寬頻帶超材料吸波器的研究進(jìn)展

胡丹 王可心 張潔

摘 要：基于超材料的完美吸波器具有廣闊的應(yīng)用前景，如電磁隱身、熱成像、折射率傳感器等。但由于金屬或介質(zhì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的共振特性，具有窄吸收帶的吸波器阻礙它們?cè)谟袑拵枨蠓矫娴膽?yīng)用，如軍事隱身、光子探測(cè)、能量收集等。本文以寬頻帶吸波器為研究對(duì)象，著重介紹目前基于超材料寬頻帶吸波器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：超材料；吸波器；寬頻帶

緒論

超材料是由人造的亞波長(zhǎng)共振單元所構(gòu)成的電磁材料，它具有自然材料所不具備的新奇電磁特性，其應(yīng)用領(lǐng)域包括高折射率、負(fù)折射率、超強(qiáng)透射、隱形斗篷等。超材料的一個(gè)重要應(yīng)用就是完美吸收超材料吸波器，由于其在軍事和民用方面都有著良好的應(yīng)用前景，長(zhǎng)期以來引起世界各國(guó)科研工作者的極大興趣。完美吸收超材料吸波器最早是由美國(guó)的Landy等人在2008年首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。隨著器件加工工藝水平的不斷提高，完美吸收超材料吸波器也從最初的微波波段逐步擴(kuò)展到太赫茲、紅外、可見光等波段。器件的設(shè)計(jì)也從最初的單頻帶逐漸延伸到雙頻帶、多頻帶和寬頻帶。由于寬頻帶吸波器在電磁隱身、電陽能電池、熱成像等領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用，因此本文著重介紹了寬頻帶超材料吸波器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

寬頻帶超材料吸波器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2. 亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)陣列

目前，利用亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)陣列來設(shè)計(jì)寬頻帶超材料吸波器的方法主要有三種，一種是平面內(nèi)設(shè)計(jì)，即在同一個(gè)平面內(nèi)周期性排列相同的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元均由金屬結(jié)構(gòu)相似，幾何尺寸不同的多個(gè)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成來實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。例如，2011年，Cui等人用四個(gè)不同寬度的光柵結(jié)構(gòu)組成吸波單元，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸使四個(gè)吸收峰疊加，最終產(chǎn)生約3微米寬的紅外吸波器。[1]第二種，利用雙層或多層亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)與介質(zhì)層縱向交替疊加實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。這種結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)諧介質(zhì)層的厚度或亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。例如，Ding等人提出一種金子塔式寬頻帶微波吸波器，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多個(gè)共振吸收峰，這些吸收峰連接在一起，形成寬頻帶吸收。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率范圍在7.8-14.7GHz內(nèi)可實(shí)現(xiàn)不低于90%的吸收率，而且斜入射角度在小于60度的范圍內(nèi)，依然可以實(shí)現(xiàn)高吸收率。[2]第三種，利用單層過渡金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)或多層過渡金屬膜的堆棧實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。例如，Hu等人利用過渡金屬鉻這種材料設(shè)計(jì)寬頻帶太赫茲吸波器，一個(gè)圓形閉合環(huán)共振器就可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。[3]理論計(jì)算結(jié)果顯示，頻率范圍在1.00-2.43THz內(nèi)可實(shí)現(xiàn)不低于90%的吸收率，并且在斜入射條件下依然可以實(shí)現(xiàn)良好的吸收。[3]Ding等人提出了一種無光刻、寬頻帶光吸波器，該吸波器是由多層金屬膜與介質(zhì)交替疊加所構(gòu)成。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)可見光范圍內(nèi)皆能實(shí)現(xiàn)高于90%的吸收率。[4]

2. 基于摻雜半導(dǎo)體材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列

基于摻雜半導(dǎo)體的寬頻帶超材料吸波器與傳統(tǒng)的基于金屬結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬寬頻帶吸波器不同，它僅由二維光柵和基板所構(gòu)成。例如，2012年，中科院光電技術(shù)研究所的Pu等人利用單層重?fù)诫s硅光柵結(jié)構(gòu)與重?fù)诫s硅基板所構(gòu)成，他們利用零級(jí)和一級(jí)光柵衍射實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。[5]隨后，上海理工大學(xué)的Peng等人利用雙層的摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)與摻雜硅基板所構(gòu)成，該吸波器是利用空氣間隙 共振模、零級(jí)和一級(jí)光柵衍射實(shí)現(xiàn)三個(gè)吸收峰連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸收。[6]理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0.59-2.58THz頻率范圍內(nèi)吸收率在95%以上。[6]

2.3 基于石墨烯亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列

石墨烯是一種零帶隙的半導(dǎo)體材料，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通半導(dǎo)體材料的載流子遷移率，是硅材料遷移率的100多倍，達(dá)到2×105 cm2/（V·s），還擁有良好的光傳導(dǎo)性和優(yōu)異的電輸運(yùn)性能和機(jī)械性能等，這些卓越性能使它成為了促進(jìn)光電子學(xué)快速發(fā)展的重要半導(dǎo)體材料之一。

在太赫茲和紅外波段，石墨烯對(duì)入射光波的響應(yīng)行為極類似于金屬材料對(duì)入射光波的響應(yīng)行為，可以在其表面激發(fā)長(zhǎng)程和短程表面等離子體共振，從而實(shí)現(xiàn)等離子體共振吸收增強(qiáng)。例如，2015年，國(guó)防科技大學(xué)的Zhu等人把基于化學(xué)摻雜石墨烯的帶狀結(jié)構(gòu)放置在18微米厚的介質(zhì)上表面，在介質(zhì)的下表面涂上500nm的貴金屬金材料。[7]理論計(jì)算結(jié)果表明，該吸波器可在中心頻率為3THz處實(shí)現(xiàn)帶寬為1.3THz的高吸收率（不低于90%）。[7]近期，廈門大學(xué)的Ye等人利用石墨烯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過激發(fā)連續(xù)的等離子體共振實(shí)現(xiàn)寬頻帶高吸收效率，調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢(shì)能還可以動(dòng)態(tài)調(diào)諧寬頻帶吸波器的吸收效率。[8]

3 總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了三種類型的寬頻帶超材料吸波器，即通過亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)、亞波長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和亞波長(zhǎng)石墨烯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。寬頻帶超材料吸波器的發(fā)展已取得了一定的研究成果，但仍存在著一些欠缺。筆者相信，不久的將來，寬頻帶超材料吸波器在微波、太赫茲、紅外、可見光等多個(gè)領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Y.Cui et al，Appl.Phys.Lett.99，253101（2011）.

[2]F.Ding et al，Appl.Phys.Lett.100，103506（2012）.

[3]D.Hu et al，IEEE Photonics J.8，5500608（2016）.

[4]F.Ding et al，Appl.Phys.Lett.106，061108（2015）.

[5]M.Pu et al，Opt.Express 20，25513（2012）.

[6]Y.Peng et al，Opt.Express 23，2032（2015）.

[7]Z.H.Zhu et al，Appl.Phys.Express 8，015102（2014）.

[8]L.Ye et al，Opt.Express 25，11223（2017）.

作者簡(jiǎn)介：胡丹（1981-），男，漢族，安徽宿州人，博士，安陽師范學(xué)院講師，研究方向：超材料、微納光子器件。