基于超材料的單頻層狀吸波體仿真

中南大學(xué)物理與電子學(xué)院 黃治涵

1 引言

人工復(fù)合材料的超材料與常規(guī)介質(zhì)不同，具有三個(gè)重要的特征（1）是由人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的復(fù)合材料。（2）具有超常的物理性質(zhì)（3）其性質(zhì)與結(jié)構(gòu)主要來(lái)源與人工結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成材料本身的材質(zhì)。超材料所具有的超常物理特性往往各有不同，這取決于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)想法，而如今應(yīng)用最廣泛的還是超材料對(duì)于各類電磁波乃至光波的強(qiáng)吸收特性。

2 仿真原理

由于超材料的亞波長(zhǎng)特性，我們可以通過(guò)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)ε和μ的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)超材料與電磁波作用方式的調(diào)控。通過(guò)調(diào)整使材料的電磁特性成復(fù)數(shù)，實(shí)部是對(duì)電磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換特性，而虛部是材料介質(zhì)對(duì)波的損耗特性。而本次仿真所利用的則是利用多層狀結(jié)構(gòu)材料的電磁參數(shù)虛部對(duì)波的損耗，實(shí)現(xiàn)材料對(duì)某一頻率波的吸收特性。

3 吸波效果仿真

3.1 仿真模型

平面電磁波沿z軸垂直入射電磁場(chǎng)區(qū)域中，建立仿真模型如圖1、2所示。計(jì)算區(qū)域是一個(gè)8×8×16的長(zhǎng)方體，材料中的微元結(jié)構(gòu)是一個(gè)由樹(shù)脂材料做的8×8×0.5的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體上表面同心處附上一個(gè)半徑為3的銅質(zhì)圓片，底面是一個(gè)邊長(zhǎng)為8的正方形銅片，設(shè)置邊界條件無(wú)窮大，則這樣的微元結(jié)構(gòu)在z軸上無(wú)窮連續(xù)。求解范圍是16GHZ。

圖1 仿真模型圖

圖2 仿真模型圖

3.2 仿真效果

可以從仿真的結(jié)果的繪圖以及導(dǎo)出的數(shù)據(jù)表格可以看出來(lái)，該材料對(duì)于12.5GHZ頻率的波具有強(qiáng)吸收特性。不同材料的諧振頻率不同，通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)吸收特性還會(huì)更加明顯。這里的仿真其實(shí)強(qiáng)吸收特性一般要做到-10dB，但也足以模擬這種超材料結(jié)構(gòu)的吸波特性。

圖3

4 超材料的制備

4.1 SRRs制備工藝

如前文所述，Pendry從電磁場(chǎng)理論入手，提出了以SRRs方法為代表的具體化的超材料設(shè)計(jì)方法。

通過(guò)SRRs制備工藝的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，Drude-Lorentz具有在經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論中，描述材料性質(zhì)的作用。開(kāi)環(huán)共振器(SRRs)和細(xì)金屬導(dǎo)線構(gòu)成的復(fù)合微結(jié)構(gòu)是超材料制備過(guò)程中的常用結(jié)構(gòu)，根據(jù)該理論的相關(guān)內(nèi)容，介磁導(dǎo)率與介電常數(shù)的之間存在著一定的相似性，與之相關(guān)的計(jì)算公式如下所述：

其中ωm代的內(nèi)容為體系的磁共振頻率，F(xiàn)用于表述金屬占據(jù)格子的體積分?jǐn)?shù)，i為虛數(shù)單位，Γ為損耗頻率(遠(yuǎn)小于ωm)。其中ωp為電子的等離子體共振頻率，而γ為損耗頻率。由上式可推知，SRRs體系在大于共振頻率ωm的情況下，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率；當(dāng)ω＜ωp時(shí)，系統(tǒng)之中會(huì)出現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)。就上級(jí)SRRs制備原理而言。除了SRRs之外，介質(zhì)材料周期排列工藝也需要得到人們的關(guān)注。介質(zhì)材料周期排列工藝建立在周期性的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上。晶格點(diǎn)陣的Bragg散射在這些周期性結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。與之相關(guān)的負(fù)折射效應(yīng)可以說(shuō)是非均勻媒質(zhì)對(duì)電磁波的復(fù)雜集體響應(yīng)行為的等效表觀現(xiàn)象。

4.2 非SRRs制備

關(guān)鍵尺寸上層次的有序排列，是超材料制作過(guò)程中所遵循的重要設(shè)計(jì)思想。超材料設(shè)計(jì)思想建立在材料關(guān)鍵物理尺度結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，它可以借助關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)。發(fā)揮出突破某些表觀自然規(guī)律的限制的作用。SRRs就是建立在材料關(guān)鍵物理尺度結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的超材料制備工藝。除了SRRS技術(shù)以外，基于電子束曝光系統(tǒng)的超材料制備工藝也是一種較為常用的“超材料”制作方法。根據(jù)光子晶體材料研究工作的實(shí)際情況，光頻段的完全光子帶隙的實(shí)現(xiàn)，是人們?cè)趯?shí)驗(yàn)方面所追求的主要目標(biāo)。在光子晶體材料研究工作開(kāi)展過(guò)程中，一些研究者選擇了銀作為介電背景的設(shè)計(jì)方案。這一設(shè)計(jì)方案可以在利用化學(xué)過(guò)程將銀引入到聚乙烯微球晶體的基礎(chǔ)上，獲取具有接近完全帶隙的光子晶體。在利用斜角沉積技術(shù)開(kāi)展研究的基礎(chǔ)上，一些研究人員已經(jīng)研制出了為光學(xué)工業(yè)界所接受的，規(guī)?；鈱W(xué)超材料生產(chǎn)技術(shù)。一些研究人員利用這一技術(shù)這種技術(shù)在硅基板上制作了銀納米柱構(gòu)成的薄膜，該可以利用特殊方式操控光的薄膜在光電產(chǎn)業(yè)上具有較為廣泛的應(yīng)用前景。但是通過(guò)對(duì)這一技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段利用這一技術(shù)制作而成的超材料的工作頻率相對(duì)有限頻率范圍內(nèi)工作，也難以在實(shí)際環(huán)境下開(kāi)展批量生產(chǎn)。為克服這個(gè)問(wèn)題，任貽均等(Yi-Jun Jen)等采用了基于斜角沉積法的超材料制作技術(shù)。根據(jù)其提出的超材料制作技術(shù)的內(nèi)容，人們首先需要借助電子轟擊手段，對(duì)銀塊材料進(jìn)行氣化處理，并要讓銀蒸氣沉積在2英寸厚的硅基板上。在氣化處理環(huán)節(jié)結(jié)束以后，人們可以通過(guò)調(diào)整基板的傾斜角度的方式，讓銀產(chǎn)生自我遮蔽效應(yīng)作用。此時(shí)朝蒸氣注入的方向生長(zhǎng)成納米柱長(zhǎng)成的銀薄膜厚度為240nm，銀納米柱長(zhǎng)650nm、寬80nm，并與基板法線夾66度角。在波長(zhǎng)介于300至850nm的光照射樣品以測(cè)量其光學(xué)特性，以后，研究人員發(fā)現(xiàn)，此類超材料可以在波長(zhǎng)介于532至690nm間會(huì)產(chǎn)生負(fù)折射。

5 結(jié)論

毫無(wú)疑問(wèn)，超材料已經(jīng)變成了一個(gè)振奮人心的研究領(lǐng)域。超材料獨(dú)特的研究工作對(duì)趨勢(shì)超材料的迅猛發(fā)展有著積極推動(dòng)作用。由于其性質(zhì)基本不受其材質(zhì)影響，因此在開(kāi)發(fā)用量和普及上就完全成了可能。負(fù)折射率、超級(jí)透鏡、隱身斗篷已及零折射率等在這一領(lǐng)域一系列的突破與進(jìn)展，超材料未來(lái)一定能有更大的發(fā)展和應(yīng)用空間。