電磁超材料吸收器的研究進(jìn)展

劉亞斗　韓松昊

摘 要：在研究領(lǐng)域當(dāng)中，電磁超材料主要是指不具備超常電磁性質(zhì)的人工復(fù)合材料，這種材料通過對(duì)電磁波和光波的任意"裁剪"，實(shí)現(xiàn)奇特的電磁性能。本文在對(duì)電磁超材料的應(yīng)用進(jìn)行研究中，對(duì)電磁超材料吸收器的研究情況和發(fā)展方向進(jìn)行了匯總。并依托現(xiàn)階段的研究成果，對(duì)研究領(lǐng)域之中，電磁超材料多頻段太赫茲吸收器的研究進(jìn)展和可調(diào)諧電磁超材料吸收器的研究成果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電磁超材料；電磁性能；多頻段太赫茲；可調(diào)諧電磁

前言：在有效媒介理論當(dāng)中，超材料所擁有的特性可以通過有效介電常數(shù)、磁導(dǎo)率兩種數(shù)值進(jìn)行表現(xiàn)，而這兩種數(shù)值在超材料的物理尺寸當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)充分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控。電磁超材料由于具有了這一特點(diǎn)，使得其在對(duì)光波、電磁波進(jìn)行“裁剪”時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)透鏡、負(fù)折射率甚至是電磁隱身等獨(dú)特性能。這些性能的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用在研究領(lǐng)域中具有非凡意義和價(jià)值，完美諧振吸收器就是利用電磁波和電磁分量耦合所研發(fā)的重要設(shè)備。

一、多頻段太赫茲吸收器的研究進(jìn)展

（一）單帶超材料吸收器研究進(jìn)展

單帶超材料吸收器是現(xiàn)階段新型人工電磁超材料研究中的主要方向和內(nèi)容，在研究中，單帶吸收器主要由三個(gè)層級(jí)共同組成，其中，上下兩層均為金屬層，在材料應(yīng)用中，選擇金材料進(jìn)行應(yīng)用；中間層級(jí)為電介質(zhì)層，應(yīng)用材料為常見的聚酰亞胺材料、在單帶吸收器的三層結(jié)構(gòu)中，設(shè)置兩條固定距離和固定長(zhǎng)度的切割線，從而形成對(duì)整體層級(jí)結(jié)構(gòu)的切割[1]。在研究中，研究人員通過具體的切割線設(shè)計(jì)，對(duì)吸收器的層級(jí)厚度、導(dǎo)電率、電介質(zhì)介電常數(shù)以及損耗角參數(shù)進(jìn)行確定。在進(jìn)行面向三個(gè)層級(jí)的吸收器結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割線切割時(shí)，兩條切割線之間會(huì)與金屬層級(jí)之間形成一定的電諧振、磁諧振。通過仿真分析可以對(duì)電場(chǎng)方向、磁場(chǎng)方向進(jìn)行判斷，并形成坐標(biāo)軸對(duì)單帶吸收器的反射曲線進(jìn)行設(shè)定和控制。為了能夠達(dá)到最佳的吸收效率，在現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)和研究中，研究人員對(duì)吸收器的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并通過仿真軟件分析的方式，得到了吸收效果與吸收器尺寸之間的關(guān)聯(lián)。研究者認(rèn)為，吸收器的尺寸變化會(huì)對(duì)切割線的長(zhǎng)度產(chǎn)生影響。而切割線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其所產(chǎn)生的吸收效率越高，并借助紅移效應(yīng)，形成電容器。電容越高，限制越低，同時(shí)吸收越完美。

（二）雙帶超材料吸收器研究進(jìn)展

雙帶超材料吸收器的研究和設(shè)計(jì)主要利用太赫茲材料所具有的雙波段構(gòu)成特征所進(jìn)行的。在吸收器設(shè)計(jì)方面，層級(jí)同樣設(shè)定為三層，其中第一層級(jí)為方正環(huán)形結(jié)構(gòu)的金屬材料；第二層與第三層與單帶吸收器相同，為電介質(zhì)層和金屬層，分別采用聚酰亞胺材料和金材料。在進(jìn)行吸收時(shí)，吸收器內(nèi)部的太赫茲波會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，并與超材料結(jié)構(gòu)保持垂直，完成入射。這一時(shí)期，吸收器內(nèi)部的金屬電子開始移動(dòng)，出現(xiàn)電流。而由于最下層級(jí)的金屬材料影響，磁場(chǎng)的產(chǎn)生會(huì)在環(huán)路電流之間形成流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生磁諧振。在吸收原理中，通過對(duì)反射系數(shù)和透射系數(shù)的控制，使二者頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)完美吸收。吸收器材料需要通過減少反射，實(shí)現(xiàn)吸收量的增加。

（三）多頻段太赫茲吸收器的研究成果

在研究領(lǐng)域，研究人員通過對(duì)吸收器的設(shè)計(jì)，總結(jié)出了現(xiàn)階段電磁超材料的阻抗匹配特點(diǎn)。電磁超材料本身所存有的阻抗需要與自由空間存在的阻抗相互配合，從而實(shí)現(xiàn)超材料的虛部吸收器設(shè)置。而在吸收器運(yùn)行過程中，通過對(duì)反射、透射的量級(jí)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)損耗效果的降低。因此研究人員希望借助開口諧振環(huán)的方式，構(gòu)建共振結(jié)構(gòu)，提高吸收器的吸收能力。

二、可調(diào)諧電磁超材料吸收器的研究進(jìn)展

（一）可調(diào)諧電磁超材料吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可調(diào)諧電磁超材料吸收器的設(shè)計(jì)，主要是將選定的絕緣金屬相VO2薄膜層加入到超材料層和介質(zhì)層中間，在運(yùn)行中，通過VO2薄膜來對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)過程相變，控制吸收器的吸收率。通過分析可以看到，VO2薄膜層在常態(tài)之下表現(xiàn)為絕緣狀態(tài)，這一時(shí)期薄膜層的主要作用與介質(zhì)層相同。研究人員通過對(duì)自由空間阻抗匹配的計(jì)算，獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸參數(shù)，從而選定電磁波完美吸收的固定頻段。在受到外場(chǎng)的刺激后，VO2薄膜層會(huì)出現(xiàn)相變，并由傳統(tǒng)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧酄顟B(tài)，在轉(zhuǎn)變過程中，原本設(shè)定的阻抗條件遭到破壞，電磁波出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射現(xiàn)象，使得吸收率降低。而當(dāng)VO2薄膜轉(zhuǎn)變會(huì)絕緣狀態(tài)后，吸收器的吸收率則會(huì)得到恢復(fù)。

（二）可調(diào)諧電磁超材料吸收器的仿真制備

在進(jìn)行了超材料吸收器的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)分析后，依據(jù)相關(guān)的參數(shù)特征和吸收原理，研究人員利用選定的仿真軟件進(jìn)行了吸收器仿真制備工作。本文在進(jìn)行研究分析時(shí)，主要通過autoCAD軟件，對(duì)選定的吸收器參數(shù)進(jìn)行了掩膜版設(shè)計(jì)，在掩膜版的圖案設(shè)計(jì)和透光性設(shè)計(jì)方面，依托現(xiàn)階段一線研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果進(jìn)行了充分調(diào)整，并依托某光學(xué)機(jī)械研究所的研究成果，選用si/pt片進(jìn)行薄膜的制備，使薄膜厚度達(dá)到參數(shù)設(shè)定要求的2μm標(biāo)準(zhǔn)，作為層級(jí)的加入將其放置在介質(zhì)層和金屬層之間[2]。在相變薄膜的制備方面，本文主要采用射頻磁控技術(shù)進(jìn)行濺射，將金屬釩靶材在薄膜上進(jìn)行沉積，使之形成一定厚度的二氧化釩相變薄膜，控制濺射溫度，完成制備。最后進(jìn)行仿真制備的是吸收器當(dāng)中的超材料人工結(jié)構(gòu)，針對(duì)已經(jīng)完成制備的薄膜，通過磁控濺射的方式，在相變薄膜之上進(jìn)行繼續(xù)沉積，沉積厚度需要控制在100nm以內(nèi)，形成Au層，再利用光刻工藝對(duì)其進(jìn)行刻蝕，使其具有周期陣列，完成吸收器材料的制備。

結(jié)論：綜上所述，隨著技術(shù)手段和研究方向的發(fā)展和前行，當(dāng)前階段研究領(lǐng)域針對(duì)電磁超材料吸收器的研究也取得了巨大的突破。在研究領(lǐng)域，多頻段太赫茲吸收器技術(shù)和可調(diào)諧電磁超材料吸收器技術(shù)是目前技術(shù)領(lǐng)域重要的研究成果，在具體的應(yīng)用中表現(xiàn)出不凡的實(shí)踐價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚建銓，梁蘭菊. 多層電磁超材料在太赫茲技術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 棗莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30（05）：1-11.

[2]程偉，李九生，胡建榮. 基于磁性介質(zhì)棒的可調(diào)太赫茲波吸收器研究[J]. 電子元件與材料，2013，32（05）：42-44+55.