| 标题 | 宽频带超材料吸波器的研究进展 |
| 范文 | 胡丹 王可心 张洁 摘 要：基于超材料的完美吸波器具有广阔的应用前景，如电磁隐身、热成像、折射率传感器等。但由于金属或介质亚波长结构的共振特性，具有窄吸收带的吸波器阻碍它们在有宽带需求方面的应用，如军事隐身、光子探测、能量收集等。本文以宽频带吸波器为研究对象，着重介绍目前基于超材料宽频带吸波器的国内外研究进展。 关键词：超材料；吸波器；宽频带 绪论 超材料是由人造的亚波长共振单元所构成的电磁材料，它具有自然材料所不具备的新奇电磁特性，其应用领域包括高折射率、负折射率、超强透射、隐形斗篷等。超材料的一个重要应用就是完美吸收超材料吸波器，由于其在军事和民用方面都有着良好的应用前景，长期以来引起世界各国科研工作者的极大兴趣。完美吸收超材料吸波器最早是由美国的Landy等人在2008年首次提出并实验验证的。随着器件加工工艺水平的不断提高，完美吸收超材料吸波器也从最初的微波波段逐步扩展到太赫兹、红外、可见光等波段。器件的设计也从最初的单频带逐渐延伸到双频带、多频带和宽频带。由于宽频带吸波器在电磁隐身、电阳能电池、热成像等领域有着巨大的潜在应用，因此本文着重介绍了宽频带超材料吸波器的国内外研究进展。 宽频带超材料吸波器的国内外研究进展 2. 亚波长金属结构阵列 目前，利用亚波长金属结构阵列来设计宽频带超材料吸波器的方法主要有三种，一种是平面内设计，即在同一个平面内周期性排列相同的结构单元，每个结构单元均由金属结构相似，几何尺寸不同的多个结构所构成来实现宽频带吸收。例如，2011年，Cui等人用四个不同宽度的光栅结构组成吸波单元，通过调节结构尺寸使四个吸收峰叠加，最终产生约3微米宽的红外吸波器。[1]第二种，利用双层或多层亚波长金属结构与介质层纵向交替叠加实现宽频带吸收。这种结构可以通过调谐介质层的厚度或亚波长金属结构的结构参数来实现宽频带吸收。例如，Ding等人提出一种金子塔式宽频带微波吸波器，该结构产生多个共振吸收峰，这些吸收峰连接在一起，形成宽频带吸收。理论和实验结果表明，频率范围在7.8-14.7GHz内可实现不低于90%的吸收率，而且斜入射角度在小于60度的范围内，依然可以實现高吸收率。[2]第三种，利用单层过渡金属亚波长结构或多层过渡金属膜的堆栈实现宽频带吸收。例如，Hu等人利用过渡金属铬这种材料设计宽频带太赫兹吸波器，一个圆形闭合环共振器就可以实现宽频带吸收。[3]理论计算结果显示，频率范围在1.00-2.43THz内可实现不低于90%的吸收率，并且在斜入射条件下依然可以实现良好的吸收。[3]Ding等人提出了一种无光刻、宽频带光吸波器，该吸波器是由多层金属膜与介质交替叠加所构成。理论和实验结果表明，在整个可见光范围内皆能实现高于90%的吸收率。[4] 2. 基于掺杂半导体材料的亚波长结构阵列 基于掺杂半导体的宽频带超材料吸波器与传统的基于金属结构/介质/金属宽频带吸波器不同，它仅由二维光栅和基板所构成。例如，2012年，中科院光电技术研究所的Pu等人利用单层重掺杂硅光栅结构与重掺杂硅基板所构成，他们利用零级和一级光栅衍射实现宽频带吸收。[5]随后，上海理工大学的Peng等人利用双层的掺杂硅光栅结构与掺杂硅基板所构成，该吸波器是利用空气间隙 共振模、零级和一级光栅衍射实现三个吸收峰连接在一起，从而实现宽频带吸收。[6]理论和实验结果表明，0.59-2.58THz频率范围内吸收率在95%以上。[6] 2.3 基于石墨烯亚波长结构阵列 石墨烯是一种零带隙的半导体材料，具有远远超过普通半导体材料的载流子迁移率，是硅材料迁移率的100多倍，达到2×105 cm2/（V·s），还拥有良好的光传导性和优异的电输运性能和机械性能等，这些卓越性能使它成为了促进光电子学快速发展的重要半导体材料之一。 在太赫兹和红外波段，石墨烯对入射光波的响应行为极类似于金属材料对入射光波的响应行为，可以在其表面激发长程和短程表面等离子体共振，从而实现等离子体共振吸收增强。例如，2015年，国防科技大学的Zhu等人把基于化学掺杂石墨烯的带状结构放置在18微米厚的介质上表面，在介质的下表面涂上500nm的贵金属金材料。[7]理论计算结果表明，该吸波器可在中心频率为3THz处实现带宽为1.3THz的高吸收率（不低于90%）。[7]近期，厦门大学的Ye等人利用石墨烯网状结构，通过激发连续的等离子体共振实现宽频带高吸收效率，调节石墨烯的化学势能还可以动态调谐宽频带吸波器的吸收效率。[8] 3 总结 本文简单介绍了三种类型的宽频带超材料吸波器，即通过亚波长金属结构、亚波长半导体结构和亚波长石墨烯结构来实现。宽频带超材料吸波器的发展已取得了一定的研究成果，但仍存在着一些欠缺。笔者相信，不久的将来，宽频带超材料吸波器在微波、太赫兹、红外、可见光等多个领域将呈现出重要的应用价值。 参考文献： [1]Y.Cui et al，Appl.Phys.Lett.99，253101（2011）. [2]F.Ding et al，Appl.Phys.Lett.100，103506（2012）. [3]D.Hu et al，IEEE Photonics J.8，5500608（2016）. [4]F.Ding et al，Appl.Phys.Lett.106，061108（2015）. [5]M.Pu et al，Opt.Express 20，25513（2012）. [6]Y.Peng et al，Opt.Express 23，2032（2015）. [7]Z.H.Zhu et al，Appl.Phys.Express 8，015102（2014）. [8]L.Ye et al，Opt.Express 25，11223（2017）. 作者简介：胡丹（1981-），男，汉族，安徽宿州人，博士，安阳师范学院讲师，研究方向：超材料、微纳光子器件。 |
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