超材料完美吸波器研究進(jìn)展

杜永好，曹曙樺，王 琦，張大偉

（1．上海理工大學(xué) 教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093；2．上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

引 言

超材料奇異的電磁性質(zhì)，使其在光學(xué)材料、雷達(dá)和隱身材料[1]等方面存在著廣泛的應(yīng)用前景。而基于電磁超材料設(shè)計(jì)的超材料完美吸波器(PMA)是指能對(duì)位于工作波長(zhǎng)的電磁波進(jìn)行有效吸收的器件，它不僅可以應(yīng)用于國(guó)防防御體系中，也可以應(yīng)用到我們的日常生活中，為我們的生活提供極大的便利。超材料完美吸波器一般采用經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)[2]，頂層為周期性金屬結(jié)構(gòu)，中間層為具有一定厚度的電介質(zhì)或者絕緣體材料，底層采用厚度遠(yuǎn)大于電磁波在金屬中趨膚深度的連續(xù)金屬膜，可以起到阻擋電磁波透射的作用。通過(guò)合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)器件工作波長(zhǎng)的改變和吸收參數(shù)的調(diào)節(jié)。這樣優(yōu)異的特性可以使超材料完美吸波器在生物傳感器[3]、濾波器[4]、太陽(yáng)能光伏[5]和光電檢測(cè)等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用和發(fā)展。從電磁波吸收頻帶來(lái)看，PMA可以分為窄帶吸收和寬帶吸收，另外還有單頻帶、雙頻帶、多頻帶等多種電磁波吸收模式。從偏振敏感情況來(lái)看，可以分為入射角偏振敏感和入射角偏振不敏感PMA。本文主要對(duì)PMA的研究與發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)特征、性能特點(diǎn)等進(jìn)行了分類綜述，并探討了PMA發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用前景以及目前亟需解決的問(wèn)題。

1 PMA 的研究歷程

完美吸波器的概念最早是由Landy等[6]在2008年提出來(lái)的，經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)PMA可以完全吸收輻射到其表面的電磁波的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，這種吸波器可以達(dá)到近100%的吸收，因此受到廣泛的關(guān)注。此后隨著國(guó)內(nèi)外研究的不斷深入，PMA得到迅速的發(fā)展，從最初的單頻吸波器到雙頻吸波器[7]再到多頻吸波器[8]，由偏振敏感PMA到后來(lái)的偏振不敏感PMA[9]。過(guò)去的幾年中，由于生物傳感和化學(xué)探測(cè)的需求，中紅外吸波器的發(fā)展及應(yīng)用研究得到了大家的高度重視。

1.1 單頻 PMA

常見的單頻PMA結(jié)構(gòu)一般都是典型的“金屬圖案層—介質(zhì)層—金屬平面層”三層三明治結(jié)構(gòu)。2008年Tao等[10]利用表面微加工工藝制作的PMA在1.3 THz處可以達(dá)到70%的吸收。隨后該課題組通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)證明該結(jié)構(gòu)可以在很寬的入射角范圍內(nèi)對(duì)TE和TM波都有很好的吸收效果，并且在1.6 THz頻率處吸收率達(dá)到了97%[11]，如圖1所示。與之前的結(jié)構(gòu)相比，不僅大幅提高了吸收率，制作工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單。

2016年，密歇根大學(xué)的Chang等[12]提出了基于光子超晶體的導(dǎo)模共振效應(yīng)的PMA。結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，由光子超晶體、介質(zhì)層和金屬反射層組成。研究發(fā)現(xiàn)在TM偏振、正入射的情況下，在12.62 μm波長(zhǎng)處可以達(dá)到99.97%的吸收，如圖2(b)所示。由于光子超晶體實(shí)際上可以看作一個(gè)超表面，所以該P(yáng)MA可以等效看作Salisbury 屏。該結(jié)構(gòu)的PMA可以和石墨烯結(jié)合制成光調(diào)制器，也可以用于增強(qiáng)石墨烯的光吸收，應(yīng)用于石墨烯探測(cè)器等領(lǐng)域。

圖1 Tao 等[10]提出的 PMAFig.1 The PMA proposed by Tao et al[10]

圖2 Chang 等[12]提出的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure proposed by Chang et al[12]

1.2 雙頻 PMA

2010年，Tao等[13]將兩個(gè)電場(chǎng)耦合諧振器(ELC)組合在一起，設(shè)計(jì)出一種雙頻吸波器，結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，在理論計(jì)算中該P(yáng)MA在1.4 THz和2.9 THz處達(dá)到了完美吸收。吸收譜圖如圖3(b)所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備樣品后發(fā)現(xiàn)在1.41 THz處可以達(dá)到85%的吸收率，在3.02 THz處可以達(dá)到94%的吸收率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)Bai等[14]提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的寬角度、極化不敏感的雙頻紅外PMA。該P(yáng)MA比以前的PMA結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，制備程序也相對(duì)簡(jiǎn)化。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的PMA結(jié)構(gòu)為三層結(jié)構(gòu)，底層為基板，中間層為SiC介質(zhì)層，上層為雙L形的金結(jié)構(gòu)。他們的一組模擬計(jì)算結(jié)果顯示，在方位角φ=0°、入射角θ=45°時(shí)，在TE波模式下，該P(yáng)MA在5.86 μm處的吸收率可以達(dá)到99.98%，在7.54 μm處吸收率可以達(dá)到99.96%；在TM波模式下，該P(yáng)MA在6.03 μm處的吸收率可以達(dá)到98.34%，在7.59 μm處的吸收率可以達(dá)到98.9%，該P(yáng)MA顯示出良好的偏振不敏感性能。該團(tuán)隊(duì)利用電子束光刻技術(shù)(ELB)和金屬剝離的方法制備了該P(yáng)MA。

圖3 Tao 等[13]提出的 PMAFig.3 The PMA proposed by Tao et al[13]

1.3 多頻 PMA

2013年Zhang等[15]通過(guò)使用多重正方形金屬等離激元結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明可以實(shí)現(xiàn)多波段處近乎完美的紅外光吸收。在兩個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)的雙波長(zhǎng)PMA中可以實(shí)現(xiàn)在3.49 μm處99.4%和4.87 μm處98.8%的吸收；在三波長(zhǎng)的PMA中可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)92.5%的吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該P(yáng)MA的峰值吸收波長(zhǎng)主要由正方形金屬的尺寸大小決定。該三波長(zhǎng)PMA的結(jié)構(gòu)及吸收光譜圖如圖4所示。2013年，Hu等[16]設(shè)計(jì)出一種極化不敏感、高吸收的四頻段的太赫茲波PMA。該吸波器的結(jié)構(gòu)由金屬薄膜層、第一介質(zhì)層、金屬十字架、第二介質(zhì)層和金屬諧振器共五層結(jié)構(gòu)組成。仿真結(jié)果顯示在0.68，1.27，2.21，3.05 THz四個(gè)頻段處其吸收率分別達(dá)到了98%，97%，98%，97%。該P(yáng)MA在太赫茲頻率選擇性檢測(cè)、太赫茲傳感以及太赫茲熱成像等方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是其制造加工有一定的難度。

圖4 Zhang 等[15]提出的多頻 PMAFig.4 The multi-frequency PMA proposed by Zhang et al[15]

2016年，江西師范大學(xué)Liu等[17]提出基于與金屬基板耦合的三層電介質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的PMA，在可見光波段范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)吸收帶，其最大的吸收率可以達(dá)到98.9%，窄帶寬為2 nm。該P(yáng)MA實(shí)現(xiàn)了近乎完美的偏振無(wú)關(guān)以及入射角不敏感多頻帶吸收，這些發(fā)現(xiàn)為多波段光吸收體和高集成度光電子器件的應(yīng)用鋪平了道路。

1.4 寬頻帶 PMA

相對(duì)于窄帶寬PMA的應(yīng)用，寬頻帶PMA的應(yīng)用范圍更加廣泛。利用有效的方法實(shí)現(xiàn)寬頻吸收是當(dāng)前PMA發(fā)展亟需解決的問(wèn)題之一。

2010年，北京工業(yè)大學(xué)趙曉鵬課題組設(shè)計(jì)出一種基于樹枝型結(jié)構(gòu)的寬頻帶PMA[18]，該結(jié)構(gòu)由雙層六邊形密排的樹枝型結(jié)構(gòu)、兩塊介質(zhì)基板和金屬底板組成。通過(guò)改變樹枝結(jié)構(gòu)的排布方式并調(diào)節(jié)幾何參數(shù)可以在工作波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)吸收峰，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在9.79～11.72 GHz頻率范圍內(nèi)的吸收率大于90%。

2012年，Cui等[19]提出了一種鋸齒狀的非均質(zhì)寬頻帶PMA，如圖5(a)所示，其中P=800 nm，T=1000 nm，Ws=150 nm，W1=600 nm，td=35 nm，tm=15 nm；通過(guò)疊加20層的金屬—電介質(zhì)單元層得到了紅外波段較寬的吸收譜，吸收率大于95%的譜線覆蓋了3～3.5 μm的波長(zhǎng)范圍，其半峰全寬(FWHM)約為吸收譜線的86%，如圖5(b)所示，而且該吸波器還具有寬入射角的特點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也很明顯，在加工上存在很大的難度，在實(shí)驗(yàn)室不容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)該結(jié)構(gòu)對(duì)偏振角敏感。在此基礎(chǔ)上Liang等改進(jìn)了該吸波器，采用二維錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在0.2～2.6 μm波段的寬頻吸收。該器件具有寬頻帶、寬角度、偏振不敏感等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域。

2017年上海交通大學(xué)Wang等[20]提出了一種基于雙曲超材料Bi2Te3的金字塔形納米結(jié)構(gòu)陣列的PMA，如圖6(a)所示，其中w1=4 nm，w2=200 nm，Λ=200 nm，H=3000 nm，h=100 nm；該結(jié)構(gòu)是浸入水中的。通過(guò)理論分析可知該吸收體可以對(duì)300～2400 nm寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)光達(dá)到接近100%的吸收。吸收譜如圖6(b)所示。該種結(jié)構(gòu)的PMA可以應(yīng)用于水或者水溶液的光熱轉(zhuǎn)化中太陽(yáng)能的有效利用。

圖5 Cui等[19] 提出的 PMAFig.5 The PMA proposed by Cui et al[19]

1.5 光調(diào)控 PMA

2011年，Chowdhury等[21]在開環(huán)諧振器(SRR)的狹縫中嵌入硅片，基底材料為藍(lán)寶石，如圖7所示。入射的太赫茲波偏振方向與開口狹縫平行，當(dāng)沒有泵浦光照射器件表面時(shí)，太赫茲透射譜在0.6 THz和1.76 THz處分別出現(xiàn)基模LC諧振和三階偶極共振。當(dāng)泵浦光照射到器件表面并且能量逐漸增加時(shí)，狹縫內(nèi)的硅片由于導(dǎo)電損耗的增加導(dǎo)致LC諧振和三階偶極共振強(qiáng)度逐漸減弱，而且諧振頻率發(fā)生紅移。當(dāng)泵浦光的能量增加至1200 mW時(shí)，原始的兩處諧振消失，在1.28 THz處出現(xiàn)一個(gè)新的諧振。

圖6 Wang 等[20]提出的吸波器Fig.6 The PMA proposed by Wang et al[20]

圖7 Chowdhury 等[21]提出的可調(diào)諧 PMAFig.7 The tunable PMA proposed by Chowdhury et al[21]

1.6 溫度調(diào)控 PMA

一些半導(dǎo)體、金屬氧化物、相變材料和超導(dǎo)體的光學(xué)響應(yīng)對(duì)溫度的變化很敏感，所以將這些材料應(yīng)用于PMA的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的溫度調(diào)控。

2011年，Zhu等[22]設(shè)計(jì)出一種三層結(jié)構(gòu)的PMA，頂層為200 nm厚Au雙開口諧振環(huán)，底層是200 nm厚的Au基板。中間介質(zhì)層是對(duì)溫度敏感的60 μm厚的銻化銦(InSb)材料。此外，2015年，Du等[23]設(shè)計(jì)的PMA以Si3N4為基底層，VO2和Si作為中間介質(zhì)層，半徑為530 nm的Au圓盤陣列為頂層超表面層，整個(gè)PMA的厚度僅為185 nm，結(jié)構(gòu)如圖8所示。主要工作于中遠(yuǎn)紅外頻段。該P(yáng)MA可以應(yīng)用于紅外熱成像、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域，推動(dòng)了PMA走向商業(yè)化應(yīng)用。

圖8 Du 等[23] 提出的 PMAFig.8 The PMA proposed by Du et al[23]

2 PMA 工作原理

目前主流PMA 的設(shè)計(jì)思路都是要盡量減小電磁波的反射和透射，增加電磁波在超材料內(nèi)的吸收。PMA的典型結(jié)構(gòu)一般包括三層，為金屬—電介質(zhì)—金屬(MDM)。在該結(jié)構(gòu)中，每一層都會(huì)參與電磁波的吸收，只是不同層起的作用不同。對(duì)于電磁吸波材料而言，電磁波的吸收性能由該材料的反射率R(w)和透射率T(w)決定，因此，材料的吸收率可以表示為A(w)=1-R(w)-T(w)，要想得到超材料吸波器的完美吸收，就要使R(w)和T(w)接近于0。研究PMA的吸波性能時(shí)一般需要考慮其阻抗匹配特性和衰減特性。阻抗匹配特性指的是利用特殊的微結(jié)構(gòu)陣列，使入射電磁波在超材料的表面形成最小反射，進(jìn)而更多地進(jìn)入材料內(nèi)部。衰減特性是指通過(guò)提高介質(zhì)材料電磁參數(shù)的虛部來(lái)耗損更多的入射電磁波。

表面等離子體激元(SPP)是光和金屬表面的自由電子相互作用引起的一種電磁模式，或者說(shuō)是局域在金屬表面的一種自由電子和光子相互作用形成的混合激發(fā)態(tài)[24]。目前許多吸波器的設(shè)計(jì)都用到該原理。當(dāng) SPP 的波矢與入射電磁波的波矢相等時(shí)，能引起金屬中自由電子的集體振蕩，并產(chǎn)生近場(chǎng)的局域增強(qiáng)現(xiàn)象，使共振波長(zhǎng)處電磁能量被結(jié)構(gòu)材料所吸收。因此，在超材料電磁吸波器中，SPP 在電磁波的吸收過(guò)程中起到了非常重要的作用。除了運(yùn)用SPP外，目前將導(dǎo)模共振效應(yīng)和超材料結(jié)合設(shè)計(jì)理想的PMA也是很重要的研究方向。2015年Grande等[25]利用導(dǎo)模共振效應(yīng)設(shè)計(jì)的基于石墨烯的PMA在0.74 μm處可以達(dá)到完美吸收，2016年Zhang等[26]設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)模共振效應(yīng)的可調(diào)諧PMA，通過(guò)調(diào)節(jié)入射角可以調(diào)諧PMA的吸收。

3 PMA 材料

目前用于研制PMA的材料有很多種，其中較為常用的材料有鐵氧體吸波材料、手性材料、金屬微粉吸波材料、導(dǎo)電高分子吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、納米吸波材料等。單層石墨烯的光吸收率只有2.3%[27]，所以利用石墨烯和其他材料相結(jié)合設(shè)計(jì)PMA具有一定的優(yōu)勢(shì)。2014年，Grande等[28]將單層石墨烯和一維介電光柵相結(jié)合，數(shù)值研究表明在幾納米的窄帶寬上，單層石墨烯可以吸收60%的垂直入射光。

2018年，深圳大學(xué)的Wang等[29]利用單層黑磷在理論上分析和證明了在太赫茲和紅外波段的相干完美吸收。他們證明單層黑磷兩側(cè)反向傳播的波導(dǎo)電磁能可以被完美吸收，并且通過(guò)改變兩個(gè)相干光束的相位差，可以靈活調(diào)節(jié)相干吸收。同時(shí)研究了單層黑磷的角度選擇性，說(shuō)明斜入射條件下相干完美吸收的可行性。研究顯示相干吸收峰值的相干完美吸收波長(zhǎng)呈現(xiàn)出相反的變化，并且可以分成TE和TM偏振的兩個(gè)波長(zhǎng)分支。此外，通過(guò)調(diào)整電子摻雜，相干完美吸收波長(zhǎng)可以從太赫茲調(diào)整到紅外波段，調(diào)制深度可以保持在104以上。這項(xiàng)工作對(duì)于太赫茲/紅外探測(cè)和2D材料信號(hào)處理中的相干調(diào)制具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

4 PMA 發(fā)展趨勢(shì)

PMA最早集中在微波波段的研究，并且實(shí)現(xiàn)了窄帶吸收。早期的PMA存在對(duì)偏振敏感或入射角窄等缺點(diǎn)。隨著研究的深入，不同PMA結(jié)構(gòu)陸續(xù)在太赫茲和紅外波段得到驗(yàn)證，并且向著更高頻段發(fā)展，不同波段的PMA也相繼被提出和制備。

目前關(guān)于PMA的研究趨勢(shì)主要集中于以下幾個(gè)方面：1) 實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波近乎100%的窄帶“完美吸收”；2) 偏振不敏感和寬入射角吸波；3) 雙頻帶及多頻帶吸波；4) 寬頻帶吸波；5) 可調(diào)諧PMA器件研究；6) PMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參數(shù)優(yōu)化。當(dāng)前PMA的設(shè)計(jì)中主要問(wèn)題有入射角窄、單面吸波、偏振敏感、吸收頻帶窄等。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)異的PMA會(huì)被設(shè)計(jì)和制備。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了幾種不同類型的PMA，對(duì)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)， 同時(shí)對(duì)PMA的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的綜述。PMA從最初的單頻、窄帶、不可調(diào)、偏振敏感以及入射角度窄到如今的多頻、寬頻帶、可調(diào)、偏振無(wú)關(guān)及寬入射角發(fā)展，且朝著厚度小、密度低、吸收強(qiáng)的方向發(fā)展。相信隨著未來(lái)加工技術(shù)的發(fā)展、新材料的探索以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，一定可以設(shè)計(jì)出小型化、多功能化、低成本的PMA。