王連勝，汪 源，宋書建

（海南大學(xué)三亞學(xué)院 電子工程系，海南 三亞 572022）

可調(diào)諧負(fù)磁導(dǎo)率材料研究進(jìn)展

王連勝，汪 源，宋書建

（海南大學(xué)三亞學(xué)院 電子工程系，海南 三亞 572022）

從三個(gè)方面對目前的負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率和諧振強(qiáng)度的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了總結(jié)：1）改變組成材料的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)其諧振頻率的可調(diào)；2）在SRR開口縫和內(nèi)外環(huán)之間加載電容器實(shí)現(xiàn)諧振頻率的可調(diào)；3）電激勵(lì)或光照調(diào)節(jié)基底介質(zhì)的介電性質(zhì)實(shí)現(xiàn)諧振幅度的調(diào)節(jié).展望微波段及未來紅外和可見光波段可調(diào)諧負(fù)磁導(dǎo)率材料的研究將極大推動(dòng)智能化左手材料的實(shí)現(xiàn).

負(fù)磁導(dǎo)率材料；諧振頻率；諧振強(qiáng)度

左手材料是通過組合大量次波長散射單元而組成的周期性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料.假如左手材料單元的不均勻尺度遠(yuǎn)小于波長，在電磁波的作用下左手材料結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用可以用宏觀量—介電常數(shù)ε，磁導(dǎo)率μ來描述［1］.仔細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元，這種材料能夠表現(xiàn)出自然界材料所不存在的電磁行為—介電常數(shù)ε，磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù).1968年前蘇聯(lián)物理學(xué)家V.G.Veselag首次從理論上提出磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)的材料［2］稱為左手材料，由于在自然界中并未觀察到這種物質(zhì)的存在，而且沒有找到實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料的方法，左手材料在其概念提出以后幾十年間一直因無法驗(yàn)證而成為一種假說.1999年P(guān)endry J B提出以周期排列的金屬開口環(huán)諧振器（SRR：Split-Ring Resonator）構(gòu)造等效磁導(dǎo)率為負(fù)值的介質(zhì)的方法—引起了左手材料的研究熱潮［3］.2001年美國加州大學(xué)San Diego分校的Smith D R等人將SRR陳列和金屬桿陳列結(jié)合起來，使得介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在某個(gè)頻段同時(shí)為負(fù)值，并在《science》雜志上發(fā)表了著名的棱鏡實(shí)驗(yàn)文章，首次通過實(shí)驗(yàn)觀察負(fù)折射效應(yīng)證明了左手材料的存在［4］.由于左手材料有自然材料所不存在的成像和散射特性并可以突破衍射極限的限制［5］，這使得左手材料在成像中有極大的應(yīng)用［6-7］；左手材料另外一個(gè)重要的應(yīng)用是傾斜率介質(zhì)［8］，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)任意一點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以通過調(diào)整每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的散射特性來改變［9-10］.最近，左手材料的主要應(yīng)用是在一定的頻段內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)“隱身”［11］.

傳統(tǒng)方法制作的SRR的性質(zhì)都是固定的，因此限制了它的應(yīng)用.通過各種途徑實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率和諧振強(qiáng)度的可調(diào)性問題顯得越來越重要.文獻(xiàn)[12]和[13]從SRR和基底兩方面出發(fā)實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率和諧振強(qiáng)度的可調(diào).本文擬就負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率及諧振強(qiáng)度的調(diào)節(jié)方法做一詳細(xì)敘述.

1 負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率的調(diào)節(jié)方法

1.1 改變內(nèi)嵌介質(zhì)或基底介質(zhì)的介電常數(shù)

負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率受內(nèi)嵌介質(zhì)的介電常數(shù)的影響比較大，通過改變內(nèi)嵌介質(zhì)的介電常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率的可調(diào).Qian，Zhao［12］等以此為出發(fā)點(diǎn)利用液晶實(shí)現(xiàn)了其諧振頻率的可調(diào).液晶在外電場的作用下其光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯的變化的性質(zhì)使其廣泛應(yīng)用于光頻段內(nèi)的可調(diào)諧光子晶體和毫米波段的相移器，因此液晶可以用來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)磁導(dǎo)率材料的諧振頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)其電磁行為.作者將SRR陣列放置在充滿液晶的由特氟龍材料制成的容器盒中，其中兩個(gè)氧化銦錫電極連接到外加電源上，用來對液晶施加電場.整個(gè)容器盒放在兩個(gè)波導(dǎo)口之間進(jìn)行透射測量.在外加電場的作用下液晶的有效介電常數(shù)增加導(dǎo)致諧振頻率往低頻發(fā)生了移動(dòng).

液晶的恢復(fù)性比較好，可以用來實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率的實(shí)時(shí)調(diào)控，但同時(shí)由于液晶在電場作用下介電常數(shù)變換非常少，所以諧振頻率調(diào)節(jié)的幅度在MHz數(shù)量級(jí)，幅度不大.

香港科技大學(xué)的Bo Hou［13］等利用電流變液實(shí)現(xiàn)了PBG材料諧振頻率的可調(diào)性.眾所周知電流變液在外加電場的作用下會(huì)從流體變?yōu)楣腆w，液體中的顆粒也會(huì)在電場的作用下排列成柱狀結(jié)構(gòu)，因此電流變液可調(diào)的流變性質(zhì)可用來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧PBG材料和左手材料.

上述方法是通過改變內(nèi)嵌介質(zhì)的介電常數(shù)調(diào)節(jié)SRR的諧振頻率，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧負(fù)磁導(dǎo)率材料，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)節(jié)的范圍很小并且單位距離上施加的電壓較大，不宜在實(shí)際中獲得較大應(yīng)用.

Sheng Zhongyan［14］通過理論分析表明改變SRR基底介質(zhì)的介電常數(shù)也可以調(diào)節(jié)其諧振頻率.隨著基底介質(zhì)介電常數(shù)的增加，SRR的諧振頻率逐漸往低頻發(fā)生移動(dòng)，但是到目前為止還沒見到實(shí)驗(yàn)方面的報(bào)道.

1.2施加可調(diào)磁場改變負(fù)磁導(dǎo)率材料的諧振頻率

Zhao Hongjie［15］以釔鐵石榴石為負(fù)磁導(dǎo)率材料，以金屬桿為負(fù)介電材料，通過對其施加外磁場實(shí)現(xiàn)了諧振頻率和左手通帶可調(diào)的負(fù)磁導(dǎo)率材料以及左手材料.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)明在不同外加磁場下，負(fù)磁導(dǎo)率材料釔鐵石榴石的諧振頻率以及由釔鐵石榴石和金屬桿組成的左手材料的左手通帶發(fā)生了明顯的移動(dòng)，雖然釔鐵石榴石可以用來實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料，但由于其微波損耗比較大，實(shí)現(xiàn)較困難，作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由釔鐵石榴石和金屬桿組成的左手材料的左手通帶峰值只有-40 dB，也說明了這一點(diǎn).

1.3 在SRR的開口縫和內(nèi)外環(huán)之間加載電容器

SRR是由兩個(gè)同心的開口金屬環(huán)組成，SRR在入射電磁波的作用下可以等效成一個(gè)LC電路.當(dāng)諧磁場垂直于SRR時(shí)，SRR內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而引入了電感，而電容C則主要來源于兩個(gè)方面：一方面來源于內(nèi)外環(huán)之間產(chǎn)生的電容，另一方面來源于SRR開口縫處產(chǎn)生的電容，其中SRR開口縫處的電容阻止了感應(yīng)電流在單個(gè)環(huán)內(nèi)的流動(dòng)，而內(nèi)外環(huán)之間的電容則使得感應(yīng)電流在整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng).因此通過改變SRR諧振器的電容和電感可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率的可調(diào).Gil I，Aydin K和Ilya V.Shadrivov分別利用電容器和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)了諧振頻率可調(diào)的負(fù)磁導(dǎo)率材料［16-18］.

1.3.1 在內(nèi)外環(huán)之間加載變?nèi)荻O管

在Gil I［16］的研究中，作者在SRR的內(nèi)外環(huán)之間加載了一個(gè)變?nèi)荻O管，并利用這種可控的VLSRR（Varactor-loaded split ring resonator）構(gòu)造了一種窄頻的濾波器（見圖1）.

對這種窄頻濾波器器件進(jìn)行傳輸測量，在不同的二極管偏壓下，器件的禁帶位置往高頻發(fā)生了移動(dòng).由于這種VLSRR的尺寸較小并且可控性較好，它將在微波工程中發(fā)揮重要的應(yīng)用.

1.3.2 在外環(huán)的開口縫間加載變?nèi)荻O管

在Ilya V.Shadrivov［17］的研究中，作者在SRR的外環(huán)開口縫處加載一個(gè)變?nèi)荻O管，這種方法與上述Gil I的方法有顯著的區(qū)別，Gil I是通過改變環(huán)間的電容以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)之間的邊緣偶合進(jìn)而調(diào)節(jié)其諧振頻率，而此方法則是通過改變開口縫處的電容實(shí)現(xiàn)諧振頻率的可調(diào).通過對二極管施加不同的電壓改變電容器的容值，SRR的諧振頻率發(fā)生了明顯的變化.通過提高材料的性能、二極管的摻雜比以及二極管與SRR之間更高的集成性可以實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié).

1.3.3 在內(nèi)外環(huán)之間、外環(huán)開口縫處和內(nèi)環(huán)開口縫處加載電容

在Aydin K［18］的研究中，作者將不同電容值的電容器放置在3個(gè)不同的電容區(qū)域內(nèi)：1）內(nèi)外環(huán)之間的縫隙間；2）外環(huán)的開口縫間；3）內(nèi)環(huán)的開口縫間.測量結(jié)果表明內(nèi)外環(huán)之間、外環(huán)開口縫和內(nèi)環(huán)開口處電容值的改變影響到了整個(gè)結(jié)構(gòu)的電容值，隨著電容值的增加，SRR的諧振頻率逐漸往低頻發(fā)生移動(dòng).

由此可見，在SRR中加載電容器可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率的可調(diào)，進(jìn)一步可以調(diào)節(jié)其負(fù)折射率范圍和有效參數(shù).此方法恢復(fù)性很好，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，此方法也可以用于更高頻段的可調(diào)諧負(fù)磁導(dǎo)率材料中.

2 負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振強(qiáng)度的調(diào)節(jié)

2.1 電光調(diào)節(jié)基底的介電性質(zhì)

SRR的諧振強(qiáng)度強(qiáng)烈依靠開口縫之間的電導(dǎo)率，在完全絕緣的情況下，SRR的諧振強(qiáng)度最強(qiáng)；而當(dāng)開口縫之間完全導(dǎo)電時(shí)SRR的諧振將完全消失.因此通過選擇適當(dāng)?shù)幕撞牧匣蛘咴陂_口縫之間加載電導(dǎo)率可調(diào)的材料將可實(shí)現(xiàn)SRR諧振強(qiáng)度的可調(diào).文獻(xiàn)[19]和[20]報(bào)道了利用半導(dǎo)體材料通過電激勵(lì)和光照實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率處諧振強(qiáng)度的可調(diào).

文獻(xiàn)[19]利用肖特基二極管的工作原理，選擇砷化鎵半導(dǎo)體作基底介質(zhì)同時(shí)也作為肖特基二極管的歐姆電極，而肖特基電極則是刻蝕在基底材料上的金SRR陣列.通過在歐姆電極和肖特基電極之間施加不同的電壓就可以調(diào)節(jié)開口縫處基底材料的電導(dǎo)率進(jìn)而調(diào)節(jié)SRR陣列諧振頻率處（THz）的諧振強(qiáng)度.作者對此SRR陣列進(jìn)行THz頻段的透射測量，測量結(jié)果表明在不同的偏壓下，SRR陣列的諧振強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化，因此此SRR陣列可應(yīng)用于THz頻段內(nèi)的電磁波調(diào)節(jié)器.

此調(diào)節(jié)器較以前THz頻段的電磁調(diào)節(jié)器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）調(diào)節(jié)范圍比較高，可達(dá)50％.2）克服了以往THz調(diào)節(jié)器需要低溫環(huán)境的缺點(diǎn).3）實(shí)現(xiàn)方法簡單，并且施加的電壓較小，適宜在實(shí)際中較大范圍內(nèi)應(yīng)用.

在Padilla WJ［20］的研究中，同樣使用砷化鎵半導(dǎo)體做基底介質(zhì)，通過對其進(jìn)行光照，激發(fā)砷化鎵基底介質(zhì)中自由電子數(shù)的增加，進(jìn)而同樣實(shí)現(xiàn)了THz頻段內(nèi)SRR諧振強(qiáng)度的可調(diào).

2.2 光照調(diào)節(jié)SRR開口縫之間的電導(dǎo)率

Smith D R［21］實(shí)現(xiàn)SRR諧振頻率處諧振強(qiáng)度可調(diào)的方法與上述方法不同，在SRR的開口縫處放置了一個(gè)0.2mm×0.2mm的硅片.通過激光照射硅片可以調(diào)節(jié)SRR開口縫處硅片的電導(dǎo)率從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)SRR諧振強(qiáng)度的目的.

對硅片進(jìn)行激光照射將會(huì)改變硅片的電導(dǎo)率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SRR諧振強(qiáng)度的可調(diào)，不同強(qiáng)度激光照射下SRR諧振頻率處的諧振強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化.此方法實(shí)現(xiàn)簡單并且可控性較好，但是構(gòu)造的SRR諧振強(qiáng)度及調(diào)節(jié)幅度都很小，當(dāng)激光強(qiáng)度在0.00～4.35mW之間變化時(shí)，諧振強(qiáng)度只發(fā)生了1.5dB的變化.

3 展望

1）可調(diào)諧紅外波段左手材料：紅外波段磁響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于生物安全成像、生物分子指紋識(shí)別、遙感、可視度極低的天氣條件下的導(dǎo)航、微型諧振腔、可調(diào)諧透鏡、隔離器等參考.但以前可調(diào)諧左手材料的研究主要集中在微波和THz波段，研究可調(diào)諧紅外波段左手材料將具有更廣泛的應(yīng)用前景.

2）可調(diào)諧可見光波段左手材料：利用左手材料能突破衍射極限的原理，可制成超靈敏單分子探測器，用來探測微量污染、極微量危險(xiǎn)性生物化學(xué)藥劑、以及血液中表征早期疾病的蛋白質(zhì)分子和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域診斷成像等.利用其負(fù)折射和倏逝波放大特性，可以用以制做集成光路里的引導(dǎo)元件，有望制作出分辨率比常規(guī)光學(xué)透鏡高幾百倍的扁平光學(xué)透鏡，左手材料也有望解決高密度近場光存儲(chǔ)遇到的光學(xué)分辨率極限問題，可能制作出存儲(chǔ)容量比現(xiàn)有DVD高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的新型光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng).因此研究可調(diào)諧可見光波段左手材料將對微量污染、極微量危險(xiǎn)性生物化學(xué)藥劑、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域診斷成像以及新型光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)等產(chǎn)生革命性的影響.

3）可調(diào)諧增強(qiáng)性天線：右手材料的衰減場進(jìn)入左手材料后就會(huì)變成增強(qiáng)場，以指數(shù)級(jí)數(shù)衰減的倏逝波進(jìn)入左手材料中將變?yōu)橹笖?shù)增強(qiáng)場，相當(dāng)于對倏逝波進(jìn)行了放大.可以利用其對倏逝波的放大效應(yīng)，將較弱的電磁波信號(hào)放大，進(jìn)而增強(qiáng)天線的靈敏度，改善天線的性能.但由于左手材料的頻段比較窄，天線的增強(qiáng)頻段將十分有限，將可調(diào)諧左手材料應(yīng)用于寬頻段增強(qiáng)性天線中將是未來的發(fā)展趨勢.

4 結(jié)語

負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率和諧振強(qiáng)度的可調(diào)性問題是目前左手材料研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，雖然它的研究目前還處于初級(jí)階段，還有很多的應(yīng)用工作需要深入，但它獨(dú)特的性質(zhì)在新型材料器件中有著巨大的應(yīng)用潛力.

［1］Schurig D，SMith D R.Sub-diffraction imaging With compensating bilayers[J].NeWJ Phys，2005，7：162.

［2］Veselago V G.The electrodynaMics of substances With simultaneously negative values of ε and μ[J].Sov Phys Usp，1968，10，4：509-514.

［3］Pendry J B，Holden A J，Robbins D J，et al.MagnetisMfroMconductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech，1999，47（11）：2075-2084.

［4］Smith D R，Padilla WJ，Vier D C，et al.Composite mediuMWith simultaneously negative permeability and permittivity[J].Phys Rev Lett，2000，84，18：4184-4187.

［5］SMith D R，Pendry J B，Wiltshire MC K.Metamaterials and negative refractive index[J].Science，2004，305：788-792.

［6］SMith D R，Schurig D，Mock J J，et al.Partial focusing of radiation by a slab of indefinite media[J].Appl Phys Lett，2004，84：2244-2246.

［7］Degiron A，SMith D R，Mock J J，et al.Negative Index and Indefinite Media Waveguide Couplers[J].Appl.Phys A，2007，87（2）：205.

［8］SMith D R，Mock J J，Starr A F，et al.Gradient index metamaterials[J].Phys Rev E，2005，71：36609.

［9］Greegor R B，Parazzoli C G，N ielsen J A，et al.Simulation and testing of a graded negative index of refraction lens[J]. Appl Phys Lett，2005，87：91114.

［10］Driscoll T，Basov D N，Starr A F，et al.Free-space Microwave focusing by a negative-index gradient lens[J]. Appl Phys Lett，2006，88：81101.

［11］Schurig D，Mock J J，Justice B J，et al.Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies[J]. Science，2006，314：977-980.

［12］Zhao Q，Kang L，Du B，et al.Electrically tunable negative permeability metamaterials based on nematic liquid crystal[J].Appl Phys Lett，2007，90：11112.

［13］Hou B，Xu G，Hon K W，et al.Tuning of photonic bandgaps by a field-induced structural change of fractal metamaterials[J].Optics Express，2005，13（23）：9149-9154

［14］Sheng Z Y，Varadanb V V.Tuning the effective properties of metamaterials by changing the substrate properties [J].J Appl Phys，2007，101：14909.

［15］Zhao H J，Zhou J，Zhao Q，et al.Magnetotunable lefthanded material consisting of yttriuMiron garnet slab and metallic Wires[J].Appl Phys Lett，2007，91：131107.

［16］Gil J，Garcia-Garcia J，Bonache J，et al.Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filter satMicrowave frequencies[J].Electronics Letters，2004，40（21）：1347-1348.

［17］Ilya V Shadrivov，Steven K Morrison，Yuri S Kivshar. Tunable split-ring resonators for nonlinear negative-index metamaterials[J].Optics Express，2006，14（20）：9344-9349

［18］Aydin K，Ozbay E.Capacitor-loaded split ring resonators as tunable metamaterial components[J].J Appl Phys，2007，101：24911.

［19］Chen H T，Willie J P，Joshua MO Z，et al.Active terahertz metamaterial devices[J].Nature，2006，444（30）：597-600.

［20］Padilla WJ，Taylor A J，Highstrete C，et al.Averitt.DynaMical.Electric and Magnetic Metamaterial Response at Terahertz Frequencies [J].Phys Rev Lett，2006，96：107401.

［21］Degiron A，Mock J J，SMith D R.Modulating and tuning the response of metamaterials at the unit cell level[J]. Optics Letters，2007，15（3）：1115-1127.

責(zé)任編輯：黃 瀾

The Research Progress of Tunable Negative Permeability Metamaterials

WANG Liansheng，WANG Yuan，SONG Shujian
（Sanya College，Hainan university，Sanya 572022，China）

The tunablity of resonance frequency and resonance strength of negative permeability metamaterials is a hot research probleMat present.This paper summarizes the tuning ways froMthe following aspects：（1）Changing the property of composing medium；（2）Loading capacitors in the gap region between concentric rings and in the split region of SRR；（3）Tuning the resonance strength by changing the property of the substrate using electricity and laser.The research of negative permeability metamaterials with tunable resonance frequency and resonance strength at microwave frequency nowadays and at infrared and visible frequency in the future will push the achievement of intelligent metamaterials soon.

negative permeability metamaterials；resonance frequency；resonance strength

O 441.6

A

1674-4942（2010）02-0168-04

2010-03-09