寬頻帶超材料吸波器的研究進展

胡丹 王可心 張潔

摘 要：基于超材料的完美吸波器具有廣闊的應用前景，如電磁隱身、熱成像、折射率傳感器等。但由于金屬或介質亞波長結構的共振特性，具有窄吸收帶的吸波器阻礙它們在有寬帶需求方面的應用，如軍事隱身、光子探測、能量收集等。本文以寬頻帶吸波器為研究對象，著重介紹目前基于超材料寬頻帶吸波器的國內外研究進展。

關鍵詞：超材料；吸波器；寬頻帶

緒論

超材料是由人造的亞波長共振單元所構成的電磁材料，它具有自然材料所不具備的新奇電磁特性，其應用領域包括高折射率、負折射率、超強透射、隱形斗篷等。超材料的一個重要應用就是完美吸收超材料吸波器，由于其在軍事和民用方面都有著良好的應用前景，長期以來引起世界各國科研工作者的極大興趣。完美吸收超材料吸波器最早是由美國的Landy等人在2008年首次提出并實驗驗證的。隨著器件加工工藝水平的不斷提高，完美吸收超材料吸波器也從最初的微波波段逐步擴展到太赫茲、紅外、可見光等波段。器件的設計也從最初的單頻帶逐漸延伸到雙頻帶、多頻帶和寬頻帶。由于寬頻帶吸波器在電磁隱身、電陽能電池、熱成像等領域有著巨大的潛在應用，因此本文著重介紹了寬頻帶超材料吸波器的國內外研究進展。

寬頻帶超材料吸波器的國內外研究進展

2. 亞波長金屬結構陣列

目前，利用亞波長金屬結構陣列來設計寬頻帶超材料吸波器的方法主要有三種，一種是平面內設計，即在同一個平面內周期性排列相同的結構單元，每個結構單元均由金屬結構相似，幾何尺寸不同的多個結構所構成來實現寬頻帶吸收。例如，2011年，Cui等人用四個不同寬度的光柵結構組成吸波單元，通過調節結構尺寸使四個吸收峰疊加，最終產生約3微米寬的紅外吸波器。[1]第二種，利用雙層或多層亞波長金屬結構與介質層縱向交替疊加實現寬頻帶吸收。這種結構可以通過調諧介質層的厚度或亞波長金屬結構的結構參數來實現寬頻帶吸收。例如，Ding等人提出一種金子塔式寬頻帶微波吸波器，該結構產生多個共振吸收峰，這些吸收峰連接在一起，形成寬頻帶吸收。理論和實驗結果表明，頻率范圍在7.8-14.7GHz內可實現不低于90%的吸收率，而且斜入射角度在小于60度的范圍內，依然可以實現高吸收率。[2]第三種，利用單層過渡金屬亞波長結構或多層過渡金屬膜的堆棧實現寬頻帶吸收。例如，Hu等人利用過渡金屬鉻這種材料設計寬頻帶太赫茲吸波器，一個圓形閉合環共振器就可以實現寬頻帶吸收。[3]理論計算結果顯示，頻率范圍在1.00-2.43THz內可實現不低于90%的吸收率，并且在斜入射條件下依然可以實現良好的吸收。[3]Ding等人提出了一種無光刻、寬頻帶光吸波器，該吸波器是由多層金屬膜與介質交替疊加所構成。理論和實驗結果表明，在整個可見光范圍內皆能實現高于90%的吸收率。[4]

2. 基于摻雜半導體材料的亞波長結構陣列

基于摻雜半導體的寬頻帶超材料吸波器與傳統的基于金屬結構/介質/金屬寬頻帶吸波器不同，它僅由二維光柵和基板所構成。例如，2012年，中科院光電技術研究所的Pu等人利用單層重摻雜硅光柵結構與重摻雜硅基板所構成，他們利用零級和一級光柵衍射實現寬頻帶吸收。[5]隨后，上海理工大學的Peng等人利用雙層的摻雜硅光柵結構與摻雜硅基板所構成，該吸波器是利用空氣間隙 共振模、零級和一級光柵衍射實現三個吸收峰連接在一起，從而實現寬頻帶吸收。[6]理論和實驗結果表明，0.59-2.58THz頻率范圍內吸收率在95%以上。[6]

2.3 基于石墨烯亞波長結構陣列

石墨烯是一種零帶隙的半導體材料，具有遠遠超過普通半導體材料的載流子遷移率，是硅材料遷移率的100多倍，達到2×105 cm2/（V·s），還擁有良好的光傳導性和優異的電輸運性能和機械性能等，這些卓越性能使它成為了促進光電子學快速發展的重要半導體材料之一。

在太赫茲和紅外波段，石墨烯對入射光波的響應行為極類似于金屬材料對入射光波的響應行為，可以在其表面激發長程和短程表面等離子體共振，從而實現等離子體共振吸收增強。例如，2015年，國防科技大學的Zhu等人把基于化學摻雜石墨烯的帶狀結構放置在18微米厚的介質上表面，在介質的下表面涂上500nm的貴金屬金材料。[7]理論計算結果表明，該吸波器可在中心頻率為3THz處實現帶寬為1.3THz的高吸收率（不低于90%）。[7]近期，廈門大學的Ye等人利用石墨烯網狀結構，通過激發連續的等離子體共振實現寬頻帶高吸收效率，調節石墨烯的化學勢能還可以動態調諧寬頻帶吸波器的吸收效率。[8]

3 總結

本文簡單介紹了三種類型的寬頻帶超材料吸波器，即通過亞波長金屬結構、亞波長半導體結構和亞波長石墨烯結構來實現。寬頻帶超材料吸波器的發展已取得了一定的研究成果，但仍存在著一些欠缺。筆者相信，不久的將來，寬頻帶超材料吸波器在微波、太赫茲、紅外、可見光等多個領域將呈現出重要的應用價值。

參考文獻：

[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）.

作者簡介：胡丹（1981-），男，漢族，安徽宿州人，博士，安陽師范學院講師，研究方向：超材料、微納光子器件。