潘學(xué)聰，姚澤瀚，徐新龍，*，汪 力

（1.中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所光電技術(shù)與功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西西安710069）

太赫茲波段超材料的制作、設(shè)計(jì)及應(yīng)用

潘學(xué)聰1，姚澤瀚2，徐新龍1，2*，汪 力1

（1.中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所光電技術(shù)與功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西西安710069）

本文從制作方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇幾方面綜述了超材料在太赫茲波段的電磁響應(yīng)特性和潛在應(yīng)用。首先，介紹了獲得不同維度、具有特異電磁響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)可調(diào)超材料的各種微加工制作方法，進(jìn)而分析和討論了超材料的電磁響應(yīng)特性。文中指出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以控制超材料的電磁響應(yīng)特性，如各向異性、雙各向異性、偏振調(diào)制、多頻響應(yīng)、寬帶響應(yīng)、不對(duì)稱透射、旋光性和超吸收等。超材料的電磁響應(yīng)依賴于周圍微環(huán)境的介電性質(zhì)，因而可用于制作對(duì)環(huán)境敏感的傳感器件。此外，電光、磁光、相變、溫度敏感等功能材料的引入可以獲得光場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度等主動(dòng)控制的太赫茲功能器件。最后，簡(jiǎn)單介紹了超材料在太赫茲波段進(jìn)一步發(fā)展所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

超材料；太赫茲技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；調(diào)制；偏振

1 引 言

通過(guò)對(duì)自然材料的裁剪、加工和設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子、光子以及其他一些元激發(fā)準(zhǔn)粒子的人為調(diào)控，一直是光電科學(xué)研究的重點(diǎn)。超材料（metamaterials），也被稱為特異性材料，正是在這樣的背景下提出來(lái)的。在廣義上，超材料是一種人工設(shè)計(jì)加工的復(fù)合材料，該材料特異的物理性質(zhì)不僅取決于組成材料的本征性質(zhì)，還要由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)決定［1］，而且這些奇特的物理性質(zhì)，往往不能通過(guò)現(xiàn)有自然材料的本征物理性質(zhì)獲得。例如目前電磁超材料具有負(fù)折射率、旋光性、類雙折射、類電磁感應(yīng)透明（EIT，也被稱為超材料誘導(dǎo)透明）、不對(duì)稱透射、超吸收等奇特的物理性質(zhì)，這些奇特的電磁性質(zhì)與亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)和單元排列方式密切相關(guān)。超材料的研究遵循“結(jié)構(gòu)-組分-功能”的三角關(guān)系，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和尺寸的調(diào)整來(lái)獲得不同波段、不同物理性質(zhì)的響應(yīng)特性;也可以通過(guò)對(duì)單元格以及基底材料組分的選擇，實(shí)現(xiàn)特定的被動(dòng)式及主動(dòng)式的光電功能。隨著微納加工工藝的日益簡(jiǎn)化和普及，超材料的相關(guān)研究覆蓋了從微波到可見光波段，吸引了越來(lái)越多的科研工作者。

太赫茲（THz）輻射的頻率為0.1～10 THz，在電磁波譜中位于微波與紅外之間，處于電子學(xué)到光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域［2］。有效的THz源和探測(cè)器的缺乏導(dǎo)致了THz技術(shù)的研究相對(duì)于其他波段要落后得多，曾被稱為THz空隙（THz gap）［3-4］。而基于超快激光的THz時(shí)域光譜技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了THz技術(shù)的快速發(fā)展。THz輻射的光子能量很低，不會(huì)對(duì)被測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生損傷，可進(jìn)行無(wú)損探測(cè);對(duì)大多數(shù)介電物質(zhì)是透明的，可進(jìn)行透射成像;能夠同時(shí)測(cè)量THz電場(chǎng)的振幅和相位，從而進(jìn)一步直接獲得樣品的復(fù)折射率［5］、復(fù)介電常數(shù)以及復(fù)電導(dǎo)率，并可以實(shí)現(xiàn)飛秒時(shí)間分辨的動(dòng)力學(xué)分析;很多凝聚態(tài)體系的聲子和其他元激發(fā)，以及許多生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)都處于THz波段，因而，可以通過(guò)特征共振對(duì)物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)和指紋分辨。

但是，目前THz波段的功能器件相對(duì)較少，限制了THz技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。超材料能夠?qū)Hz波的振幅、相位、偏振以及傳播實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制，從而提供了一種實(shí)現(xiàn)THz功能器件的有效途徑。另一方面，THz時(shí)域光譜技術(shù)能夠同時(shí)探測(cè)電場(chǎng)的振幅和相位，能夠更加全面地測(cè)量超材料的電磁響應(yīng)特性，因此，THz技術(shù)和超材料的發(fā)展是相輔相成的。

超材料最初提出是為了實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率，通過(guò)基于開口環(huán)諧振器（SRRs）的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以獲得負(fù)介電常數(shù)［6］和負(fù)磁導(dǎo)率［7］。隨著研究的深入，超材料單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來(lái)越多樣化，更多的響應(yīng)特性及關(guān)聯(lián)參數(shù)逐漸被發(fā)現(xiàn)，如基本組成材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響［8-11］以及傳感器的實(shí)現(xiàn)［12-15］;各向異性超材料的偏振依賴性及其對(duì)電磁波振幅、相位和偏振態(tài)的調(diào)制，偏振元件的實(shí)現(xiàn)［16］;本征半導(dǎo)體［17-22］、摻雜半導(dǎo)體［23-24］、超導(dǎo)材料［25］、絕緣體-金屬相變材料［26-27］、熱敏材料［28］和鐵電材料［29-30］的引入而實(shí)現(xiàn)的光開關(guān)、調(diào)制器;不同結(jié)構(gòu)的組合或者多層結(jié)構(gòu)超材料實(shí)現(xiàn)的雙頻、多頻和寬頻共振響應(yīng)［31-37］，吸收體［38-40］，以及類EIT現(xiàn)象［41-44］的發(fā)現(xiàn);制作工藝提高實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械調(diào)制的可重構(gòu)超材料［45-47］等。這些都顯示了超材料實(shí)現(xiàn)THz波控制和THz功能器件的巨大潛力。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于THz波段超材料的綜述多數(shù)側(cè)重于超材料在實(shí)現(xiàn)THz波段可調(diào)功能器件中的應(yīng)用［48-51］，特別是可調(diào)THz功能器件的實(shí)現(xiàn)以及基本的電磁響應(yīng)特性和負(fù)折射率性質(zhì)［52］。本文從制作工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇幾個(gè)方面對(duì)超材料的基本性質(zhì)和潛在應(yīng)用的最新發(fā)展進(jìn)行了綜述，并進(jìn)一步展現(xiàn)超材料的設(shè)計(jì)和加工與其功能實(shí)現(xiàn)之間的依賴關(guān)系，期望能夠促進(jìn)基于超材料的THz功能器件的研究。

2 制作方法

微納加工技術(shù)的發(fā)展為超材料的制備提供了便利，也進(jìn)一步促進(jìn)了超材料的發(fā)展，可以加深對(duì)超材料電磁響應(yīng)特性的理解。圖1給出了幾種THz波段超材料的加工方法及其制作流程。這里的光刻技術(shù)（lithography）包含了廣義的光刻加工工藝，如薄膜沉積、金屬結(jié)構(gòu)和非金屬結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)等。多次曝光光刻工藝可以制作三維超材料，而結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）概念的主動(dòng)控制超材料的制作可能同時(shí)需要用到多層金屬及非金屬結(jié)構(gòu)的套刻技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可隨外加激勵(lì)動(dòng)態(tài)變化的可調(diào)諧超材料。模板沉積技術(shù)直接通過(guò)金屬沉積來(lái)形成超材料結(jié)構(gòu)，不需要光刻膠的輔助，雖然簡(jiǎn)化了制備程序，提高了制備質(zhì)量，但是沉積過(guò)程會(huì)造成模板的污染。打印方法和光纖拉絲方法不需要制作掩模板或者模板，簡(jiǎn)化了制作過(guò)程，但是，其最小制作尺寸受到限制，光纖拉絲方法同時(shí)限制了單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。下面結(jié)合實(shí)例分別從平面超材料、三維超材料以及主動(dòng)可調(diào)超材料等方面對(duì)太赫茲超材料的最新加工技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 平面金屬超材料加工方法

到目前為止，研究最多的是平面超材料，即制作在電介質(zhì)或者半導(dǎo)體基底上的準(zhǔn)二維亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)，通常采用光刻的加工方法。如圖1所示，金屬結(jié)構(gòu)的光刻一般是在堅(jiān)模后進(jìn)行金屬沉積，再通過(guò)去膠獲得所需的金屬結(jié)構(gòu)。光刻技術(shù)的曝光可以選用多種光源，如紫外光、X射線、電子束、離子束、質(zhì)子束等。不同的光源需要選擇不同的光刻膠，并且會(huì)有不同的曝光深度，對(duì)應(yīng)著不同的金屬沉積方法。紫外曝光獲得的金屬層厚度一般在100 nm量級(jí)，而質(zhì)子束直寫與電鍍技術(shù)［53］相結(jié)合可使金屬層的厚度在10微米左右。光刻技術(shù)可以獲得幾微米的金屬線寬度，并且樣品均勻性較好，但是制作過(guò)程較復(fù)雜。模板沉積技術(shù)也能獲得高質(zhì)量的超材料，金屬通過(guò)模板的孔結(jié)構(gòu)直接沉積在基底上，不需要光刻工藝，從而避免了化學(xué)污染［26］，但是模板的制作仍然需要采用光刻加工方法。噴墨打?。?4］和激光打?。?5］不需要制作掩模板或模板，很大程度地簡(jiǎn)化了超材料的制作過(guò)程，但是最小的金屬線寬度受到了限制。噴墨打印需要多次打印獲取所需的金屬層厚度，噴墨的不均勻性會(huì)導(dǎo)致超材料共振的加寬;激光打印可以改善噴墨的不均勻性，一次獲得微米量級(jí)厚度的超材料。

圖1 THz波段超材料的加工技術(shù)Fig.1 Fabrication technologies for THzmetamaterials

2.2 三維超材料加工技術(shù)

多層光刻技術(shù)是目前制作三維超材料的主要方法，可以通過(guò)電介質(zhì)和金屬結(jié)構(gòu)的交替堆疊、套刻來(lái)實(shí)現(xiàn)［56］。這種方法的制作過(guò)程復(fù)雜，一般只能制作有限幾層來(lái)獲得特定的響應(yīng)性質(zhì)，主要用于寬帶響應(yīng)超材料和基于超材料的吸收體的制備。另一方面，采用柔性基底，將平面超材料卷成三維形狀［57］也是獲得三維超材料的一種方法。

光刻技術(shù)中采用電鍍可以獲得較厚的金屬層，在此基礎(chǔ)上采用多層電鍍，或者電鍍與其他金屬沉積技術(shù)相結(jié)合的多次曝光光刻技術(shù)可以使單元結(jié)構(gòu)豎立在基底平面上。如圖2所示，非手性的SRRs分別制作在剛性和柔性基底上，在只有磁場(chǎng)激勵(lì)的情況下，觀察到了很強(qiáng)的磁響應(yīng)［58］。這說(shuō)明具有二維周期的三維超材料就能獲得明顯的磁響應(yīng)，為研究超材料的電磁響應(yīng)特性提供了一種新的方法。多層電鍍還可以用于制作三維手性結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)線偏振電磁波的偏振轉(zhuǎn)換和旋光性［59］。

圖2 電鍍技術(shù)制作豎立的超材料［58］Fig.2 Out-of-plane metamaterials fabricated using electroplating technique

圖3 光纖拉絲方法制作超材料［61］Fig.3 Metamaterials fabricated by fiber drawing

類比光子晶體光纖的制作［60］，光纖拉絲方法也可以用于制作三維超材料。在制作過(guò)程中，可以將金屬成分預(yù)埋在預(yù)制棒中，也可以在纖芯拉絲后再進(jìn)行金屬沉積并纏繞成陣列。以金屬沉積方法為例［61］，如圖3所示，利用直流磁控濺射沉積系統(tǒng)，在100μm寬的聚合物方柱的3面沉積了250 nm厚的銀涂層，形成了橫截面為U形結(jié)構(gòu)的超材料。在磁場(chǎng)激勵(lì)下，觀察到了明顯的磁響應(yīng)。然而，縱向的連續(xù)性導(dǎo)致了空間色散效應(yīng)，即磁共振頻率與入射角相關(guān)。利用激光消融方法破壞縱向的連續(xù)性，形成亞波長(zhǎng)周期陣列，可以有效抑制空間色散。與光刻相比，光纖拉絲方法限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。同時(shí)，光纖拉絲的最小尺寸限制了這種方法向高頻的擴(kuò)展。

三維超材料的制作技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是對(duì)于大多數(shù)三維超材料來(lái)說(shuō)，傳播方向的尺度還屬于亞波長(zhǎng)范圍，大尺度三維材料的加工還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

2.3 主動(dòng)可調(diào)超材料加工方法

主動(dòng)可調(diào)超材料制作通常會(huì)涉及非金屬結(jié)構(gòu)的光刻。與金屬結(jié)構(gòu)的光刻不同，非金屬結(jié)構(gòu)的光刻通常要在涂膠前進(jìn)行薄膜沉積或者選擇帶有薄膜的基底，如硅-藍(lán)寶石（SOS，藍(lán)寶石上外延硅），并在堅(jiān)模后通過(guò)刻蝕獲得所需結(jié)構(gòu)。在刻蝕過(guò)程中，光刻膠起到了保護(hù)的作用，所得結(jié)構(gòu)與光刻膠的形狀相同。不同的材料可以選擇不同的沉積方法，如分子束外延生長(zhǎng)、磁控濺射、脈沖激光沉積、溶膠凝膠法、離子束沉積等;而常用的刻蝕方法是反應(yīng)離子刻蝕和濕法化學(xué)刻蝕。有的可調(diào)超材料只需要通過(guò)在基底和金屬結(jié)構(gòu)之間沉積薄膜即可實(shí)現(xiàn)超材料電磁響應(yīng)特性的主動(dòng)控制。

MEMS也被稱為微機(jī)械或微系統(tǒng)。MEMS加工技術(shù)不僅包含表面加工技術(shù)，還包含體加工技術(shù)，如硅基底的刻蝕［46］。與其他可調(diào)超材料不同，MEMS的引入可以實(shí)現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)控制。例如，由熱膨脹系數(shù)不同的氮化硅和金屬組成的懸臂支架可以通過(guò)環(huán)境溫度控制單元結(jié)構(gòu)與陣列平面的相對(duì)取向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁響應(yīng)和電響應(yīng)的共振強(qiáng)度的調(diào)諧［28］;覆蓋著磁性材料的柔性懸臂在外加磁場(chǎng)的控制下發(fā)生不同程度的形變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料共振頻率的調(diào)制［62］。最近，用MEMS方法實(shí)現(xiàn)了超材料晶格排列或者單元結(jié)構(gòu)不同組成部分之間距離的動(dòng)態(tài)調(diào)制［45-47］，使超材料的共振響應(yīng)隨著耦合的改變發(fā)生變化，是研究超材料單元結(jié)構(gòu)之間和單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合的重要方法。以不對(duì)稱的SRRs為例［47］，如圖4所示，超材料由兩部分組成，一部分制作在固定的基底上，另一部分制作在與靜電梳齒微驅(qū)動(dòng)器相連的可移動(dòng)支撐架上，支撐架的位移與驅(qū)動(dòng)電壓的平方成正比，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓控制不對(duì)稱SRRs之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)的重組。這種方法除了可以實(shí)現(xiàn)共振頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)制和超材料偏振相關(guān)性的改變，還可以實(shí)現(xiàn)超材料單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合引起的其他效應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)制，如類EIT現(xiàn)象［43-44］。

圖4 微機(jī)械可重組超材料［47］Fig.4 Micromachined reconfigurablemetamaterials

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 平面結(jié)構(gòu)

超材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和單元結(jié)構(gòu)的排列方式對(duì)其電磁響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)起著重要的作用。亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈活多樣，圖5給出了一些平面結(jié)構(gòu)［22，33-36，40-44，63］，中間為基本結(jié)構(gòu)，四周為實(shí)現(xiàn)多頻共振、寬頻共振和類EIT響應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)。

超材料基本結(jié)構(gòu)包含金屬線、線對(duì)、十字結(jié)構(gòu)、漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、矩形環(huán)、SRRs等［52］。其中，SRRs是最常用的結(jié)構(gòu)，并可以作為基本單元組成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)獲得特定的電磁響應(yīng)。SRRs本身也有不同的結(jié)構(gòu)形式［52，64］，不同的對(duì)稱性使其具有不同的電磁響應(yīng)特性。最常用的是雙環(huán)SRRs和簡(jiǎn)單的單環(huán)SRRs。圖5給出的基本結(jié)構(gòu)分別為金屬線、十字結(jié)構(gòu)、矩形環(huán)、雙環(huán)SRRs、單環(huán)SRRs、電SRRs（eSRRs）和各向同性的SRRs。雙環(huán)SRRs的提出是為了獲得負(fù)的磁導(dǎo)率，入射電磁場(chǎng)垂直于SRRs平面的磁場(chǎng)或者平行于開口所在邊的電場(chǎng)都可以激發(fā)環(huán)形電流振蕩，該響應(yīng)可以等效為電感L和電容C形成的LC共振。環(huán)形電流振蕩還可以等效為垂直于SRRs平面的磁偶極子，磁偶極子輻射與入射電磁波的相位延遲導(dǎo)致了SRRs的反磁性，從而產(chǎn)生了負(fù)的等效磁導(dǎo)率［65］。同時(shí)，SRRs中電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量之間的耦合使SRRs具有雙各向異性，因此SRRs中等效介質(zhì)的描述需要引入電磁場(chǎng)耦合參數(shù)［66］。即使在正入射的情況下，該電磁場(chǎng)耦合參數(shù)也會(huì)對(duì)超材料的電磁響應(yīng)產(chǎn)生影響［67］。簡(jiǎn)單的單環(huán)SRRs也有相同的性質(zhì)。通過(guò)對(duì)稱性的增強(qiáng)可以消除這種電磁耦合，這種對(duì)稱的SRRs通常被稱為eSRRs，但是這并不意味著eSRRs不存在磁響應(yīng)，例如，通過(guò)THz波的斜入射，觀察到了對(duì)稱eSRRs隨入射角增大而增強(qiáng)的磁響應(yīng)［68］。

圖5 THz超材料的一些單元結(jié)構(gòu)Fig.5 Some unit structures of THzmetamaterials

不同形狀和尺寸結(jié)構(gòu)的組合，如不同SRRs的組合、十字環(huán)與十字結(jié)構(gòu)的組合、多個(gè)矩形環(huán)的組合、I形結(jié)構(gòu)的組合、矩形環(huán)與SRRs的組合、金屬短線與SRRs的組合等，是實(shí)現(xiàn)多頻［31-34］響應(yīng)、寬帶［35-36］響應(yīng)和類EIT現(xiàn)象［41-44］的重要方法。結(jié)構(gòu)的組合有交叉排列和嵌套兩種方式。交叉排列設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但通常會(huì)限制組成結(jié)構(gòu)的密度，同時(shí)不同結(jié)構(gòu)之間的耦合較弱;嵌套結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了不同共振模式之間的耦合。共振模式之間的相互作用可以調(diào)制超材料的電磁響應(yīng)。平面超材料實(shí)現(xiàn)的寬帶響應(yīng)一般要求不同結(jié)構(gòu)共振頻率的差值較小，這就在一定程度上限制了共振帶寬。如圖5（h）中的I形組合結(jié)構(gòu)，中間結(jié)構(gòu)的水平臂長(zhǎng)度與兩側(cè)結(jié)構(gòu)不同，不同頻率的共振模式疊加可以實(shí)現(xiàn)寬帶響應(yīng)。隨著兩側(cè)結(jié)構(gòu)水平臂的長(zhǎng)度逐漸減小，不同模式共振頻率的差值增大，超材料逐漸表現(xiàn)出多頻共振的性質(zhì)［36］。多共振模式的疊加可以在一定頻率范圍內(nèi)減小這種限制，進(jìn)一步擴(kuò)展超材料寬帶響應(yīng)的共振線寬。類EIT現(xiàn)象也可以看作是一種多頻共振，但是一般的多頻共振的超材料由共振頻率不同的結(jié)構(gòu)組成，而類EIT現(xiàn)象中超材料共振一般由共振頻率相同、共振線寬不同的結(jié)構(gòu)組成。另外，相同結(jié)構(gòu)組成的超材料，如圖5（p），通過(guò)不同激勵(lì)方式也可以實(shí)現(xiàn)類EIT現(xiàn)象［41］。當(dāng)入射電磁波的電場(chǎng)沿水平方向時(shí)，直接激發(fā)左側(cè)SRRs中的LC共振，然后通過(guò)電磁耦合，左側(cè)SRRs激發(fā)右側(cè)SRRs中的LC共振，產(chǎn)生反對(duì)稱和對(duì)稱兩個(gè)LC共振模式。超材料中的類EIT現(xiàn)象主要有直接激發(fā)和間接激發(fā)兩種方式。前者是指電磁場(chǎng)同時(shí)激發(fā)共振線寬不同的兩個(gè)模式，共振頻率處的相消干涉導(dǎo)致了透明窗口的出現(xiàn)，如圖5（q）和5（t）所示的結(jié)構(gòu);后者是指電磁場(chǎng)直接激發(fā)“亮?！?，再通過(guò)“亮?！迸c“暗?！钡碾姶篷詈霞ぐl(fā)“暗?！保鐖D5（p）、5（r）和5（s）所示的結(jié)構(gòu)。超材料中類EIT現(xiàn)象的透明窗口具有較大的群速度，是實(shí)現(xiàn)慢光的一種重要方法。另外，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)相對(duì)位置的改變［43-44］或外部激勵(lì)［22］，可以改變結(jié)構(gòu)之間的耦合情況，實(shí)現(xiàn)類EIT現(xiàn)象的調(diào)制。

3.2 三維結(jié)構(gòu)

三維加工技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了三維超材料的研究進(jìn)展，如前面提到的超材料的磁響應(yīng)和旋光性。目前，最常用的三維加工技術(shù)是多層光刻技術(shù)。多層金屬結(jié)構(gòu)的超材料可以通過(guò)不同共振頻率的單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻和寬帶的電磁響應(yīng)［37］;通過(guò)雙層結(jié)構(gòu)可以抑制帶通濾波器旁瓣，提高頻率選擇性［69］;通過(guò)相同結(jié)構(gòu)的層間耦合可以激發(fā)新的共振模式并可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的相對(duì)取向控制耦合模式的共振頻率［70］;通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的層間相互作用還可以在共振頻率實(shí)現(xiàn)超吸收［38-40］;通過(guò)改變傳播方向的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性可以實(shí)現(xiàn)線偏振電磁波的不對(duì)稱透射［71］和旋光性［72］，同時(shí)可以控制透射電磁波的偏振態(tài)。在可見光波段，不同相對(duì)取向的多層金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了圓偏振片［73］。

吸收體可以實(shí)現(xiàn)THz波的超吸收，可用于THz波的探測(cè)和成像。吸收體一般由兩層金屬構(gòu)成，中間用電介質(zhì)層隔開，主要有兩種不同的設(shè)計(jì)方法，如圖6所示，一種是兩層間由兩種不同的金屬結(jié)構(gòu)組成，另一種是由一層金屬結(jié)構(gòu)和一層金屬薄膜構(gòu)成。前者可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得雙向超吸收［38］，后者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且對(duì)THz波有更好的調(diào)制，使透射為零，因此，后者得到了更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，由于后者的共振性質(zhì)主要由金屬結(jié)構(gòu)決定，通過(guò)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以改善吸收體的入射偏振依賴性［49］，或者實(shí)現(xiàn)多頻和寬帶吸收［36，40］，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性。此外，由多層金屬結(jié)構(gòu)和金屬層組成的吸收體也可以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收［39］。對(duì)于吸收體的物理機(jī)制，目前有不同的說(shuō)法。最早提出的是阻抗匹配理論，即入射電磁波在吸收體的兩層金屬上激發(fā)出反向的電流振蕩，形成磁偶極子，從而改變吸收體的等效磁導(dǎo)率，使其波阻抗與空氣的波阻抗相匹配，減小反射。但是，最近有研究發(fā)現(xiàn)金屬層之間的磁響應(yīng)可以忽略，也就是說(shuō)吸收體的超吸收與層間耦合無(wú)關(guān)，并提出了改進(jìn)的法布里-珀羅（FP）共振模型和多次反射干涉理論，由退耦合模型獲得界面處的復(fù)反射系數(shù)和復(fù)透射系數(shù)后，可以定量描述吸收體的反射［20］。金屬和電介質(zhì)的損耗對(duì)吸收強(qiáng)度起著重要的作用［38］，但是到目前為止，這種新理論還沒(méi)有關(guān)于組成材料的損耗對(duì)實(shí)現(xiàn)超吸收影響的討論。

圖6 吸收體不同的底層設(shè)計(jì)方法Fig.6 Absorberswith different designs of bottom layer

3.3 結(jié)構(gòu)對(duì)稱性

超材料結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性對(duì)其電磁響應(yīng)起著重要的作用［74］，不同的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性可以實(shí)現(xiàn)超材料的各向異性、旋光性、不對(duì)稱透射性以及對(duì)電磁波偏振態(tài)的控制等。

當(dāng)電磁波的偏振態(tài)改變時(shí)，瓊斯矩陣可以更好地描述超材料的電磁響應(yīng)特性，超材料的透射響應(yīng)和反射響應(yīng)可以分別用透射矩陣和反射矩陣來(lái)表示。目前的THz時(shí)域光譜系統(tǒng)利用線柵偏振片可以較容易地獲得超材料以線偏振為基的瓊斯矩陣，因此，實(shí)驗(yàn)中一般進(jìn)行線偏振THz波的測(cè)量。通過(guò)坐標(biāo)變換，可以將以線偏振為基的瓊斯矩陣轉(zhuǎn)化成以圓偏振為基的瓊斯矩陣。瓊斯矩陣可用于分析超材料的偏振轉(zhuǎn)換（非對(duì)角矩陣元）、本征偏振態(tài)、旋光性和圓二向色性（圓偏振瓊斯矩陣的對(duì)角矩陣元之間的關(guān)系）、不對(duì)稱透射（非對(duì)角矩陣元之間的關(guān)系）等電磁響應(yīng)，還可以用于分析電磁波的偏振態(tài)。超材料的線偏振瓊斯矩陣會(huì)隨著電磁波入射偏振與超材料的相對(duì)取向發(fā)生變化，并且新的瓊斯矩陣與原矩陣之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，利用對(duì)稱變換，可以分析瓊斯矩陣元之間的相互關(guān)系，從而進(jìn)一步分析超材料的對(duì)稱性對(duì)其電磁響應(yīng)的影響［74］。例如，對(duì)于正入射的電磁波，平面手性超材料在基底效應(yīng)可以忽略的情況下是三維非手性的，線偏振瓊斯矩陣的非對(duì)角元相等，不具有旋光性和圓二向色性，但是可以觀察到圓偏振THz波的不對(duì)稱透射［75］。圖7給出了圓偏振電磁波不對(duì)稱透射的示意圖，以右旋圓偏振（RCP）波為例，對(duì)于不同方向入射的RCP波，其直接透射分量相同，而偏振轉(zhuǎn)換分量（耦合出的左旋圓偏振波）不同，導(dǎo)致了總透射率的不同，從而實(shí)現(xiàn)了圓偏振波的不對(duì)稱透射。同時(shí)，平面超材料不能實(shí)現(xiàn)正入射線偏振電磁波的不對(duì)稱透射，必須通過(guò)三維手性超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。由雙層金屬結(jié)構(gòu)組成的手性超材料，當(dāng)兩層金屬結(jié)構(gòu)具有180°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性且不存在90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性時(shí)，可以只實(shí)現(xiàn)線偏振電磁波的不對(duì)稱透射，而不存在圓偏振電磁波的不對(duì)稱透射，并且線偏振電磁波的不對(duì)稱透射強(qiáng)度與入射偏振方向相關(guān)［71］。雖然正入射情況下，平面超材料不存在旋光性和圓二向色性，但是，雙各向異性的平面非手性超材料在斜入射的情況下具有旋光性和圓二向色性，這與斜入射引起的電磁耦合相關(guān)，被稱為外部手性［76］，也就是說(shuō)入射波矢和平面非手性超材料組成的等效結(jié)構(gòu)具有三維手性。因此，在分析超材料對(duì)稱性時(shí)，入射波矢方向也應(yīng)考慮在內(nèi)。

各向異性超材料和手性超材料都可以改變電磁波的偏振態(tài)，當(dāng)入射電磁波為線偏振時(shí)，就會(huì)耦合出垂直入射偏振方向的電磁波分量（瓊斯矩陣的非對(duì)角元），即偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)。一般情況下，各向異性引起的偏振轉(zhuǎn)換分量是與入射偏振方向相關(guān)的，而各向同性（90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性）的三維手性超材料引起的偏振轉(zhuǎn)換是與入射偏振方向無(wú)關(guān)的，同時(shí)，本征偏振態(tài)為圓偏振［72］。另外，各向異性超材料還可以通過(guò)改變?nèi)肷淦衽c超材料的相對(duì)取向調(diào)制透射電磁波的振幅和相位。超材料對(duì)電磁波偏振態(tài)的調(diào)制是實(shí)現(xiàn)THz波片的一種可行方法［16，49］。

圖7 平面手性超材料中圓偏振波的不對(duì)稱透射［75］Fig.7 Asymmetric transmission of a circularly polarized wave in a planar chiralmetamaterials

4 組成材料

4.1 基本組成與傳感器

超材料一般由制作在電介質(zhì)或者半導(dǎo)體基底上的亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)組成。金屬的電導(dǎo)率會(huì)對(duì)超材料的共振強(qiáng)度產(chǎn)生影響，導(dǎo)電性越好（同時(shí)對(duì)應(yīng)著較大的介電常數(shù)實(shí)部與虛部的比值），共振越強(qiáng);另外，金屬厚度在一定范圍內(nèi)的增加也會(huì)使共振加強(qiáng)，并且不同的金屬，厚度依賴關(guān)系不同［10］。

基底材料可以是剛性的，也可以是柔性的;為了獲得較強(qiáng)的透射響應(yīng)，基底的吸收越小越好?；椎拇嬖跁?huì)導(dǎo)致共振紅移，基底的介電常數(shù)越大，超材料共振頻率越低［8］。當(dāng)基底的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，基底厚度也會(huì)對(duì)超材料的共振頻率產(chǎn)生影響，厚度增大引起共振紅移。此時(shí)，可把基底和空氣看作等效基底，厚度增大使等效基底的介電常數(shù)增大，從而導(dǎo)致共振紅移。由于超材料的共振響應(yīng)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)密切相關(guān)，將待測(cè)物質(zhì)覆蓋在超材料上，利用共振紅移可以作為物質(zhì)微量探測(cè)的傳感器，可用于生物和化學(xué)分子的高靈敏探測(cè)，也可用于各向異性物質(zhì)取向的探測(cè)［77］。這種方法不僅可以分辨不同種類的物質(zhì)［12］，還可以分辨樣品的厚度和混合樣品的混合比例［78］。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基底選擇和探測(cè)設(shè)置的優(yōu)化可以提高超材料的探測(cè)靈敏度?？赏ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子共振和強(qiáng)局域場(chǎng)分布，從而有利于探測(cè)介電常數(shù)的微小變化和減小樣品用量［52］。由于基底和被測(cè)物質(zhì)都會(huì)引起超材料的共振紅移，因此減小基底的相對(duì)貢獻(xiàn)，如采用低介電常數(shù)［13］和厚度較?。?］的基底，可以提高探測(cè)靈敏度。當(dāng)被測(cè)物質(zhì)局部覆蓋超材料時(shí)，采用近場(chǎng)激發(fā)、遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)的方法可以提高探測(cè)靈敏度，并可以分辨出不同的樣品尺寸［14］，這種探測(cè)方法可以有效減小被測(cè)物質(zhì)的用量。對(duì)超材料進(jìn)行功能化處理后，可以將探測(cè)分子連接到超材料上，如圖8所示，不同濃度的鏈親和素瓊脂糖（SA）連接在功能化的SRRs上，可以進(jìn)行生物分子的特異性識(shí)別［15］。

圖8 功能化超材料及其在特定生物分子識(shí)別中應(yīng)用的示意圖Fig.8 Functionalized metamaterials for specific biosensing

4.2 組成材料的選擇與可調(diào)超材料

介電性質(zhì)在外加激勵(lì)下可調(diào)的材料，如半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、熱敏材料、相變材料、鐵電材料等，與金屬共同組成亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，或者作為金屬結(jié)構(gòu)的基底，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)超材料。有些材料甚至可以代替金屬制作成非金屬超材料［79］。

半導(dǎo)體可通過(guò)光、電和溫度激勵(lì)來(lái)控制載流子的濃度，從而改變其介電性質(zhì)，在制作可調(diào)超材料中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，研究最多的是光激勵(lì)。光激勵(lì)產(chǎn)生光生載流子，光生載流子的濃度可通過(guò)激勵(lì)光的功率［17］或者激勵(lì)光與入射THz波的相對(duì)延遲時(shí)間［80］來(lái)控制。光敏半導(dǎo)體作為基底，可以通過(guò)光激勵(lì)控制超材料的共振強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)THz波透射的動(dòng)態(tài)調(diào)制，可用作超快光開關(guān)。光生載流子同時(shí)導(dǎo)致了非共振頻域THz波透射的減小，因此，對(duì)共振頻域的THz透射起了雙重作用［80］，基底反射的增強(qiáng)使透射減小，而共振強(qiáng)度的減弱使透射增加。一般情況下，隨著激勵(lì)光能量密度的增加，超材料的共振強(qiáng)度逐漸減小直至共振消失。但是，最近有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光的能量密度足夠大時(shí)，出現(xiàn)了新的共振模式，可能是由光誘導(dǎo)瞬態(tài)光柵的一階衍射引起的［19］。另一方面，由于半導(dǎo)體基底上覆蓋著金屬結(jié)構(gòu)，光激勵(lì)產(chǎn)生的自由載流子會(huì)存在瞬態(tài)的空間分布。這樣，平面手性結(jié)構(gòu)和光生載流子就形成了等效的三維手性結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的旋光性［21］，即光誘導(dǎo)旋光性。隨著光生載流子的擴(kuò)散，光誘導(dǎo)旋光性會(huì)逐漸消失。半導(dǎo)體還可以作為結(jié)構(gòu)的一部分，與金屬共同組成超材料，不加激勵(lì)光時(shí)，半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)中基本不起作用;加入激勵(lì)光會(huì)使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（基底一般選用不受激勵(lì)光影響的材料）逐漸金屬化，從而導(dǎo)致超材料的等效結(jié)構(gòu)改變，實(shí)現(xiàn)了超材料電磁性質(zhì)靈活多樣的調(diào)制，如光激勵(lì)可以導(dǎo)致共振頻率的紅移和藍(lán)移甚至是多種半導(dǎo)體材料在不同激光激勵(lì)下的多模式光調(diào)制［63］、類EIT的強(qiáng)度調(diào)制［21］、三維結(jié)構(gòu)的手性開關(guān)［59］等。圖9以三維手性開關(guān)為例說(shuō)明了半導(dǎo)體通過(guò)光激勵(lì)對(duì)有效結(jié)構(gòu)的改變［59］。在金屬結(jié)構(gòu)中引入半導(dǎo)體硅來(lái)改變單個(gè)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，加激勵(lì)光之前（黑線），半導(dǎo)體硅對(duì)超材料電磁響應(yīng)特性的影響可以忽略，圓二向色性在一定頻率范圍內(nèi)（圖中的陰影區(qū)域）為正，激勵(lì)光的加入在硅中激發(fā)出大量的光生載流子，使其具有金屬的性質(zhì)，改變了單元結(jié)構(gòu)中不同組成部分對(duì)圓二向色性貢獻(xiàn)的相對(duì)大小，從而導(dǎo)致圓二向色性和旋光性的反轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體既然可以作為結(jié)構(gòu)的一部分，也可以代替金屬制作成半導(dǎo)體超材料，通過(guò)光激勵(lì)實(shí)現(xiàn)其電磁響應(yīng)的調(diào)制。

圖9 光誘導(dǎo)手性開關(guān)［59］Fig.9 Photoinduced handedness switching

電激勵(lì)一般是在金屬結(jié)構(gòu)和基底之間加入一層摻雜半導(dǎo)體薄膜，并將金屬結(jié)構(gòu)單元用金屬線相連，這樣就形成了一個(gè)等效的肖特基二極管，如圖10所示［23］。沒(méi)有外加偏壓時(shí)，導(dǎo)電基底將結(jié)構(gòu)的開口短路，共振很弱;外加偏壓會(huì)消耗摻雜半導(dǎo)體中的自由載流子，從而使超材料的共振加強(qiáng)。將這種電激勵(lì)超材料做成獨(dú)立控制的陣列結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制器［24］。另外，有些半導(dǎo)體在THz波段具有類似金屬的性質(zhì)，介電常數(shù)（實(shí)部為負(fù)）可以用德魯?shù)履Ｐ停―rude model）來(lái)描述，這種半導(dǎo)體代替金屬可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體超材料［49］。半導(dǎo)體的本征載流子濃度隨溫度減小而降低，從而使其金屬性變?nèi)?，可以觀察到半導(dǎo)體超材料中溫度降低導(dǎo)致的共振減弱和紅移。利用半導(dǎo)體介電常數(shù)的溫度相關(guān)性，與金屬共同組成超材料還可以實(shí)現(xiàn)超材料共振頻率的寬帶調(diào)制［81］。另外，外加靜磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的介電常數(shù)的各向異性，進(jìn)而改變半導(dǎo)體超材料的共振頻率和強(qiáng)度。目前，對(duì)于半導(dǎo)體超材料的溫度和磁場(chǎng)調(diào)制，相關(guān)報(bào)道都是關(guān)于理論分析和數(shù)值模擬的，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)測(cè)量的報(bào)道。

超導(dǎo)材料代替金屬，可以在THz波段實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)超材料［82］。在轉(zhuǎn)變溫度附近，隨著溫度的增加，超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。在轉(zhuǎn)變溫度以下，外加靜磁場(chǎng)也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，使超導(dǎo)材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，因此，溫度和靜磁場(chǎng)都能調(diào)制超導(dǎo)材料的介電性質(zhì)，從而控制超導(dǎo)超材料的電磁共振響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)溫控或磁控開關(guān)。另一方面，超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)是頻率相關(guān)的，存在一個(gè)特征頻率，高于特征頻率時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，因此，超導(dǎo)超材料的實(shí)現(xiàn)是有頻域限制的［25］。

圖10 電激勵(lì)超材料［23］Fig.10 Metamaterials with electric excitation

相變材料的引入是實(shí)現(xiàn)可調(diào)超材料的一種重要方法。二氧化釩（VO2）是一種重要的絕緣體-金屬相變（IMT）材料［79］，可以通過(guò)溫度、電、光等方法來(lái)激發(fā)相變。VO2薄膜可以與支撐材料共同組成基底，在太赫茲波段也可以代替金屬實(shí)現(xiàn)可調(diào)非金屬超材料。VO2具有高度的滯回效應(yīng)，也就是說(shuō)在升溫和降溫的過(guò)程中，相同溫度下的介電性質(zhì)不同，因此具有存儲(chǔ)效應(yīng)［27］。利用這種存儲(chǔ)效應(yīng)，VO2作為基底的一部分，在電激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)了空間調(diào)制。在外加偏壓下，產(chǎn)生的電流對(duì)VO2進(jìn)行局部加熱使其發(fā)生相變，滯回效應(yīng)在一定程度上保持了VO2介電性質(zhì)的改變，因此，導(dǎo)致了超材料的共振減弱和紅移。在此基礎(chǔ)上，電接觸位置的合理選取可以實(shí)現(xiàn)電流的梯度分布，從而使VO2的相變發(fā)生空間分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波的空間調(diào)制。如圖11所示［27］，當(dāng)電接觸位于超材料的一側(cè)時(shí)，遠(yuǎn)離接觸點(diǎn)的位置電激勵(lì)效應(yīng)逐漸減弱，共振加強(qiáng)并且藍(lán)移。最近發(fā)現(xiàn)THz強(qiáng)場(chǎng)也可以激發(fā)VO2的相變，因此在金屬結(jié)構(gòu)和基底之間加入VO2薄膜，不需要外部激勵(lì)的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)THz電磁強(qiáng)場(chǎng)的調(diào)制。同時(shí)由于超材料的局域場(chǎng)加強(qiáng)，適當(dāng)?shù)倪x擇入射THz的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)VO2的局域相變，從而改變超材料的偏振相關(guān)電磁響應(yīng)特性，例如由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋裕?6］。

圖11 超材料的空間調(diào)制［27］Fig.11 Metamaterials for spatial gradient control

外加直流電場(chǎng)和溫度都能調(diào)制鐵電材料的介電性質(zhì)［79］。與半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料和IMT材料性質(zhì)不同，鐵電材料主要表現(xiàn)為電介質(zhì)性質(zhì)隨外部激勵(lì)的改變，可以產(chǎn)生共振頻率較強(qiáng)的調(diào)制。以鈦酸鍶（STO）為例，STO的介電常數(shù)很大，STO實(shí)現(xiàn)的非金屬超材料的共振響應(yīng)是基于位移電流的等效磁響應(yīng)［29］;STO有很強(qiáng)的介電常數(shù)調(diào)制度，介電損耗卻很小，因此以STO晶體為基底的超材料，在溫度降低時(shí)，共振頻率明顯紅移，共振強(qiáng)度幾乎不變［30］。

5 結(jié)束語(yǔ)

微加工技術(shù)和THz技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)THz波段超材料電磁特性的實(shí)驗(yàn)研究，這些研究面的應(yīng)用。超材料既可以調(diào)制THz波的振幅、相位和偏振態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)不同傳輸方向THz波的不對(duì)稱透射，為THz波的傳輸控制提供了一種有效途徑。雖然超材料的電磁響應(yīng)一般是窄帶的，但優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展響應(yīng)帶寬，外部激勵(lì)可以調(diào)制電磁響應(yīng)的頻率范圍，從而擴(kuò)展超材料的應(yīng)用范圍。最近發(fā)展的利用MEMS技術(shù)制作的三維超材料還實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)控制，可以調(diào)制超材料的對(duì)稱性及結(jié)構(gòu)之間的耦合;如果將其與外部激勵(lì)下性質(zhì)可調(diào)的材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)的雙重調(diào)制，有望進(jìn)一步增加基于超材料的THz器件的功能。

超材料在THz波段的發(fā)展也面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。對(duì)于豎立在基底上的三維超材料，目前只有磁共振和手性結(jié)構(gòu)旋光性的報(bào)道，尚無(wú)在電場(chǎng)與磁場(chǎng)共振同時(shí)存在時(shí)，特別是電場(chǎng)和磁場(chǎng)激發(fā)不同共振模式的情況下，超材料電磁響應(yīng)的相關(guān)報(bào)道。高質(zhì)量超材料的快速簡(jiǎn)單制作，特別是三維超材料的實(shí)現(xiàn)，需要加工工藝的進(jìn)一步提高。結(jié)構(gòu)對(duì)稱性對(duì)超材料電磁性質(zhì)的實(shí)現(xiàn)起著重要的作用，瓊斯矩陣在一定程度上描述了超材料的響應(yīng)特性，并可以進(jìn)行旋光性、不對(duì)稱透射等性質(zhì)的預(yù)測(cè)。對(duì)瓊斯矩陣與結(jié)構(gòu)對(duì)稱性之間關(guān)系的深入了解有利于指導(dǎo)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而獲得特定的電磁響應(yīng)。介電性質(zhì)隨外加激勵(lì)變化的材料在實(shí)現(xiàn)可調(diào)超材料中起著重要作用，新材料的發(fā)現(xiàn)可以增加可調(diào)超材料設(shè)計(jì)的靈活性。超材料的近場(chǎng)響應(yīng)一般通過(guò)數(shù)值模擬獲得，THz近場(chǎng)探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展有利于加深對(duì)電磁響應(yīng)特性的理解，目前超材料的近場(chǎng)應(yīng)用還處于初級(jí)階段。

總之，THz超材料未來(lái)的發(fā)展離不開加工工藝的提高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、新材料的探索、對(duì)超材料電磁響應(yīng)的深入了解以及新的電磁特異響應(yīng)的研究。

［1］CAIW S，SHALAEV V M.OpticalMetamaterials：Fundamentalsand Applications［M］.New York：Springer-Verlag，2010.

［2］LEE Y S.Principles of Terahertz Science and Technology［M］.New York：Springer-Verlag，2009.

［3］葉全意，楊春.光子學(xué)太赫茲源研究進(jìn)展［J］.中國(guó)光學(xué)，2012，5（1）：1-11.YE Q Y，YANG CH.Recent progress in THz sources based on photonicsmethods［J］.Chinese Optics，2012，5（1）：1-11.（in Chinese）

［4］張會(huì)，張衛(wèi)宇，徐旺，等.THz波段光子晶體帶隙影響因素研究［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33（8）：883-887. ZHANG H，ZHANGW Y，XUW，etal..Study on the influencing factors of photonic crystal′s band gaps in THzwaveband［J］.Chinese J.Luminescence，2012，33（8）：883-887.（in Chinese）

［5］羅志偉，古新安，朱韋臻，等.摻硫硒化鎵晶體在太赫茲波段的光學(xué)特性［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（2）：354-359. LUO ZHW，GU X A，ZHUW CH，et al..Optical properties of GaSe∶S crystals in terahertz frequency range［J］.Opt. Precision Eng.，2011，19（2）：354-359.（in Chinese）

［6］PENDRY JB，HOLDEN A J，STEWARTW J，et al..Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures［J］. Phys.Rev.Lett.，1996，76（25）：4773-4776.

［7］PENDRY JB，HOLDEN A J，ROBBINSD J，et al..Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena［J］. IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，1999，47（11）：2075-2084.

［8］XIA X X，SUN Y M，YANG H F，et al..The influences of substrate and metal properties on the magnetic response of metamaterials at terahertz region［J］.J.Appl.Phys.，2008，104（3）：033505.

［9］CHIAM S Y，SINGH R，ZHANG W L，et al..Controlling metamaterial resonances via dielectric and aspect ratio effects［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，97（19）：191906.

［10］SINGH R，AZAD A K，O′HARA JF，et al..Effectofmetal permittivity on resonant properties of terahertzmetamaterials［J］.Opt.Lett.，2008，33（13）：1506-1508.

［11］SINGH R，SMIRNOVA E，TAYLOR A J，et al..Optically thin terahertzmetamaterials［J］.Opt.Express，2008，16（9）：6537-6543.

［12］SUN Y M，XIA X X，F(xiàn)ENG H，et al..Modulated terahertz responses of split ring resonators by nanometer thick liquid layers［J］.Appl.Phys.Lett.，2008，92（22）：221101.

［13］TAO H，STRIKWERDA A C，LIU M K，et al..Performance enhancement of terahertz metamaterials on ultrathin substrates for sensing applications［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，97（26）：261909.

［14］WITHAYACHUMNANKULW，LIN H，SERITA K，etal..Sub-diffraction thin-film sensing with planar terahertzmetamaterials［J］.Opt.Express，2012，20（3）：3345-3352.

［15］WU X J，QUAN B G，PAN X C，et al..Alkanethiol-functionalized terahertz metamaterial as label-free，highly-sensitive and specific biosensor［J］.Biosens.Bioelectron.，2013，42：626-631.

［16］PERALTA X G，SMIRNOVA E I，AZAD A K，et al..Metamaterials for THz polarimetric devices［J］.Opt.Express，2009，17（2）：773-783.

［17］PADILLAW J，TAYLOR A J，HIGHSTRETE C，et al..Dynamical electric and magnetic metamaterial response at terahertz frequencies［J］.Phys.Rev.Lett.，2006，96（10）：107401.

［18］GU JQ，SINGH R，AZAD A K，et al..An active hybrid plasmonic metamaterial［J］.Opt.Mater.Express，2012，2（1）：31-37.

［19］CHATZAKIS I，LUO L，WANG J，et al..Reversiblemodulation and ultrafast dynamics of terahertz resonances in strongly photoexcited metamaterials［J］.Phys.Rev.B，2012，86（12）：125110.

［20］SHEN X P，CUIT J.Photoexcited broadband redshift switch and strength modulation of terahertzmetamaterial absorber［J］.J.Opt.，2012，14（11）：114012.

［21］KANDA N，KONISHIK，KUWATA-GONOKAMIM.Dynamics of photo-induced terahertz optical activity in metal chiral gratings［J］.Opt.Lett.，2012，37（17）：3510-3512.

［22］GU JQ，SINGH R，LIU X J，etal..Active control ofelectromagnetically induced transparency analogue in terahertzmetamaterials［J］.Nat.Commun.，2012，3：1151.

［23］CHEN H T，PADILLAW J，ZIDE JM O，et al..Active terahertzmetamaterial devices［J］.Nature，2006，444（7119）：597-600.

［24］CHANW L，CHEN H T，TAYLOR A J，et al..A spatial lightmodulator for terahertz beams［J］.Appl.Phys.Lett.，2009，94（21）：213511.

［25］WU JB，JIN B B，XUE Y H，et al..Tuning of superconducting niobium nitride terahertzmetamaterials［J］.Opt.Express，2011，19（13）：12021-12026.

［26］LIU M，HWANG H Y，TAO H，et al..Terahertz-field-induced insulator-to-metal transition in vanadium dioxidemetamaterial［J］.Nature，2012，487（7407）：345-348.

［27］GOLDFLAM M D，DRISCOLL T，CHAPLER B，et al..Reconfigurable gradient index using VO2memory metamaterials［J］.Appl.Phys.Lett.，2011，99（4）：044103.

［28］TAO H，STRIKWERDA A，F(xiàn)AN K，et al..Reconfigurable Terahertz metamaterials［J］.Phys.Rev.Lett.，2009，103（14）：147401.

［29］NěMEC H，KU？EL P，KADLEC F，et al..Tunable terahertzmetamaterials with negative permeability［J］.Phys.Rev. B，2009，79（24）：241108.

［30］SINGH R，AZAD A K，JIA Q X，etal..Thermal tunability in terahertzmetamaterials fabricated on strontium titanate single-crystal substrates［J］.Opt.Lett.，2011，36（7）：1230-1232.

［31］YUAN Y，BINGHAM C，TYLER T，et al..Dual-band planar electric metamaterial in the terahertz regime［J］.Opt.Express，2008，16（13）：9746-9752.

［32］ZHANG Y X，QIAO S，HUANGW，etal..Asymmetric single-particle triple-resonantmetamaterial in terahertz band［J］. Appl.Phys.Lett.，2011，99（7）：073111.

［33］MA Y，CHEN Q，KHALID A，et al..Terahertz dual-band resonator on silicon［J］.Opt.Lett.，2010，35（4）：469-471.

［34］HUSSAIN S，MINWOO J，JANG J-H.Dual-band terahertzmetamaterials based on nested split ring resonators［J］.Appl. Phys.Lett.，2012，101（9）：091103.

［35］CHOWDHURY D R，SINGH R，REITENM，etal..A broadband planar terahertzmetamaterialwith nested structure［J］. Opt.Express，2011，19（17）：15817-15823.

［36］HUANG L，CHOWDHURY D R，RAMANIS，et al..Experimental demonstration of terahertzmetamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band［J］.Opt.Lett.，2012，37（2）：154-156.

［37］HAN N R，CHEN ZC，LIM C S，etal..Broadbandmulti-layer terahertzmetamaterials fabrication and characterization on flexible substrates［J］.Opt.Express，2011，19（8）：6990-6998.

［38］HU C，LIX，F(xiàn)ENG Q，et al..Introducing dipole-like resonance intomagnetic resonance to realize simultaneous drop in transmission and reflection at terahertz frequency［J］.J.Appl.Phys.，2010，108（5）：053103.

［39］GRANT J，MA Y，SAHA S，et al..Polarization insensitive，broadband terahertzmetamaterial absorber［J］.Opt.Lett.，2011，36（17）：3476-3478.

［40］SHEN X，YANG Y，ZANG Y，et al..Triple-band terahertzmetamaterial absorber：Design，experiment，and physical interpretation［J］.Appl.Phys.Lett.，2012，101（15）：154102.

［41］SINGH R，ROCKSTUHLC，LEDERER F，etal..Coupling between a dark and a brighteigenmode in a terahertzmetamaterial［J］.Phys.Rev.B，2009，79（8）：085111.

［42］CHIAM S-Y，SINGH R，ROCKSTUHL C，et al..Analogue of electromagnetically induced transparency in a terahertz metamaterial［J］.Phys.Rev.B，2009，80（15）：153103.

［43］LIU X J，GU JQ，SINGH R，et al..Electromagnetically induced transparency in terahertz plasmonic metamaterials via dual excitation pathways of the dark mode［J］.Appl.Phys.Lett.，2012，100（13）：131101.

［44］LIZY，MA Y F，HUANG R，etal..Manipulating the plasmon-induced transparency in terahertzmetamaterials［J］.Opt. Express，2011，19（9）：8912-8919.

［45］ZHUW M，LIU A Q，BOUROUINA T，et al..Microelectromechanical Maltese-crossmetamaterial with tunable terahertz anisotropy［J］.Nat.Commun.，2012，3：1274.

［46］LIU A Q，ZHUW M，TSAID P，et al..Micromachined tunablemetamaterials：a review［J］.J.Opt.，2012，14（11）：114009.

［47］FU Y H，LIU A Q，ZHU W M，et al..A micromachined reconfigurablemetamaterial via reconfiguration of asymmetricsplit-ring resonators［J］.Adv.Funct.Mater.，2011，21（18）：3589-3594.

［48］方安樂(lè)，戴小玉，凌曉輝，等.太赫茲超常材料及應(yīng)用［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010，47（5）：051601. FANG A L，DAIX Y，LING X H，et al..Metamaterials at terahertz and their applications［J］.Laser&Optoelectronics Progress，2010，47（5）：051601.（in Chinese）

［49］丁佩，梁二軍.太赫茲波段電磁超介質(zhì)的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48（7）：071602. DING P，LIANG E J.Research progress ofmetamaterials for terahertz applications［J］.Laser&Optoelectronics Progress，2011，48（7）：071602.（in Chinese）

［50］何明霞，李凈延，劉冠林.太赫茲可控功能器件的研究進(jìn)展［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，26（7）：567-576. HE M X，LIJY，LIU G L.Progress of terahertz active control functional devices［J］.J.Electronic Measurement and Instrument，2012，26（7）：567-576.（in Chinese）

［51］TAO H，PADILLAW J，ZHANGX，etal..Recent progress in electromagneticmetamaterial devices for Terahertz applications［J］.IEEE J.Sel.Top.Quant，2011，17（1）：92-101.

［52］WITHAYACHUMNANKULW，ABBOTT D.Metamaterials in the Terahertz regime［J］.IEEE Photonics J.，2009，1（2）：99-118.

［53］CHIAM S-Y，SINGH R，GU J，et al..Increased frequency shifts in high aspect ratio terahertz split ring resonators［J］. Appl.Phys.Lett.，2009，94（6）：064102.

［54］WALTHER M，ORTNER A，MEIER H，et al..Terahertzmetamaterials fabricated by inkjet printing［J］.Appl.Phys. Lett.，2009，95（25）：251107.

［55］KIM H，MELINGER JS，KHACHATRIAN A，et al..Fabrication of terahertzmetamaterials by laser printing［J］.Opt. Lett.，2010，35（23）：4039-4041.

［56］MIYAMARU F，KUBODA S，TAIMA K，et al..Three-dimensional bulk metamaterials operating in the terahertz range［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，96（8）：081105.

［57］ZAICHUN C，RAHMANIM，YANDONGG，etal..Realization of variable three-dimensional Terahertzmetamaterial tubes for passive resonance tunability［J］.Adv.Mater.，2012，24（23）：OP143-OP147.

［58］FAN K B，STRIKWERDA A C，TAO H，et al..Stand-up magnetic metamaterials at terahertz frequencies［J］.Opt.Express，2011，19（13）：12619-12627.

［59］ZHANG S，ZHOU J F，PARK Y S，et al..Photoinduced handedness switching in terahertz chiral metamolecules［J］. Nat.Commun.，2012，3：942.

［60］ARISMAR CERQUEIRA S.Recent progress and novel applications of photonic crystal fibers［J］.Rep.Prog.Phys.，2010，73（2）：024401.

［61］TUNIZ A，POPE B，WANG A，et al..Spatial dispersion in three-dimensional drawn magnetic metamaterials［J］.Opt. Express，2012，20（11）：11924-11935.

［62］OZBEY B，AKTASO.Continuously tunable terahertzmetamaterial employingmagnetically actuated cantilevers［J］.Opt. Express，2011，19（7）：5741-5752.

［63］KAFESAKIM，SHEN N H，TZORTZAKIS S，et al..Optically switchable and tunable terahertz metamaterials through photoconductivity［J］.J.Opt.，2012，14（11）：114008.

［64］PADILLAW，ARONSSON M，HIGHSTRETE C，et al..Electrically resonant terahertzmetamaterials：theoretical and experimental investigations［J］.Phys.Rev.B，2007，75（4）：041102.

［65］YEN T J.Terahertzmagnetic response from artificialmaterials［J］.Science，2004，303（5663）：1494-1496.

［66］MARQUESR，MEDINA F，RAFII-EL-IDRISSIR.Role of bianisotropy in negative permeability and left-handedmetamaterials［J］.Phys.Rev.B，2002，65（14）：144440.

［67］XU X L，QUAN BG，GU C Z，etal..Bianisotropic response ofmicrofabricated metamaterials in the terahertz region［J］. J.Opt.Soc.Am.B，2006，23（6）：1174-1180.

［68］DRISCOLL T，ANDREEV G O，BASOV D N，et al..Quantitative investigation of a terahertz artificialmagnetic resonance using oblique angle spectroscopy［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，90（9）：092508.

［69］ZHU Y H，VEGESNA S，KURYATKOV V，et al..Terahertz bandpass filters using double-stacked metamaterial layers［J］.Opt.Lett.，2012，37（3）：296-298.

［70］REITEN M T，ROY CHOWDHURY D，ZHOU J，et al..Resonance tuning behavior in closely spaced inhomogeneous bilayermetamaterials［J］.Appl.Phys.Lett.，2011，98（13）：131105.

［71］HUANG C，F(xiàn)ENG Y J，ZHAO JM，etal..Asymmetric electromagnetic wave transmission of linear polarization via polarization conversion through chiralmetamaterial structures［J］.Phys.Rev.B，2012，85（19）：195131.

［72］KENANAKISG，ZHAO R，STAVRINIDISA，et al..Flexible chiralmetamaterials in the terahertz regime：a comparative study of various designs［J］.Opt.Mater.Express，2012，2（12）：1702-1712.

［73］ZHAO Y，BELKIN M A，AL A.Twisted opticalmetamaterials for planarized ultrathin broadband circular polarizers［J］. Nat.Commun.，2012，3：870.

［74］MENZEL C，ROCKSTUHL C，LEDERER F.Advanced Jones calculus for the classification of periodicmetamaterials［J］. Phys.Rev.A，2010，82（5）：053811.

［75］SINGH R，PLUM E，MENZEL C，et al..Terahertzmetamaterialwith asymmetric transmission［J］.Phys.Rev.B，2009，80（15）：153104.

［76］SINGH R，PLUM E，ZHANGW L，et al..Highly tunable optical activity in planar achiral terahertzmetamaterials［J］. Opt.Express，2010，18（13）：13425-13430.

［77］WOO JH，CHOIE，KANG B，et al..Anisotropic change in THz resonance of planarmetamaterials by liquid crystal and carbon nanotube［J］.Opt.Express，2012，20（14）：15440-15451.

［78］REINHARD B，SCHMITT K M，WOLLRAB V，et al..Metamaterial near-field sensor for deep-subwavelength thickness measurements and sensitive refractometry in the terahertz frequency range［J］.Appl.Phys.Lett.，2012，100（22）：221101.

［79］VENDIK O G，ODITM A，KHOLODNYAK D V，et al..Tunable metamaterials for controlling THz radiation［J］.IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，2012，2（5）：538-549.

［80］ZHOU Q L，SHIY L，WANG A H，et al..Ultrafast opticalmodulation of terahertzmetamaterials［J］.J.Opt.，2011，13（12）：125102.

［81］LIW，KUANG D F，F(xiàn)AN F，etal..Subwavelength B-shapedmetallic hole array terahertz filterwith InSb bar as thermally tunable structure［J］.Appl.Optics.，2012，51（29）：7098-7102.

［82］ZHELUDEV N I，KIVSHAR Y S.From metamaterials tometadevices［J］.Nat.Mater.，2012，11（11）：917-924.

Fabrication，design and application of THzmetamaterials

PAN Xue-cong1，YAO Ze-han2，XU Xin-long1，2*，WANG Li1
（1.Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics，Institute of Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2.State Key Laboratory Incubation Base of Photoelectric Technology and Functional Materials，Institute of Photonics&Photon-Technology，Northwest University，Xi′an 710069，China）
*Corresponding author，E-mail：xlxuphy@nwu.edu.cn

In this paper，the electromagnetic responses and potential applications of THzmetamaterials are reviewed through the focus on fabrication，unit structure design，and material selection，respectively.It describes different kinds of fabrication technologies for obtaining metamaterials with special electromagnetic responses such asmagnetic resonance and reconfigurable tunability，which is helpful for further understanding of electromagnetic resonances in metamaterials.The paper analyzes the electromagnetic response characteristics in detail and points out that the unit structure design can be used to obtain desired electromagnetic characteristics，such as anisotropy，bianisotropy，polarization modulation，multiband response，broadband response，asymmetric transmission，optical activity，and perfect absorption，etc.The dependence of electromagnetic responses upon surrounding dielectrics can be used not only to control resonant frequency by a proper substrateselection，but also for sensing applications.Furthermore，the introduction of functionalmaterialswith controllable dielectric properties by external optical field，electrical field，magnetic field and temperature has the potential to achieve tunablemetamaterials，which is highly desirable for THz functional devices.Finally，the opportunities and challenges for further developments of THzmetamaterials are briefly introduced.

metamaterials;THz technology;structure design;modulation;polarization

O441；TB34

A

10.3788/CO.20130603.0283

潘學(xué)聰（1983—），女，河北肅寧人，博士研究生，2006年于河北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事超材料在太赫茲波段電磁響應(yīng)的研究。E-mail：panxuecong06@mails.gucas.ac.cn

姚澤瀚（1990—），男，廣州汕頭人，碩士研究生，2012年于廣東工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事超材料的設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用等方面的研究。E-mail：bluenceyezi@gmail.com

徐新龍（1976—），男，江蘇南通人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，2000年、2003年于首都師范大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2006年于中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事超材料，納米材料的光電性質(zhì)以及太赫茲光電技術(shù)等方面的研究。E-mail：xlxuphy@ nwu.edu.cn

汪 力（1956—），男，安徽蕪湖人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，1982年于安徽師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1989年于中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事激光物理、太赫茲波與物質(zhì)相互作用等方面的研究。E-mail：wangli@aphy.iphy.ac.cn

1674-2915（2013）03-0283-14

2013-02-17；

2013-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.10834015;No.61077082）;陜西省科技新星資助項(xiàng)目（No.2012KJXX-27）;陜西省光電技術(shù)與功能材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地基金資助項(xiàng)目（No.ZS12018）