太赫茲超材料寬帶吸收器

陸延通，文天龍，張懷武

（電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都，610054）

0 引言

太赫茲波是位于高頻紅外和低頻微波之間的一段電磁波，頻率在0.1THz～10THz 之間。其低頻波段與微波重合，高頻波段與紅外波重合，所以太赫茲波既有電子學的特性，也存在光學特性[1]。

在20 世紀80 年代以前，電子學與光學技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟，但由于太赫茲處于電子學與光學過渡區(qū)域，這兩種技術(shù)對太赫茲波的產(chǎn)生和檢測效果都不理想，因此相當長一段時間內(nèi)，人們對太赫茲波的認識仍相對有限，故此波段通常被稱為“太赫茲間隙”[2]。近些年來，隨著高功率波源與高靈敏探測器技術(shù)的發(fā)展，太赫茲波源技術(shù)和探測技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，而太赫茲功能器件技術(shù)的發(fā)展仍然相對緩慢，超材料的發(fā)現(xiàn)給太赫茲波功能器件特別是太赫茲吸收器帶來了廣闊的發(fā)展前景。且基于超材料的特性可以等比例放大或縮小到其他頻段，實現(xiàn)多頻段的高吸收[3,4]。

電磁波吸收器是一種把在工作頻率內(nèi)的入射波都吸收掉的裝置，典型的超材料吸收器由三層結(jié)構(gòu)組成，第一層一般是由有周期性圖案結(jié)構(gòu)的金屬層構(gòu)成；第二層由介質(zhì)材料構(gòu)成，底層為金屬板，用來阻擋入射波的透射以提高吸收效率。由于單頻帶吸收器帶寬較窄[5]，單頻帶和多頻帶太赫茲超材料吸收器在類似領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。因此，如何有效、切實地擴展帶寬是當前太赫茲超材料吸收器研究的熱點[6]。傳統(tǒng)寬帶吸收器的設(shè)計思想來源于窄帶吸收器，通過調(diào)整多頻帶吸收器單元尺寸，使得他們的吸收頻率緊鄰，使其相互疊加就可以得到寬帶吸收器。但這種方式設(shè)計的吸收器帶寬不高，且制作復(fù)雜，很難在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。

基于此，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)且簡單容易制作的柔性極化不敏感的太赫茲超材料寬帶吸收器。在超材料層使用厚度低于趨膚深度的金屬結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的超材料，此時金屬電導(dǎo)率遠小于其體電阻，對太赫茲波來說就是一種高損耗的材料[7]，可以調(diào)控超材料對電磁波的透射率與反射率，且不影響超材料陣列的諧振。

1 器件的設(shè)計、仿真與制作

本文對所設(shè)計的太赫茲超材料吸收器做出了如下初步設(shè)計：

結(jié)構(gòu)設(shè)計：本文設(shè)計的超材料吸收器使用經(jīng)典的三明治結(jié)構(gòu)，在超材料層使用軸對稱圖形的圓盤結(jié)構(gòu)，由前面的調(diào)研可知，超材料基本單元結(jié)構(gòu)使用對稱圖形即可使得吸收器對入射電磁波的極化角度不敏感；底層反射層使用連續(xù)的金屬薄膜，既能減少透射率，且制作簡單，不需與超材料層對準，降低制作復(fù)雜度。

材料選擇：超材料層使用本身電導(dǎo)率較低且厚度低于趨膚深度的金屬來增加歐姆損耗，例如鉑、鈦等金屬，由于鈦金屬比較容易氧化，為了測試的方便，因此本文選用鉑來制作超材料層；對于中間介質(zhì)層，本文選用了聚酰亞胺（Polyimide PI），PI 是高分子有機材料，且有很好的絕緣性與柔韌性，利用其制成柔性的太赫茲吸收器，可以黏附在曲面物體上；對于第三層金屬層，可選用多種金屬，如金、銀、銅、鋁等材料，只要保證其厚度大于工作波長的趨膚深度，能把入射波全部反射回去即可。

使用CST 電磁仿真軟件的頻域求解器完成本次工作的仿真建模，觀察波段設(shè)置為0.2THz～1.4THz，對超材料單個基本單元進行建模，X 方向和Y 方向設(shè)置為Unit sell 邊界條件，Z 方向設(shè)置Open。Au 材料與PI 直接調(diào)用材料庫中的默認材料。而對于金屬Pt 材料，則需要修改材料性質(zhì)與電導(dǎo)率。

設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)如圖1 所示：圖1(a)為部分周期單元整體結(jié)構(gòu)圖，圖1(b)為其對應(yīng)俯視圖，太赫茲波從垂直于超材料平面的方向入射，電場沿y 方向，磁場沿x 方向。此結(jié)構(gòu)透射率為0。

圖1 太赫茲材料吸收器

吸收器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：Pt 金屬薄膜厚度為5mμ，P=172μm,R=70μm,T=50μm,D=0.2μm。

仿真完成后，使用微細加工工藝制作太赫茲超材料寬帶吸收器，操作步驟如下：

（1）清洗中間介質(zhì)層PI：依次使用丙酮、酒精、去離子水分別清洗并超聲五分鐘，放入65℃的烘箱中30min 以上以烘干備用。

（2）鍍膜：使用磁控濺射鍍膜法制作底層連續(xù)金屬膜，厚度為200nm。

（3）制作支撐基底：將鍍膜完成的樣品用PI 高溫膠帶黏附在長寬為2cm×2cm，厚度為1mm 的二氧化硅基片上，使PI 層朝上，金屬連續(xù)膜朝SiO2基底。然后使用步驟(2)進行清洗。

（4）光刻：使用負性光刻膠進行涂膠，再依次經(jīng)前烘、曝光、后烘、泛曝、顯影制作出超材料圖案。

（5）鍍膜：使用步驟(2)的方法在上一步得到的樣品超材料表面鍍5nm 的金屬鉑。

（6）去膠：將步驟(6)得到的樣品依次放入丙酮、酒精、去離子水中進行清洗，得到最終結(jié)構(gòu)。其光學顯微鏡如圖2所示。

圖2 樣品的光學顯微鏡圖

2 結(jié)果與討論

■2.1 CST 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)公式，吸收率A=1-R-T，T為透射率，在此三層吸收器結(jié)構(gòu)中，T=0；R為反射率，R=，S11為反射系數(shù)，由仿真結(jié)果的S parameter 參數(shù)給出，得到此結(jié)構(gòu)吸收率如圖3 所示：可以清楚的看到，在0.46THz（fa）～1.07THz（fb）范圍內(nèi)實現(xiàn)了90%以上的吸收，如圖3(b)灰色方框內(nèi)所示。相對吸收帶寬（RAB）用公式(1)所示。

圖3 太赫茲超材料寬帶吸收器的CST 吸收譜仿真結(jié)果

計算得到90%的相對吸收帶寬為79.74%。此寬帶吸收器是由頻率為0.59THz 和1.02THz 處的兩個吸收峰疊加得到的，在這兩個頻率處吸收率分別為97.34%和96.52%。

為了表征吸收器的性能，下面研究吸收光譜在不同極化角度和斜入射角度下的改變，研究對象均為TE 波。首先給出了入射波不同偏振角φ 對吸收光譜的影響，如圖4 所示。由于所提出的太赫茲超材料寬帶吸收器是一個在x-y 平面360°旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，因此在觀察極化敏感性時數(shù)值模擬只需要考慮從0°到45°的極化角即可。從圖4 中看出可以，太赫茲波偏振角度從0°～45°變化時，吸收光譜幾乎不發(fā)生變化，因此本文設(shè)計的吸收器其吸收光譜對入射波的偏振角度不敏感。

圖4 入射電磁波極化角度對吸收性能的影響

接下來討論此吸收器在斜入射角度下時其吸收性能的變化，斜入射角即入射波矢量與超材料平面法線的角度θ，如圖5 所示。由圖可以看出，入射波在斜入射角小于30°時，吸收性能較為穩(wěn)健，當斜入射角增加到60°時，吸收率明顯下降，但是仍能保持較高的吸收能力。當θ 角增加75°時，吸收率迅速下降。但總體來說，所提出的吸收器在較大的斜入射角度下還是能保持較高的吸收率，因此不僅可以工作在電磁波垂直入射的情況，還能工作在較寬范圍內(nèi)的斜入射角度下。

圖5 入射電磁波斜入射角度對吸收性能的影響

為了進一步探究0.59THz 和1.02THz 處的兩個吸收峰的來源，分別對兩個頻率處的電場分布進行了研究，提取了對應(yīng)頻率處x-y 平面的電場分布與x=0 截面的電場分布圖，如圖6 所示。在0.59THz 處，表面電場主要分布在鉑金屬圓盤的上下兩端，且交替積累，這是一個典型的電偶極子諧振。而在1.02THz 處，從圖中可以明顯看出，電場被局限在金屬圓盤和底層連續(xù)金屬膜中間的介質(zhì)層中，構(gòu)成了一個典型的法布里-珀羅諧振腔（F-P 腔），因此，此寬帶吸收器是由超材料陣列的電偶極子諧振和F-P 諧振的吸收帶寬疊加而成的。

圖6 超材料諧振點處和透明窗口頻率處的表面電流分布圖

■2.2 太赫茲超材料吸收器實驗測試結(jié)果

使用Fico 太赫茲時域光譜系統(tǒng)對樣品進行測試，獲得太赫茲波的時域譜。測試溫度為20℃，濕度小于15%。通過快速傅里葉變換獲得太赫茲波脈沖的頻域譜，并且以金屬反射鏡作為參照，可以獲得太赫茲波的反射譜，再使用公式A(ω)=1-R(ω)計算得到吸收率，如圖7 所示?？梢钥闯觯抡嫖展庾V與實驗測試結(jié)果都有明顯的吸收帶寬，吸收率都較高，而實驗測試中吸收率光譜在1.28THz 處出現(xiàn)一個波谷，則是由測試儀器的誤差導(dǎo)致。因此，總體來說，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，此方法制作太赫茲超材料寬帶吸收器是可行的。但測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比其吸收光譜有藍移，且吸收帶寬稍小于仿真波譜，這些誤差可能由如下原因?qū)е拢簩嶒瀮x器測量精度有限；所制作的超材料陣列圓盤結(jié)構(gòu)尺寸小于仿真參數(shù)。

圖7 太赫茲超材料吸收率的測試結(jié)果

對不同角度? 進行測試，測試數(shù)據(jù)如圖8 所示，可以看出，在1.06THz 之前，吸收光譜隨著? 角的變化幾乎不發(fā)生變化，這與預(yù)測結(jié)果相一致，且測試數(shù)據(jù)與圖4 中的仿真數(shù)據(jù)吻合得較好。但測試數(shù)據(jù)在1.06THz 之后（圖8灰色方框內(nèi)）發(fā)生明顯的震蕩，且這種震蕩是意料之外的，與實驗數(shù)據(jù)發(fā)生了較大的差別。綜上，可以證明，此THz-TDS 測試系統(tǒng)對此吸收器來說，其能較為精確的測量數(shù)據(jù)范圍為0.2THz～1.06THz，1.06THz 之后數(shù)據(jù)發(fā)生較為嚴重的震蕩，不構(gòu)成參考。

圖8 同極化角度下實驗的吸收光譜

綜上分析，文中所設(shè)計的太赫茲超材料吸收器可以在0.46THz～1.07THz 頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)90%以上的吸收率，其對應(yīng)的相對吸收帶寬為79.74%。且對入射波極化角度不敏感，能在0°～60°的斜入射角度下工作。

3 結(jié)束語

本文通過使用低于趨膚深度的金屬鉑來替代傳統(tǒng)超材料中厚度均大于對應(yīng)趨膚深度的金屬，得到了寬頻帶太赫茲吸收器，90%的相對吸收帶寬為79.74%。這種寬帶吸收性能是由超材料陣列的電偶極子諧振和F-P 諧振吸收峰疊加而成的，低于趨膚深度的金屬鉑有高損耗特性，可以增加吸收帶寬，因此用金屬鉑圓盤超材料設(shè)計的吸收器僅由兩個吸收峰疊加就可以得到很寬范圍內(nèi)的高吸收。