太赫茲環(huán)偶極子超材料研究與展望

王 爽，李 泉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

太赫茲波（Terahertz waves）是指頻率在 0.1～10 THz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為0.03～3 mm范圍內(nèi)的電磁波段，也被稱為亞毫米波。太赫茲波的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了現(xiàn)有物理學(xué)電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的空白。太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、電子通訊、安檢識(shí)別、航天軍事等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。然而，自然界中能在太赫茲波段應(yīng)用的材料不多，超材料（metamaterials）的出現(xiàn)有效地解決了這一問(wèn)題。利用超材料可以實(shí)現(xiàn)自然界中不存在的物理現(xiàn)象，如左手材料（負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率）、隱身斗篷、超級(jí)透鏡、完美吸波材料等，因此超材料受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[1-20]。環(huán)偶極子作為環(huán)形多極子家族的一員，展現(xiàn)出了許多獨(dú)特的電磁特性，具有潛在的理論和應(yīng)用價(jià)值，已在世界科研領(lǐng)域內(nèi)引起廣泛關(guān)注。環(huán)偶極子在太赫茲波段下的產(chǎn)生機(jī)理尚未被完全揭示，超材料為揭示環(huán)偶極子在太赫茲頻段下的內(nèi)在機(jī)理提供了重要手段。本文對(duì)超材料發(fā)展歷程進(jìn)行回顧，在總結(jié)不同波段環(huán)偶極子超材料的研究成果及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出一系列實(shí)現(xiàn)太赫茲環(huán)偶極子超材料的方案，為進(jìn)一步探索環(huán)偶極子產(chǎn)生機(jī)制和獨(dú)特電磁特性提供了參考。

1 超材料研究與發(fā)展

超材料是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的一種人工材料。超材料和傳統(tǒng)材料的區(qū)別在于用宏觀尺寸單元代替了原有微觀尺寸單元（原子或分子）。盡管二者的單元尺寸相差很大，但是對(duì)外加電磁波的響應(yīng)都是通過(guò)基本單元諧振系統(tǒng)對(duì)外加場(chǎng)的響應(yīng)來(lái)體現(xiàn)的。材料的介電常數(shù)ε反映了單元結(jié)構(gòu)對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)，而磁導(dǎo)率μ則反映了單元結(jié)構(gòu)對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)。人為設(shè)計(jì)諧振單元，通過(guò)控制其對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)范圍更廣的ε和μ值，即可通過(guò)剪裁超材料單元的基本結(jié)構(gòu)來(lái)任意控制其電磁特性，實(shí)現(xiàn)自然界不存在電磁特性的特殊材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一批新概念或者新型的微波、太赫茲波及光波器件和系統(tǒng)。超材料內(nèi)涵更深、更寬廣，蘊(yùn)含著豐富的理論、關(guān)鍵技術(shù)和重要的工程應(yīng)用[1-15]。

超材料概念的提出可追溯到20世紀(jì)60年代。前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago[1]假想了一種ε和μ均為負(fù)數(shù)的物質(zhì)，并指出該物質(zhì)里有許多奇特的電磁現(xiàn)象，例如：電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系、電磁波負(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等。超材料的研究始于1990年，英國(guó)帝國(guó)理工的Pendry教授等[2]于1996年首次利用一種周期排列的金屬短線陣列結(jié)構(gòu)在微波波段實(shí)現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)。隨后，該課題組設(shè)計(jì)了經(jīng)典超材料結(jié)構(gòu)——金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（split ring resonator，SRR），通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可在微波波段呈現(xiàn)出負(fù)磁導(dǎo)率特性[3]。隨之負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率均為負(fù)值的左手材料相應(yīng)地被研發(fā)出來(lái)。超材料的提出和人工實(shí)現(xiàn)為研究人員提供了另一種處理問(wèn)題的思路以及按照意愿設(shè)計(jì)材料的全新途徑。隨著研究的深入，研究人員不滿足于被動(dòng)結(jié)構(gòu)固定的超材料，通過(guò)在超材料中嵌入可調(diào)控、非線性介質(zhì)或者半導(dǎo)體部件，在不改變超材料結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料電磁特性的調(diào)節(jié)，極大地?cái)U(kuò)展了超材料的應(yīng)用范圍。根據(jù)不同的調(diào)控方式，超材料可以分為溫度調(diào)控超材料[10-11]、電壓調(diào)控超材料[12-13]、機(jī)械調(diào)控超材料[14-16]、光調(diào)控超材料[5，17-18]以及混合調(diào)控超材料[19-22]。不同調(diào)控機(jī)制超材料如圖1所示。

圖1 不同調(diào)控機(jī)制超材料

溫度調(diào)控超材料可將高溫超導(dǎo)體如釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O7，YBCO）或紅外溫控材料二氧化釩（VO2）植入超材料中。高溫超導(dǎo)體或紅外溫控材料二氧化釩（VO2）電導(dǎo)率隨溫度變化急劇變化，進(jìn)而超材料電磁特性可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。電壓調(diào)控超材料利用電壓調(diào)控載流子密度影響介質(zhì)基底電導(dǎo)率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)透射譜幅度調(diào)控。機(jī)械調(diào)控超材料利用微機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）構(gòu)成超材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)變化調(diào)整結(jié)構(gòu)與入射電磁波角度，進(jìn)而影響輸出電磁特性。光調(diào)控超材料通常將金屬圖案層制備在寶石硅（silicon on sapphire，SOS）基片上，并移除部分硅層，利用光泵引起硅層中載流子變化，進(jìn)而影響超材料透射譜電磁特性[5]。除上述單一調(diào)控方式超材料外，混合調(diào)控超材料還可以通過(guò)2種調(diào)控方式改變超材料電磁特性，如在超材料中嵌入二維材料石墨烯。將石墨烯覆蓋到超材料結(jié)構(gòu)表面或嵌入到超材料結(jié)構(gòu)中，這種方式構(gòu)成的超材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。石墨烯性能優(yōu)異，其電子遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)速度，具有高電流密度的特點(diǎn)[6-7]。石墨烯通過(guò)外加電壓和光泵能有效改變其電導(dǎo)率，制備可調(diào)控超材料。采用電控和光泵結(jié)合實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的太赫茲調(diào)控器的主要原理是通過(guò)外加激勵(lì)（電+光）來(lái)調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)（fermi level），使石墨烯的光學(xué)電導(dǎo)率發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲透過(guò)系數(shù)的主動(dòng)調(diào)控。因?yàn)椴捎霉獗眉?lì)的前提是使用半導(dǎo)體基底，該基底在光泵的條件下激發(fā)出光生載流子，成為石墨烯的載流子“供給源”，所以這種光電結(jié)合的調(diào)制方法往往采用半導(dǎo)體作為基底，且半導(dǎo)體和石墨烯薄膜之間沒(méi)有任何絕緣層。由于基底能為石墨烯提供大量載流子，因此用該方法實(shí)現(xiàn)的調(diào)制深度比較高。

2 環(huán)偶極子超材料

環(huán)偶極子是環(huán)形多極子家族最基本的成員，環(huán)偶極子是由電流j沿著圓環(huán)體的徑向方向流動(dòng)，在圓環(huán)體的子午面上形成等效的磁偶極子m，多個(gè)磁偶極子首尾相連，形成了一個(gè)軸向的環(huán)偶極子T，因此環(huán)偶極子可以理解為由磁偶極子首尾相連組成閉合環(huán)的一個(gè)大的磁偶極子[8-10]。環(huán)偶極子具有與傳統(tǒng)電極子與磁極子不同的獨(dú)特電磁響應(yīng)特性，如具有較高的品質(zhì)因數(shù)Q、諧振透明、非線性旋光性、模式轉(zhuǎn)換特性、光學(xué)特性各向異性、負(fù)折射率等特性[23-32]，環(huán)偶極子除具有獨(dú)特的基礎(chǔ)理論研究?jī)r(jià)值外，還有廣闊的應(yīng)用前景，可用于制備傳感器、調(diào)節(jié)器、切倫科夫計(jì)數(shù)器等器件[33-37]。

自然界中環(huán)偶極子的電磁響應(yīng)比較微弱，通常被電偶極子或磁偶極子所掩蓋，因此在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里都被人們所忽視。超材料為不同波段實(shí)現(xiàn)環(huán)偶極子現(xiàn)象提供了可靠的技術(shù)手段，研究人員針對(duì)環(huán)偶極子在不同頻段下的電磁特性開(kāi)展了系列研究。首先，針對(duì)微波波段環(huán)偶極子電磁響應(yīng)特性開(kāi)展一系列研究。Kaelberer等[34]通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在微波頻段（14.5～17 GHz）首次觀察到環(huán)偶極子，并與其他多極子區(qū)分開(kāi)。隨后針對(duì)環(huán)偶極子電磁響應(yīng)特性研究也延伸到光波波段。Huang等[35]研究了光波波段環(huán)偶極子與電偶極子及磁偶極子之間的關(guān)系，探究環(huán)偶極子產(chǎn)生機(jī)制并建立物理模型。Dong等[36]通過(guò)光波波段環(huán)偶極子超材料分析環(huán)偶極子諧振產(chǎn)生的原理。

長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員對(duì)于太赫茲波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限且具有局限性，以致于該波段被稱為電磁波譜中的“空隙”，成為電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究的最后一個(gè)頻率窗口[8]。20世紀(jì)90年代，發(fā)明了穩(wěn)定的太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)，半導(dǎo)體天線通過(guò)飛秒激光激勵(lì)獲得穩(wěn)定太赫茲輻射，是目前使用最廣泛的太赫茲輻射源。但是，由于天線的限制，其探測(cè)頻帶寬度被限制在4 THz之內(nèi)。太赫茲輻射是自然界中同其他相干輻射一樣的、非常重要且實(shí)用的電磁波資源。太赫茲波波長(zhǎng)處于微波與紅外光之間，相對(duì)于微波和X射線等，具有非常強(qiáng)的互補(bǔ)特征。太赫茲波輻射波長(zhǎng)在幾十到幾百微米范圍內(nèi)，典型脈寬在亞皮秒量級(jí)，具有高時(shí)間和空間相干性、光子能量低等獨(dú)特電磁性能[8-9，23-31]。在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，在諸如生物分子、材料特性光譜檢測(cè)、半導(dǎo)體材料特性研究、安全檢查、醫(yī)藥、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域已取得了一系列重要的應(yīng)用，其獨(dú)特的優(yōu)越性已逐步被研究人員所認(rèn)識(shí)。在國(guó)家安全和軍事運(yùn)用方面，太赫茲雷達(dá)技術(shù)以及太赫茲信息對(duì)抗技術(shù)也正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。因此，太赫茲波的獨(dú)特性能使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的科研價(jià)值以及廣闊的應(yīng)用前景。隨著太赫茲測(cè)試手段的完善，針對(duì)環(huán)偶極子在太赫茲頻段下電磁特性開(kāi)展了一系列研究。Gupta等[37]設(shè)計(jì)并制備太赫茲頻段下環(huán)偶極子超材料，該超材料有望應(yīng)用于介質(zhì)和生物傳感器中。太赫茲波獨(dú)特性能與環(huán)偶極子電磁響應(yīng)特性相結(jié)合必將產(chǎn)生新的電磁學(xué)特征和新現(xiàn)象，因此研究環(huán)偶極子在太赫茲頻段的電磁響應(yīng)特性具有重要理論意義和應(yīng)用前景。

為了獲得高Q值環(huán)偶極子超材料，針對(duì)超材料的單元結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一系列研究，環(huán)偶極子超材料單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。微波、光學(xué)波段環(huán)偶極子超材料單元結(jié)構(gòu)多為3D立體結(jié)構(gòu)，該3D結(jié)構(gòu)多為開(kāi)口環(huán)SRR以及開(kāi)口環(huán)的衍生模型。微波波段通常采用帶狀線等加工方法，在覆銅板上腐蝕空隙或纏繞金屬線制備。光波段通常采用“金屬-介質(zhì)-金屬”結(jié)構(gòu)，采用e-beam光刻配合高精度對(duì)準(zhǔn)方法逐層制備[38-40]。太赫茲波段利用傳統(tǒng)光刻工藝可制備二維結(jié)構(gòu)環(huán)偶極子超材料，由于光刻工藝具有可重復(fù)性，可簡(jiǎn)化制備過(guò)程，獲得高Q值環(huán)偶極子超材料，有利于相關(guān)器件的實(shí)現(xiàn)[37]。研究表明，超材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需充分體現(xiàn)時(shí)間反轉(zhuǎn)非對(duì)稱性和空間反轉(zhuǎn)非對(duì)稱性，它們是形成環(huán)偶極子現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。

圖2 環(huán)偶極子超材料單元結(jié)構(gòu)

環(huán)偶極子超材料制備基底可分為硬性基底材料和柔性基底材料。硬性基底超材料多見(jiàn)于微波波段和光波波段，采用覆銅板、硅或玻璃作為基底；柔性基底超材料采用聚酯薄膜（Mylar）或聚酰亞胺（Polyimide）等作為基底，可在太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)，其具有形狀可彎曲、柔韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)大了超材料應(yīng)用范圍。

研究人員逐步揭示環(huán)偶極子產(chǎn)生機(jī)理，指出環(huán)偶極子是由電極子及磁極子之間相互作用破壞近場(chǎng)電環(huán)境平衡而產(chǎn)生的，非對(duì)稱電流能增強(qiáng)環(huán)偶極子強(qiáng)度，是產(chǎn)生高Q值的原因[25，28]?？梢罁?jù)單元結(jié)構(gòu)建立基于耦合LC電路的物理模型進(jìn)行定量分析。為了定量分析環(huán)偶極矩強(qiáng)度，根據(jù)體積電流密度分布，利用多極散射理論得到多極子的散射強(qiáng)度，如電偶極矩、磁偶極矩和環(huán)偶極矩。該方法已成功應(yīng)用于微波、太赫茲和光學(xué)波段環(huán)偶極矩的計(jì)算，計(jì)算公式為：

電偶極矩：

磁偶極矩：

環(huán)偶極矩：

3 太赫茲環(huán)偶極子超材料研究與展望

研究組設(shè)計(jì)在太赫茲頻段基于雙U型SRR（USRR）結(jié)構(gòu)、雙C型結(jié)構(gòu)、雙SRR型結(jié)構(gòu)以及雙金屬條結(jié)構(gòu)的環(huán)偶極子超材料，超材料設(shè)計(jì)在Mylar或Polyimide等柔性基底上，對(duì)其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行分析，驗(yàn)證多極散射理論計(jì)算在太赫茲頻段的正確性，同時(shí)分別構(gòu)建等效電路模型。雙USRR環(huán)偶極子超材料單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙USRR環(huán)偶極子超材料單元結(jié)構(gòu)

基于雙USRR結(jié)構(gòu)的超材料制備在Polyimide上，它由2個(gè)聚酰亞胺層隔開(kāi)的金屬圖案層組成，其中每個(gè)金屬圖案層由2個(gè)USRR組成。研究2個(gè)共面USRR之間的距離g、金屬線寬度w、周期p等對(duì)諧振點(diǎn)頻率、透射率及Q值變化的影響，在所有樣品中觀察到2個(gè)諧振，約0.35 THz的低頻諧振和約0.75 THz的高頻諧振。低頻諧振頻率先隨g的增加而減小，然后隨g的增加而增加。高頻諧振頻率的變化規(guī)律與低頻諧振頻率的變化規(guī)律具有相同的趨勢(shì)。測(cè)量和模擬結(jié)果擬合良好。通過(guò)調(diào)整g=10 μm，在超材料中的2個(gè)不同頻率分別獲得低Q值（約為1.82）和高Q值（約為10.31）環(huán)偶極子諧振，高頻諧振Q值幾乎是低頻諧振Q值的6倍。USRR的能級(jí)分為由電感電容（LC）誘導(dǎo)的低頻環(huán)偶極子諧振和偶極子誘導(dǎo)的高頻環(huán)偶極子諧振。電多極子相互作用在確定環(huán)偶極子諧振的能級(jí)中起重要作用。該雙環(huán)偶極子諧振超材料將在功能太赫茲器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值?？烧{(diào)控太赫茲環(huán)偶極子超材料具有廣闊的應(yīng)用前景，是今后研究發(fā)展方向。通過(guò)嵌入功能材料、石墨烯等二維材料實(shí)現(xiàn)環(huán)偶極子現(xiàn)象，但是目前仍有一定的難度，如三維結(jié)構(gòu)向二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，可調(diào)控因素對(duì)環(huán)偶極子電磁特性影響的定性定量分析等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了環(huán)偶極子超材料的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，環(huán)偶極子獨(dú)特電磁特性能與太赫茲波特性相結(jié)合，必產(chǎn)生一系列獨(dú)特的物理現(xiàn)象。太赫茲頻段環(huán)偶極子超材料可以緩解太赫茲波段器件缺少的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波進(jìn)行調(diào)控、濾波、開(kāi)關(guān)和延時(shí)等操控，可用于制備傳感器、調(diào)節(jié)器、切倫科夫計(jì)數(shù)器等太赫茲先進(jìn)器件。