的研究進(jìn)行了綜述.

1　窄帶吸收表面

近幾年來超表面結(jié)構(gòu)被證實(shí)存在許多新型的極化效應(yīng)，如巨大的旋光效應(yīng)、不對(duì)稱傳輸[8]等，使它在每個(gè)光頻段都有十分廣泛的應(yīng)用.超薄窄帶超表面在太赫茲成像和熱檢測(cè)器中具有潛在的應(yīng)用，各個(gè)研究小組對(duì)超表面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.邵建達(dá)[9]課題組通過使用金屬 、絕緣體、金屬薄膜疊層設(shè)計(jì)了幾乎完美的窄帶吸收體，在0.58μm入射波長(zhǎng)處吸收可達(dá)99.67%.隨后Maria等[10]學(xué)者提出了一種適用于太赫茲頻段下的超薄窄帶、互補(bǔ)窄帶吸收表面.超薄窄帶吸收體，每個(gè)單元的頂部都是一個(gè)金屬電環(huán)諧振器，底部是一個(gè)接地平面，兩者材料均為270 nm厚的金屬金制成，中間隔離電介質(zhì)層是5.8μm厚的苯并環(huán)丁烷，介電常數(shù)ε=2.5.超表面結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，黃色部分為金屬，灰色部分為電介質(zhì)，尺寸分別為a=80 μm，g=3.5μm，L1=26μm,L2=48μm和L3=70μm.他們通過干涉理論比較了模擬結(jié)果和分析結(jié)果，得出吸收光譜在1.15THz共振頻率處吸收高達(dá)99.13%，如圖1(b)所示.Maria等學(xué)者還繼續(xù)研究了頂層金屬互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的超表面,如圖2(a)所示，此結(jié)構(gòu)能在1.49 THz共振頻率處達(dá)到99.08%的窄帶吸收,如圖2(b)所示.

(a)超薄窄帶吸收表面結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　(b) 透射、反射、吸收曲線圖圖1　超薄窄帶表面結(jié)構(gòu)及曲線圖

(a)互補(bǔ)型超薄窄帶吸收表面結(jié)構(gòu)　　　　　　　(b)透射、反射、吸收曲線圖圖2　互補(bǔ)結(jié)構(gòu)及曲線圖

2　寬帶吸收超表面

寬帶超表面吸收體在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)存在許多應(yīng)用，特別在熱光伏電池，熱發(fā)射器和其他光電子器件中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注.由于復(fù)雜的器件配置和昂貴的制造成本，使制造寬帶超表面吸收體受到許多限制. Zhou Yun[11]等學(xué)者設(shè)計(jì)了一種新型可見光范圍的寬帶吸收體，其在整個(gè)可見光譜(400～700nm)中表現(xiàn)出與極化無關(guān)的強(qiáng)吸收行為.當(dāng)入射角為60°時(shí)，吸收仍保持在80%左右，所提出的制造方法與常規(guī)的納米壓印光刻技術(shù)能夠很好地兼容，并且制造價(jià)格相對(duì)較低.為實(shí)現(xiàn)高性能可見光吸收體提供了方法.

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，大部分設(shè)備在微波頻段中運(yùn)行.隨著社會(huì)需求的增加，微波頻段的頻譜資源也變得日益稀缺，通過寬帶技術(shù)提高頻譜資源的利用效率是解決問題的有效途徑.微波工程中長(zhǎng)期存在的一個(gè)重要的挑戰(zhàn)性問題就是使用極薄結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超寬帶吸收.由于磁性材料可以促進(jìn)微波吸收體的吸收，能使其厚度減小，但是由于其磁導(dǎo)率隨頻率變化和很高的介電常數(shù)也使得吸收帶寬變窄.Rozanov[12]理論已經(jīng)在數(shù)值上說明了這一點(diǎn).例如，與單層Salisbury屏幕相比，Jaumann層[13]可以成功地?cái)U(kuò)大吸收帶寬，但是它的器件尺寸也會(huì)變得更大.為了使極薄結(jié)構(gòu)擁有更寬的吸收帶寬，Den Dongliu[14]等學(xué)者設(shè)計(jì)出一種通過有效介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)超薄平面的吸收體，與以前的研究相比，這一方法提供了增強(qiáng)光學(xué)吸收的另一個(gè)方法.Mou Jinchao[15]等學(xué)者提出了一種基于非福斯特超表面導(dǎo)納匹配概念.然而，在保持帶寬較寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的吸收仍然是一個(gè)挑戰(zhàn).Zhao Yutong[16]課題組提出了在低太赫茲方案中的可切換寬帶吸收器,當(dāng)在石墨烯的化學(xué)式改變時(shí)，相應(yīng)的高吸收和高反射可以相互切換.通過在SiO2/pSi/PDMS襯底上利用混合石墨烯與金的超表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TE偏振和TM偏振寬的入射角度，并且在0.53～1.05 THz內(nèi)達(dá)到優(yōu)異的吸收.通過控制金電極和pSi兩端的電壓，可以相應(yīng)地改變石墨烯的化學(xué)勢(shì).當(dāng)石墨烯的化學(xué)勢(shì)從0eV變化到0.3eV時(shí)，該結(jié)構(gòu)的狀態(tài)可以在整個(gè)運(yùn)行帶寬上從高吸收(> 90%)轉(zhuǎn)換為高反射(> 82%).可切換吸收器/反射器可以實(shí)現(xiàn)高性能太赫茲器件的廣泛應(yīng)用，例如主動(dòng)偽裝，成像，調(diào)制器和電光開關(guān)等.

Kadir[17]等學(xué)者提出了一種在紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大帶寬和高吸收的SiN超表面吸收體.體系結(jié)構(gòu)為金屬、絕緣體、金屬的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，絕緣體(SiN)和頂部金屬(Al)層被放置在三個(gè)不同的SiN基底的吸收體結(jié)構(gòu)中.在垂直入射的情況下，波長(zhǎng)為8.07μm到11.97μm，吸收值高于90%的；波長(zhǎng)在7.9μm至14μm之間，吸收值可高于80%.這種吸收體設(shè)計(jì)困難主要是紅外區(qū)域中SiN的高度分散行為.另一方面，SiN是在微測(cè)輻射熱計(jì)中廣泛使用的材料，并且在SiN中實(shí)現(xiàn)寬帶吸收也是十分重要的.這項(xiàng)研究為紅外成像裝置提供了技術(shù)支持，并對(duì)防御系統(tǒng)和安全系統(tǒng)也是至關(guān)重要的.

3　雙頻段或多頻段吸收超表面

雙頻帶或多頻帶吸收超表面是在多個(gè)頻段出現(xiàn)較好吸收特性的超表面，可以通過多種方法實(shí)現(xiàn).一種方法是利用在多個(gè)頻率下，具有多重共振的復(fù)雜單元結(jié)構(gòu)[18].該方法的缺點(diǎn)是制造技術(shù)十分困難.在像FR4這樣的剛性基板上，可以使用印刷電路板技術(shù)或光刻技術(shù)很容易地印刷周期結(jié)構(gòu)的小單元，但在柔性基板上制造非金屬小單元確實(shí)是一項(xiàng)困難的任務(wù).另一種方法是利用多層設(shè)計(jì)概念[19]，該方法需要額外的制造步驟并且要精確的對(duì)準(zhǔn)每一層，這也是這種吸收體在實(shí)際應(yīng)用中的限制因素.此外，該方法也增加了吸收體的厚度.使用同心結(jié)構(gòu)是獲得多波段吸收器的另一種方式，但它需要更多的幾何優(yōu)化來減少共振結(jié)構(gòu)之間的相互耦合[20].因此，在2017年Borah組等學(xué)者研究了一種非金屬雙頻段吸收超表面[21]，所提出的吸收體的設(shè)計(jì)理念來自天然的晶體結(jié)構(gòu).在晶體結(jié)構(gòu)中，不同的原子或離子，例如圓r1和圓r2以周期性的方式排列，保持特定的晶格常數(shù)并形成基本的結(jié)構(gòu).所提出的吸收超表面的示意圖如圖3所示.與上述方法相比，該方法的優(yōu)點(diǎn)是具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，并且諧振結(jié)構(gòu)之間的相互耦合較少，這樣就會(huì)減少了很多幾何優(yōu)化.所設(shè)計(jì)的吸收表面在7.72 GHz和9.92 GHz處具有吸收率分別為92.9%和93.3%的兩個(gè)不同的吸收峰.

圖3　非金屬雙頻段吸收超表面結(jié)構(gòu)

Zhu Weiren[22]等學(xué)者設(shè)計(jì)了一種能夠在無線電頻率下實(shí)現(xiàn)多頻段相干完美吸收的超薄水基超表面.通過嚴(yán)格的數(shù)值模擬證明，即使其厚度比入射波長(zhǎng)小幾十倍，完美吸收也可以在由水制成的表面中實(shí)現(xiàn).首先證明了超表面幾乎可以完全吸收四個(gè)頻段的輻射，通過調(diào)整入射波的相位差，其吸收率可以通過深度調(diào)制達(dá)到98.83%.進(jìn)一步討論了表面厚度對(duì)其的影響，通過調(diào)整表面厚度，可以在寬頻率范圍內(nèi)調(diào)整相干完美吸收的諧振頻率.因此，所提出的水基表面可以用作低成本的生物相容調(diào)制器或無線電波的切換器.

Jagyeong Kim[23]課題組提出了一種用于紅外隱形技術(shù)的金屬/絕緣體/金屬結(jié)構(gòu)(MIM)的雙頻段超表面完美吸收體.設(shè)計(jì)了超材料完美吸收體的MIM結(jié)構(gòu)，為了匹配1.54μm激光束的波長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，上層的圓形金屬貼片和下層金屬層分別由不同厚度的Ag制成，中間由相對(duì)介電常數(shù)ε=2.56的pi制成.假設(shè)光是正常入射的并且具有橫向磁偏振，根據(jù)公式：

(2)

可以得出a0的值，其中λspp=1.54μm，εpi=2.56，εAg=-85.5代入得到a0=1.34 μm.此結(jié)構(gòu)分別在1.54μm和6.2μm處具有表面等離子體極化和磁極化共振峰，其吸收分別可達(dá)到90%和92%以上.

(a)雙圓型吸收表面三維結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　(b)側(cè)面輪廓圖圖4 　雙圓型結(jié)構(gòu)

4　完美吸收表面

在單個(gè)頻率下，以特定入射角度吸收100%入射波的能力，稱為完美吸收超表面.近年來，超表面完美吸收體由于可以高效率地實(shí)現(xiàn)電磁波的吸收而獲得了極大的關(guān)注.自Landy[24]等學(xué)者實(shí)驗(yàn)證明了微波區(qū)域的超材料完美吸收體，隨后各種吸收體在微波到可見光的頻率范圍內(nèi)已被實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)或數(shù)值預(yù)測(cè)[25-28].Liu[26]等學(xué)者在中紅外區(qū)域設(shè)計(jì)了頻率選擇性超表面完美吸收體. An Zhenghua[29]等學(xué)者基于金屬/絕緣體/金屬三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了多種超表面，實(shí)現(xiàn)高吸收率.選擇了具有4次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的十字形吸收體和其互補(bǔ)十字形吸收體結(jié)構(gòu)(如圖5者所示)，研究光電子應(yīng)用的光學(xué)性質(zhì)和有效的吸收.

(a)十字形結(jié)構(gòu)(l = 0.8μm，w、d、t都是變量)　　　　　　(b)互補(bǔ)十字形結(jié)構(gòu)圖5　十字、互補(bǔ)十字形結(jié)構(gòu)

在太赫茲頻率下，超表面吸收體尤其重要.太赫茲頻段下近乎完美的超表面吸收體具有許多重要的技術(shù)應(yīng)用，包括傳感器，熱發(fā)射器和成像裝置.Wu Meng[30]等學(xué)者提出一種三維太赫茲超材料完美吸收體，其具有高品質(zhì)因子并且具有極化不敏感性.該結(jié)構(gòu)的單元由兩個(gè)正交的銅立式分離環(huán)諧振器組成，該諧振器放在銅接地平面上.該結(jié)構(gòu)如圖6所示,(a)為一個(gè)單元的3D結(jié)構(gòu)圖，其中L=60μm,H=30μm,c=5μm,w=15.8μm，金屬接地層和上層Top bars的厚度分別為2μm.圖6(b)為仿真結(jié)果得出的透射、反射、吸收曲線圖，從圖中可以看出在1.65THz頻率處吸收可達(dá)到99.6%.

(a)三維結(jié)構(gòu)圖　　　　　　　　 (b)吸收體透射、反射、吸收關(guān)系圖圖6 　三維結(jié)構(gòu)及吸收關(guān)系

由金屬，金屬、電介質(zhì)或介電材料組成的超表面吸收體已經(jīng)在大部分電磁光譜中實(shí)現(xiàn)，并且也證明了新的特性和應(yīng)用.然而，大多數(shù)金屬吸收體由于其低熔點(diǎn)，高損耗和高導(dǎo)熱性而受到了許多的限制.2017年P(guān)ADILLA[31]實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)出了一種基于混合電介質(zhì)波導(dǎo)諧振的太赫茲全電介質(zhì)超表面吸收體.他們?cè)O(shè)計(jì)了表面幾何圖形，耦合電偶極子和磁偶極子諧振，實(shí)現(xiàn)97.5%的吸收.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸收頻率不僅限于太赫茲范圍，還可以擴(kuò)展到微波、紅外和光學(xué)頻率范圍.全電介質(zhì)吸收體在能量收集，成像和感測(cè)中具有潛在應(yīng)用，為超表面電磁輻射的發(fā)射和吸收提供了新的途徑.

5　結(jié)束語(yǔ)

超表面的優(yōu)勢(shì)在于突破傳統(tǒng)體超材料限制，創(chuàng)造出各種利用現(xiàn)有技術(shù)能更容易制備的結(jié)構(gòu).超表面調(diào)控相位、偏振、振幅及阻抗等方面顯示出卓越的性能，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.超表面可以替代很多大型的光學(xué)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，它在微波段、太赫茲波段和光波段都具有很大的應(yīng)用潛力，包括小型諧振腔、吸波器、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、太赫茲開關(guān)、可控智能表面等.未來，超表面的研究將有力推進(jìn)新型電磁波束調(diào)控和新型雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展.

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