張 勇，張斌珍，段俊萍，王萬軍

(1 中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051；2 中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原030051；3路易斯安那州立大學(xué) 機械工程系，美國巴吞魯日70803)

?

超材料在完美吸波器中的應(yīng)用

張 勇1,2，張斌珍1,2，段俊萍1,2，王萬軍3

(1 中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051；2 中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原030051；3路易斯安那州立大學(xué) 機械工程系，美國巴吞魯日70803)

超材料的電磁響應(yīng)不僅由其構(gòu)成材料決定，更與其諧振單元的微結(jié)構(gòu)和排列組合息息相關(guān)，基于電磁超材料的完美吸波器(Perfect Metamaterial Absorber, PMA)通過設(shè)計合理的諧振器微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對特定頻段電磁波的100%吸收。PMA具備設(shè)計靈活、響應(yīng)可調(diào)、吸波強、頻帶寬、厚度薄、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點，可廣泛用于隱身材料、頻率選擇表面、太赫茲成像、微型天線、智能通信、電磁波探測及調(diào)控等領(lǐng)域。本文在結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上綜述了基于PMA發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)特征、制備工藝、性能測試等，以期獲得對PMA更為深刻和全面的理解。最后對PMA的發(fā)展趨勢、應(yīng)用前景和亟待解決的問題做了探討，具備多功能的主動智能PMA和基于新工藝、新材料的新型PMA將是未來的發(fā)展趨勢。

吸波器；超材料；隱身衣；綜述

隨著電磁探測技術(shù)的快速發(fā)展，電磁信息的泄漏給世界各國的防御體系和軍事裝備的生存能力帶來了嚴(yán)重威脅，為此隱身技術(shù)應(yīng)運而生，采用吸波材料是隱身技術(shù)的一種重要形式，常見的吸波材料有等離子體吸波層[1]、納米吸波材料[2]、鐵氧體吸波材料[3]、導(dǎo)電高聚物吸波材料[4,5]、手性材料[6]、超材料等。在隱身材料和電磁兼容技術(shù)當(dāng)中，電磁吸波材料的作用十分強大，地位也日益突出，是現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的“秘密武器”[7]。超材料是指一類由亞波長尺寸的具有特殊共振響應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)單元周期性排列組合而成的等效均勻人工復(fù)合材料，即利用人造諧振胞元替代自然材料中的原子及分子來形成新的電磁響應(yīng)介質(zhì)，其具有天然材料所不具備的異常物理特性如負磁導(dǎo)率、負電導(dǎo)率等。超材料的設(shè)計是完全逆向的，即針對電磁波的響應(yīng)應(yīng)用需求制造出相應(yīng)功能的材料。超材料的性能既取決于其諧振器單元結(jié)構(gòu)及其排列組合又取決于其結(jié)構(gòu)材料，其出現(xiàn)為人為 “操控”電磁波帶來了可能，從而可以通過人工手段實現(xiàn)諸如負折射[8]、隱身斗篷[9,10]、完美透鏡[11]等新穎的電磁現(xiàn)象。基于超材料的完美吸波器 (Perfect Metamaterial Absorber，PMA) 是近期發(fā)展起來的一種新型人工吸波材料，主要由一些特殊的金屬結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)板組合而成，其通過合理設(shè)計諧振單元的物理尺寸及材料參數(shù)，使電磁超材料吸收器與自由空間達到良好的阻抗匹配，以降低電磁波的反射，從而能夠與入射電磁波的電磁分量產(chǎn)生強耦合，對入射到PMA的特定頻帶內(nèi)的電磁波實現(xiàn) 100%的吸收。研究PMA的吸波性能需要同時考慮其阻抗匹配特性和衰減特性。阻抗匹配特性指的是利用特殊的微結(jié)構(gòu)陣列，使入射電磁波在超材料的表面形成最小反射，進而更多地進入材料內(nèi)部，衰減特性指的是通過提高介質(zhì)材料電磁參數(shù)的虛部來耗損更多的入射電磁波。PMA相比傳統(tǒng)吸波材料具有吸收強、質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬等優(yōu)點[12,13]。PMA的典型結(jié)構(gòu)是三明治結(jié)構(gòu)：其頂層為周期性圖案的金屬結(jié)構(gòu)，中間層是一層電介質(zhì)材料，底層是厚度大于趨膚深度的金屬基板，通過調(diào)整諧振單元的形狀、尺寸、排列、材料等可以改變共振的強度及共振頻率的位置。PMA的潛在應(yīng)用主要包括電磁器件、輻射熱儀、傳感器、電磁波隱身、探測及調(diào)控等領(lǐng)域。目前，PMA的響應(yīng)頻段成功地突破了太赫茲“禁帶”，為其在醫(yī)學(xué)、生物、軍事等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用前景[14]。本文主要對PMA發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)特征、制備工藝、性能測試等進行了分類綜述，最后， 重點對PMA的發(fā)展趨勢、應(yīng)用前景和亟待解決的問題做了深入探討。

1 PMA歷程

自2008年Landy等[15]首次提出PMA后，隨著研究的不斷深入，新型吸波結(jié)構(gòu)單元不斷被提出，PMA的吸波性能也得到明顯改進：多頻PMA[16-30]、寬頻PMA[31-39]、可調(diào)PMA[40-58]和偏振無關(guān)PMA[59,60]也相繼被報道。

1.1 單頻PMA

2008年，Landy等[15]首次提出的PMA是一種三層式結(jié)構(gòu)吸收器，見表1，其中底層為長方形的金屬條，中間層為介質(zhì)層，頂層為超表面層。該PMA在11.65GHz能達到對入射電磁波近100%的吸收。理論分析得出完美的吸收效果主要來源于頂層開口諧振環(huán) (Split Ring Resonators，SRRs) 共振單元的LC共振，中間介質(zhì)層的作用是調(diào)節(jié)電磁吸波器的阻抗，使入射電磁波盡可能地進入其內(nèi)部，底層金屬條的作用是使電磁波無法透過吸波器。

1.2 多頻PMA

目前，關(guān)于多頻PMA有大量的文獻報道，其實現(xiàn)方式可以歸結(jié)為四類：第一種方式是把具有不同幾何形狀的多種諧振結(jié)構(gòu)組合在一起[16-19]；第二種是把具有不同尺寸、相同幾何形狀的諧振結(jié)構(gòu)組合在一起[20-23]；第三種是把具有相同尺寸、相同幾何形狀的諧振結(jié)構(gòu)按照一定的旋轉(zhuǎn)排列方式組合在一起[24-27]；第四種是把不同的諧振結(jié)構(gòu)按照不同層次垂直排列在多個層[28-30]。前三種方法的結(jié)構(gòu)單元由多個子單元組成，所以通常具有較大的尺寸，第四種方法在加工上存在困難，因為各層之間的圖形要精確對準(zhǔn)。

2013年，Hu等[30]設(shè)計了一種極化不敏感、高吸收率、可以實現(xiàn)四頻段吸收的太赫茲波PMA。如表1所示，從下往上看，該吸收器結(jié)構(gòu)單元由金屬薄膜層、第一介質(zhì)層、金屬十字架、第二介質(zhì)層和金屬諧振器共五層結(jié)構(gòu)組成。仿真結(jié)果顯示在0.68,1.27,2.21THz和3.05THz四個頻段，其吸收率分別達到了98%,97%,98%和97%。該PMA在太赫茲頻率選擇性檢測、太赫茲傳感和太赫茲熱成像等方面具有潛在的應(yīng)用價值，但其在制造加工上有一定難度。

1.3 寬頻PMA

目前所研究的PMA大多僅能在窄帶范圍內(nèi)實現(xiàn)對入射電磁波的高吸收，因此極大地限制了其潛在的應(yīng)用。利用有效的方法實現(xiàn)吸波頻帶的拓展，是當(dāng)前亟待解決的問題。概括來說，設(shè)計寬頻PMA的方法主要有三種：第一種是利用多層金屬與介質(zhì)層交替疊加實現(xiàn)寬帶吸收[31,32];第二種是在厚度方向上多層金屬嵌套實現(xiàn)寬帶吸收[33-36];第三種是在平面內(nèi)通過不同尺寸金屬單元排列來實現(xiàn)寬帶吸收[37-39]。其中第三種方法僅設(shè)計三層結(jié)構(gòu),在工藝上容易實現(xiàn)，而且成本相對較低。

2012年，Cui等[36]通過鋸齒狀各向異性超材料制備出一種超寬紅外PMA。整個吸收的半高峰寬 (Full Width at Half Maximum, FWHM) 達到86%，是傳統(tǒng)單頻帶半峰寬的5倍。這種寬譜帶的吸收可以用各向異性超材料波導(dǎo)中的慢光模式來解釋。橫磁波(Transverse Magnetic Wave，TMW)沿著+z方向垂直入射時的吸收光譜如表1所示，在波長3～5.5μm的范圍內(nèi)，吸收峰的強度均可達到95%。

2014年，鄒濤波等[39]提出的寬帶PMA依據(jù)了多個吸收峰疊加擴展帶寬的原理，如表1所示，其表面金屬層包含五種尺寸相近的金屬塊作為諧振器，它們的排列規(guī)律是：在每一個陣列周期中，五種尺寸相近的金屬塊按照相鄰不同的規(guī)則排列成一個5×5的方形陣列，即每一金屬塊與其相鄰四塊尺寸均不相同，這樣就可以實現(xiàn)將五個相鄰的諧振吸收峰疊加，并最大限度地擴展帶寬。寬帶PMA在x和y方向上的周期大小均為100μm，中間介質(zhì)層厚度t=2.65μm，兩層金屬厚度0.2μm。所設(shè)計的PMA的最高吸收率可達到98.7%，吸收率80%以上對應(yīng)的帶寬約為1.2THz，F(xiàn)WHM達到了1.6THz，吸收帶的中心頻率約為4.98THz，對應(yīng)的中心波長為60.24μm，大約是吸波體總厚度3.05μm的20倍，表明該寬頻PMA具有超薄的特點。

1.4 可調(diào)PMA

雖然PMA的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的進展，但仍有不足，例如，諧振單元的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸一旦確定并加工完成，其吸收頻率點就單一固定，不具有可調(diào)性。所以，吸收頻帶能動態(tài)調(diào)控的PMA受到廣大學(xué)者的高度重視。PMA的電磁響應(yīng)依賴于諧振胞元的電磁參數(shù)，相變、電光、磁光、溫度敏感等功能材料的引入可以獲得光場、 電場、 磁場、 溫度等可調(diào)PMA。

1.4.1 光控PMA

2011年，Chowdhury等[40]在SRRs的狹縫中嵌入硅片，見表1，基底材料為藍寶石。入射太赫茲波的偏振方向與開口狹縫平行，當(dāng)沒有泵浦光照射器件表面時，太赫茲透射譜在0.6THz和1.76THz處分別出現(xiàn)基模LC諧振和三階偶極共振。當(dāng)泵浦光照射至器件表面并逐漸增加能量時，狹縫內(nèi)的硅片由于光致導(dǎo)電損耗的增加導(dǎo)致LC諧振和三階偶極共振強度逐漸減弱，且諧振頻率發(fā)生紅移。當(dāng)泵浦光的能量增加至1200mW時，原始的兩處諧振消失，在1.28THz處出現(xiàn)一個新的諧振。

1.4.2 溫控PMA

通過溫度的調(diào)控可以改變一些半導(dǎo)體、金屬氧化物、相變材料和超導(dǎo)體的光學(xué)響應(yīng)，將這些材料用于PMA的設(shè)計可以實現(xiàn)對太赫茲波的溫度調(diào)控。

2010年，Wen等[41]在石英玻璃基底上制作了如表1所示的VO2線型陣列。當(dāng)器件處于室溫環(huán)境，絕緣相的VO2陣列對太赫茲波幾乎沒有影響，器件對1THz以下的太赫茲波透過率高達84%。當(dāng)溫度升高至相變溫度時，VO2陣列表現(xiàn)出金屬陣列的性質(zhì)，由于諧振頻率0.6THz處的太赫茲波被大量地吸收與反射導(dǎo)致該點的透過率下降，當(dāng)溫度升高到340K時，器件對太赫茲波的振幅調(diào)制深度高達65%。

高溫超導(dǎo)體是指臨界溫度在77K(即液氮溫度)以上表現(xiàn)為超導(dǎo)體的材料，用超導(dǎo)體代替金屬制作太赫茲波段的超材料，通過控制其工作溫度可以實現(xiàn)對太赫茲波的調(diào)控。2010年，Chen等[42]利用外延生長的高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧化合物(YBCO)制作的SRRs，其厚度為180nm。YBCO的臨界溫度為90K，當(dāng)器件工作溫度由20K上升至84K時，YBCO的超導(dǎo)態(tài)逐漸減弱，電導(dǎo)率逐漸降低，等效于金屬超材料結(jié)構(gòu)的諧振強度逐漸減弱，且諧振頻率發(fā)生從0.61THz至0.55THz的紅移；當(dāng)工作溫度從84K提高至100K時，器件的諧振頻率出現(xiàn)藍移，而諧振強度繼續(xù)減弱。理論分析得知，當(dāng)YBCO的電導(dǎo)率實部與虛部相等時，諧振頻率達到最低。

2011年，Zhu等[43]設(shè)計了一種三層結(jié)構(gòu)的吸波器，頂層為200nm厚Au雙開口諧振環(huán)，底層為200nm厚的Au基板。中間介質(zhì)層為對溫度敏感的60μm厚的銻化銦(InSb)材料。Ge2Sb1Te4結(jié)晶相和無定型相之間的介電函數(shù)差別很大，2013年，Cao等[44]設(shè)計了一種基于相變材料Ge2Sb1Te4的可調(diào)諧PMA。

此外，2015年,Du等[45]以Si3N4為基底層，VO2和Si作為中間介質(zhì)層，半徑為530nm的Au圓盤陣列為頂層超表面層，工作于中、遠紅外頻段的整個PMA僅185nm厚，他們將制備出的PMA用于紅外熱成像、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的微型輻射計，推動PMA走向商業(yè)化應(yīng)用。

1.4.3 柔性PMA

微機電和光刻技術(shù)的發(fā)展為微機械可調(diào)PMA提供了一個理想平臺,與傳統(tǒng)制備工藝相比，基于柔性材料的可重構(gòu)PMA的制作方法更加簡單有效。機械可調(diào)PMA以柔性基底的機械延展性為基礎(chǔ)，通過機械拉伸使基底產(chǎn)生應(yīng)力變形，從而對基底上的亞波長周期性微結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)連續(xù)、可逆的調(diào)諧，進而改變器件的電磁響應(yīng)。

Pryce等分別于2010年[46]和2011年[47]進行了柔軟基底材料上的開口諧振環(huán)拉伸與恢復(fù)實驗，基底材料為厚度100μm的聚二甲基硅氧烷 (Polydimethyisiloxane，PDMS)，諧振環(huán)陣列由厚度為100nm的Au構(gòu)成，隨著機械拉伸力的增加，樣品的形變率可達50%，其諧振頻率出現(xiàn)明顯的藍移。然而，對恢復(fù)形變后的樣品進行透射譜測量卻發(fā)現(xiàn)諧振頻率與拉伸前相比有了明顯的偏差，表明機械拉伸形變對超材料單元的諧振模式產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的影響。為了避免這種對諧振單元破壞性的形變，2012年，Lee等[48]對PDMS基底材料進行了預(yù)先的拉伸處理，然后將制作在超薄硬樹脂材料上的諧振單元結(jié)構(gòu)薄膜黏附在保持拉伸狀態(tài)的PDMS基底上。當(dāng)外力被撤去時，形變恢復(fù)的PDMS會導(dǎo)致超材料薄膜層因收縮而形成褶皺，經(jīng)定型處理后得到的樣品可以隨著機械拉伸形變使超材料薄膜層的褶皺被逐漸拉平，從而使諧振單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可逆形變。然而超材料薄膜的褶皺結(jié)構(gòu)使得其本身的諧振強度不高，且測得信號的品質(zhì)因數(shù)較低。

為了減小諧振單元在應(yīng)力形變下的結(jié)構(gòu)形變，Li等[49]簡化了超材料結(jié)構(gòu)模型，在PDMS基底上制作了由“I”形結(jié)構(gòu)的諧振單元組成的金屬周期陣列，如表1所示，當(dāng)太赫茲波垂直入射器件表面時，在縱向相鄰的單元結(jié)構(gòu)之間形成了強烈的振蕩電場耦合，電場能量幾乎全部集中于縱向相鄰單元之間的狹縫邊緣。當(dāng)器件受縱向外力作用時，PDMS基底將會產(chǎn)生形變，但由于諧振單元結(jié)構(gòu)之間彼此獨立，器件的形變將主要發(fā)生在相鄰單元之間的狹縫區(qū)域，金屬諧振單元本身的形變很小，保持了原有的諧振特性，并因為狹縫形變導(dǎo)致其電容改變，有效地調(diào)制了超材料的諧振頻率，隨拉力的增大，狹縫寬度增加，振蕩電場耦合減弱，諧振頻率發(fā)生藍移。對樣品進行多次拉伸和恢復(fù)的測量結(jié)果表明，除第一次拉伸和恢復(fù)之外，第二次以后的機械形變對超材料的諧振特性的改變基本保持穩(wěn)定，關(guān)于第一次的不可逆形變，可由金屬層的微裂痕遷移模型[50]來解釋。此外，在狹縫寬度不變的情況下，利用交叉指結(jié)構(gòu)對平行直線狹縫結(jié)構(gòu)進行改良可增強結(jié)構(gòu)的等效電容，提升信號的品質(zhì)因數(shù)，并獲得更大的可調(diào)諧范圍。

1.4.4 壓控PMA

在面向?qū)嶋H應(yīng)用時，通過外加電壓對PMA進行調(diào)制無疑是一個具有吸引力的課題。與光控PMA的原理類似，壓控的機理為通過電學(xué)注入或消耗半導(dǎo)體內(nèi)的載流子，使半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度發(fā)生改變。Shrekenhamer等[51]于2013年提出了一種液晶可調(diào)型PMA，如表1所示，5CB型液晶完全填充和封裝在聚酰亞胺介質(zhì)層和頂層金屬結(jié)構(gòu)之間，通過在頂層金屬結(jié)構(gòu)和底部金屬薄膜之間施加偏置電壓來控制5CB型液晶的折射率大小，從而影響PMA的中心吸收頻率點。實驗證實，當(dāng)偏置電壓為0V時，在2.62THz處的吸收率為85%，吸收率超過50%的帶寬為600GHz；當(dāng)偏置電壓為4V時，在2.5THz處的吸收率為80%，吸收率超過50%的帶寬為420GHz。說明該PMA的峰值吸收頻率點的調(diào)節(jié)范圍達到4.6%。

2014年，Woo等[52]以Au為基底，柔性高聚物為中間介質(zhì)層，單層石墨烯作為超材料結(jié)構(gòu)層，因需要較厚的介質(zhì)層來實現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配，整個PMA的厚度高達100μm，此外由于單層石墨烯過薄，導(dǎo)致整個PMA的電磁響應(yīng)很微弱。2014年，Zhang等[53]設(shè)計的偏振無關(guān)壓控的PMA單元結(jié)構(gòu)如表1所示，頂層為十字型金屬諧振器，薄SiO2層的兩側(cè)濺射雙層十字型石墨烯，柔性高聚物為介質(zhì)層，Au為基底層，通過在雙層石墨烯層加載的直流電壓Vg改變單層石墨烯的費米能級，實現(xiàn)費米能級的大范圍諧調(diào)(-1～1eV)，進而連續(xù)控制其電導(dǎo)率，改變其諧振頻率。仿真分析得出，隨著化學(xué)勢的增加，吸波器諧振頻率發(fā)生藍移，然而在1.1THz附近，由于阻抗不再完美匹配，導(dǎo)致部分入射電磁波無法進入PMA內(nèi)部，從而出現(xiàn)吸波峰值的小幅下降。2015年，Su等[54]直接在150nm厚金質(zhì)薄膜上濺射由氟化鎂和石墨烯構(gòu)成的多層堆疊的超材料結(jié)構(gòu)層。堆疊超材料層邊長360nm、厚度75.5nm(氟化鎂層75nm，石墨烯層0.5nm)，整個PMA厚度905nm，石墨烯的介電常數(shù)在太赫茲頻段為負值，每個介質(zhì)層可看作各向異性的色散媒介，用作產(chǎn)生強吸收的亞波長電磁諧振器。此外，因為結(jié)構(gòu)單元尺寸遠小于入射波的波長，他們運用等效介質(zhì)理論進一步分析與驗證其吸波情況。

1.4.5 磁控PMA

1.5 偏振無關(guān)PMA

由于大多超表面層的微結(jié)構(gòu)對入射光偏振的敏感度較高，使得吸波效果受偏振的影響較大，需要設(shè)計新的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)偏振無關(guān)的完美吸收。Landy等[59]提出了一種太赫茲波段的PMA，如表1所示，該PMA包括兩層金屬結(jié)構(gòu)：上層為改進了的電共振器，下層為十字型金屬微結(jié)構(gòu)。改進的電共振器相對于入射電磁波的傳播方向具有四重旋轉(zhuǎn)對稱性，因此該PMA的吸收光譜受入射電磁波偏振的影響較小。該結(jié)構(gòu)采用了中心對稱的形式，以此來消除各向異性。仿真結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在1.13THz時的電磁波吸收率達到了95%，而通過實測得到的電磁波吸收率也達到了77%。理論和實驗均證明了四向?qū)ΨQ形狀等類似的中心對稱型電磁諧振環(huán)可以增強吸波材料極化不敏感特性。

另外，張燕萍等[60]設(shè)計具有分形結(jié)構(gòu)的樹枝狀諧振器，制備出極化不敏感的PMA。單元結(jié)構(gòu)由中間的0.8mm厚的環(huán)氧樹脂板以及介質(zhì)板正反面上刻蝕的金屬銅樹枝狀分形結(jié)構(gòu)組成，實驗結(jié)果表明，雙面大小樹枝模型最大可以實現(xiàn)90.01%的吸收率，增加樣品的層數(shù)可以有效地增加吸收率，三層樣品就可以達到99%以上的吸收率，實現(xiàn)工程意義上的完美吸收，并且可以得出更好的中心對稱型使得這種結(jié)構(gòu)擁有了更好的極化不敏感特性。

表1 不同類型PMA的結(jié)構(gòu)單元、物理尺寸、性能匯總表

Table 1 Summary of unit, size and performance of different MPAs

TypeUnitSizePerformanceSingleband[15]a1=4.2mma2=12mmW=3.9mmG=0.6mmt=0.6mmL=1.7mmH=11.8mmMultiband[30]t1=2.4μmt2=4.2μmL1=58μmL2=17μmW=68μmW1=14μmW2=5μmW3=5μmg=16μmBroadband[36,39]P=800nmT=1000nmWs=150nmWl=600nmtd=35nmtm=15nmD1=19μmD2=17.86μmD3=16.72μmD4=15.58μmD5=15.51μmt=2.65μmd=20μmLight-tuned[40]l=36μmw=4μmg=4μmp=46μm

續(xù)表1

TypeUnitSizePerformanceTemperature-tuned[41]t=13.25μmd=30.75μmw=6.25μml=107.25μmFlexible[49]a=63μms=48μml=60μmw=5μmVoltage-tuned[51,52]a=50μmc=20μmd=16μmw=4.5μmw2=4.5μmw3=5μmw=15μml=92μmwg=5μmP=120μmts=0.3μmtp=12.5μmtm=0.5μmVg=-0.5-0.5eVMagnetic-tuned[55]a=6μmb=50μmd=36μmw=4μmg=2μmt=8μms=10μmPolarizationinsensitive[59]a=84μmL1=52.5μmL2=74μmL3=64μmw=11μmg=4μm

Note:A-Absorption;R-Reflection;T-Transmission

2 PMA展望

盡管PMA取得了眾多研究成果，但其在吸波性能的諸多方面仍然有待進一步的提高，如吸波速率、吸波穩(wěn)定性、吸波持久性、吸波可調(diào)性、功率消耗等。接下來的研究中，人們一方面將對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝進行進一步的改進和優(yōu)化，另一方面將繼續(xù)探索PMA的新機理、新方法和新材料等。在未來的發(fā)展中，以下方面將值得關(guān)注。

(1)隨著科技的進步和應(yīng)用需求的發(fā)展，在提高PMA吸波性能的同時，PMA還應(yīng)向多功能方向發(fā)展，例如為適應(yīng)多氣候環(huán)境而研制出既可完美吸波又能兼顧防腐、自清潔、抗冰雪等多功能PMA。在功能得到拓展的同時，調(diào)控自由度和靈活性要得到進一步的提高。例如，目前的可調(diào)光PMA基本上都是對整個結(jié)構(gòu)單元陣列一起進行調(diào)制，實現(xiàn)具有單元調(diào)控能力的可編程PMA將是一個頗具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

(2)設(shè)計集傳感、驅(qū)動和控制等機構(gòu)于一身的可主動感知分析電磁波并做出最佳響應(yīng)的主動智能PMA，并結(jié)合材料的記憶功能、自組裝特性等特殊功能，進一步開發(fā)出在損壞后具備自感與自修復(fù)能力的主動智能修復(fù)PMA等，將更具有學(xué)術(shù)研究價值與實際應(yīng)用前景。

(3)隨著制備技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)各向同性PMA將是隱身材料研究領(lǐng)域追求的目標(biāo)。目前的PMA主要是制備在剛性基底(石英、硅等)上的平面金屬結(jié)構(gòu)，基于標(biāo)準(zhǔn)的微加工工藝，雖然金屬便于制備形狀各異的周期結(jié)構(gòu)，但歐姆損耗會影響超材料在高頻段的電磁諧振。這需要從理論和實驗上進一步研究金屬PMA特定吸波性能與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計，降低損耗，改進器件性能。除了傳統(tǒng)的金屬PMA，半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、液晶、硫系玻璃等的加入為實現(xiàn)低損、可調(diào)PMA提供了更多的選擇。未來利用噴墨印刷、3D打印、激光燒蝕、光刻、納米壓印等新工藝，在Parylene、SU-8等柔性基底上制備出簡單可調(diào)PMA將是趨勢。

(4)由于超材料諧振器的單元尺寸要遠遠小于入射電磁波的波長，現(xiàn)有的制備工藝限制其在高頻段的實際應(yīng)用。新現(xiàn)象、新機理的探索以及新材料的應(yīng)用依然是PMA研究中的重要課題。以光機械超材料為例，這種新型可調(diào)光學(xué)超材料在物理現(xiàn)象、機理和應(yīng)用研究方面都還有很多值得探索的課題。從實驗上對這些超材料概念進行驗證將是接下來值得關(guān)注的課題。新的活性材料，特別是以石墨烯及其混合結(jié)構(gòu)、拓撲絕緣體為代表的新穎材料，在PMA中的應(yīng)用是前沿的研究課題。

3 結(jié)束語

超材料的一系列物理概念和新穎特性極大地拓展了人們對于電磁學(xué)的認(rèn)識，超材料為人們制備具有優(yōu)異電磁響應(yīng)的新材料提供了全新的設(shè)計理念，為人們操縱、控制電磁波提供了新途徑，尤其在吸波隱身領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。PMA由最初的單頻、窄帶、不可調(diào)、偏振敏感吸波發(fā)展到如今的多頻、寬頻、可調(diào)、偏振無關(guān)吸波，且朝著“厚度薄、密度低、頻段寬、吸收強”的方向快速發(fā)展。目前，PMA的研究還處于實驗研究和理論探索階段，PMA未來的發(fā)展離不開加工工藝的提高、新材料的探索、結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和對超材料電磁特異響應(yīng)的深入理解和研究，與諸如通信器件、電子設(shè)備等結(jié)合起來，制備出小型化、多功能化、低成本并能批量大面積生產(chǎn)的PMA將是其未來的主流發(fā)展方向。隨著科技的進步、廣大科研人員的努力和PMA的相關(guān)理論愈加成熟，必將有更多新型的PMA誕生于實驗室并最終走向市場。綜上所述，本文主要分類介紹了PMA的結(jié)構(gòu)及性能，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的研究集中在摸索性的應(yīng)用研究為主，缺乏理論的指導(dǎo)和突破性的創(chuàng)新，針對現(xiàn)有研究中的不足對未來PMA的發(fā)展趨勢做了探討。

[1] TANG D L, SUN A P, QIU X M, et al. Interaction of electromagnetic waves with a magnetized nonuniform plasma slab [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2003, 31(3): 405-410.

[2] 張克立，從長杰，郭光輝，等. 納米吸波材料的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版), 2003, 49(6): 680-684.

ZHANG K L, CONG C J, GUO G H, et al. Current status and prospect of nano absorbing materials [J]. Journal of Wuhan University (Natural Science Edition), 2003, 49(6): 680-684.

[3] YANG Y Q, WANG J N. Synthesis and characterization of a micro wave absorbing material based on magnetoplumbite ferrite and grapite nanosheet [J]. Materials Letters, 2014, 124(6): 151-154.

[4] 郭洪范，朱紅，林海燕，等. 導(dǎo)電高分子在雷達吸波材料中的應(yīng)用研究進展[J].化學(xué)工程師, 2007, 21(10): 26-29.

GUO H F, ZHU H, LIN H Y, et al. Research progress in conducting polymers as radar absorbing materials [J]. Chemical Engineer, 2007, 21(10): 26-29.

[5] 宮兆合，梁國正，任鵬剛，等. 導(dǎo)電高分子材料在隱身技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2004, 20(5): 29-32.

GONG Z H, LIANG G Z, REN P G, et al. The applications of the conductivity polymer in the stealthy technology [J]. Polymer Materials Science & Engineering, 2004, 20(5): 29-32.

[6] 趙靜，林藝，徐榮臻，等. 手性吸波材料研究進展[J]. 功能材料, 2013, 45(增刊1): 1-4.

ZHAO J, LIN Y, XU R Z, et al. Research in chiral absorbing materials [J]. Journal of Functional Materials, 2013, 45(Suppl 1): 1-4.

[7] 劉引峰，李琛駿，關(guān)士友. 導(dǎo)電聚合物在吸波材料中的應(yīng)用[J]. 高分子通報, 2014, 12(8):81-88.

LIU Y F, LI C J, GUAN S Y. Application of conductive polymers in microwave absorbing materials [J]. Polymer Bulletin, 2014, 12(8):81-88.

[8] SHELBY R A, SMITH D R, SCHULT S. Experimental verification of a negative index of refraction [J]. Science, 2001, 292(5514):77-79.

[9] SCHURING D, MOCK J J, JUSTICE B J. Metamaterial electromagnet cloak at microwave frequencies [J]. Science, 2006,314(5801): 977-980.

[10] CHEN H Y, CHAN C T, SHENG P. Transformation optics and metamaterials [J]. Nature Materials, 2010, 9(5): 387-396.

[11] PENDRY J B. Negative refraction makes a perfect lens [J]. Physical Review Letters, 2000, 85(18): 3966-3969.

[12] TUONG P V, PARK J W, RHEEJ Y, et al. Symmetric metamaterials based on flower-shaped structure [J]. Materials Chemistry and Physics, 2013, 141(1): 535-539.

[13] 劉亞紅，方石磊，顧帥，等. 多頻與寬頻超材料吸收器[J]. 物理學(xué)報, 2013, 62(13): 134102.

LIU Y H, FANG S L, GU S, et al. Multiband and broadband metamaterial absorbers [J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(13): 134102.

[14] 黃銳，許向東，敖天宏，等. 太赫茲超材料響應(yīng)頻率及頻帶的調(diào)控[J]. 紅外與毫米波學(xué)報, 2015, 34(1): 44-50.

HUANG R, XU X D, AO T H, et al. Modulation of response frequency and absorption bandwidth for terahertz metamaterials [J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2015, 34(1): 44-50.

[15] LANDY N I, SAJUYIGBE S, MOCK J, et al. Perfect metamaterial absorber [J]. Physical Review Letters, 2008, 100(20): 207402.

[16] MA Y B, ZHANG H W, LI Y X, et al. Dual-band and polarization-insensitive terahertz absorber based on fractal Koch curves [J]. Chinese Physics B, 2014, 23(5): 058102.

[17] SHEN X P, YANG Y, ZANG Y Z, et al. Triple-band terahertz metamaterial absorber: design, experiment and physical interpretation [J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(15): 154102.

[18] WEN Q Y, ZHANG H W, XIE Y S, et al. Dual band terahertz metamaterial absorber: design, fabrication and characterization [J].Applied Physics Letters, 2009, 95(24): 241111.

[19] SABAH C, DINCER F, KARAASLAN M, et al. Perfect metamaterial absorber with polarization and incident angle independencies based on ring and cross-wire resonators for shielding and a sensor application [J]. Optics Communications, 2014, 322(2): 137-142.

[20] 韓松，楊河林. 雙向多頻超材料吸波器的設(shè)計與實驗研究[J]. 物理學(xué)報, 2013, 62(17):174102.

HAN S, YANG H L. Study on the design and measurement of dual-directional multi-band metamaterial absorber [J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(17): 174102.

[21] YE Q W, LIU Y, LIN H. Multi-band metamaterial absorber made of multi-gap SRRs structure [J]. Applied Physics A, 2012,107(1): 155-160.

[22] XU H X, WANG G M, QI M Q, et al. Triple-band polarization-insensitive wide-angle ultra-miniature metamaterial transmission line absorber [J]. Physical Review B, 2012, 86(20): 3368-3375.

[23] VIET D T, HIEN N T, TUONG P V, et al. Perfect absorber metamaterials: peak, multi-peak and broadband absorption[J]. Optics Communications, 2014, 322(7): 209-213.

[24] PARK J W, TUONG P V, RHEE J Y, et al. Multi-band metamaterial absorber based on the arrangement of donut-type resonators [J]. Optics Express, 2013, 21(8): 9601-9702.

[25] CHEN K, ADATO R, ALTUG H. Dual-band perfect absorber for multispectral plasmon-enhanced infrared spectroscopy [J]. ACS Nano, 2012, 6(9): 7998-8001.

[26] JIANG Z H, YUN S, TOOR F, et al. Conformal dual-band near-perfectly absorbing mid-infrared metamaterial coating [J]. ACS Nano, 2011, 5(6): 4641-4647.

[27] ZHANG B X, ZHAO Y H, HAO Q Z, et al. Polarization-independent dual-band infrared perfect absorber based on a metal-dielectric-metal elliptical nanodisk array [J]. Optics Express, 2011, 19(16): 15221-15228.

[28] XU Z C, GAO R M, DING C F, et al. Multiband metamaterial absorber at terahertz frequencies [J]. Chinese Physics Letters, 2014,31(5): 054205.

[29] DAYAL G, ANANTHA R. Broadband infrared metamaterial absorber with visible transparency using ITO as ground plane [J]. Optics Express, 2014, 22(12): 015104.

[30] HU F R, WANG L, QUAN B G, et al. Design of a polarization insensitive multiband terahertz metamaterial absorber [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2013, 46(19): 195103.

[31] HE S L, CHEN T. Broadband THz absorbers with graphene-based anisotropic metamaterial films [J]. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2013, 3(6): 757-763.

[32] TUONG P V, PARK J W, LAM V D, et al. Dielectric and ohmic losses in perfectly absorbing metamaterials [J]. Optics Communications, 2013, 295(10): 17-20.

[33] WANG B X, WANG L L, WANG G Z, et al. Theoretical investigation of broadband and wide-angle terahertz metamaterial absorber [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(2): 111-114.

[34] HUANG L, CHOWDHURY D R, RAMANI S, et al. Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band [J]. Optics Letters, 2012, 37(2): 154-156.

[35] LUO H, HU X H, QIU Y, et al. Design of a wide-band nearly perfect absorber based on multi-resonance with square patch [J]. Solid State Communications, 2014, 188: 5-11.

[36] CUI Y X, FUNG K H, XU J, et al. Ultra-broadband light absorption by a sawtooth anisotropic metamaterial slab [J]. Nano Letters, 2012,12(3): 1443-1447.

[37] CHENG Y Z, NIE Y, GONG R. A polarization-insensitive and omnidirectional broadband terahertz metamaterial absorber based on coplanar multi-squares film [J]. Optics & Laser Technology, 2013, 48(6): 415-421.

[38] WEN Y Z, MA W, BAILEY J, et al. Planar broadband and high absorption metamaterial using single nested resonator at terahertz frequencies [J]. Optics Letters, 2014, 39(6): 1589-1592.

[39] 鄒濤波，胡放榮，肖靖, 等. 基于超材料的偏振不敏感太赫茲寬帶吸波體設(shè)計[J]. 物理學(xué)報, 2014, 63(17): 178103.

ZOU T B, HU F R, XIAO J, et al. Design of a polarization-insensitive and broadband terahertz absorber using metamaterials[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(17): 178103.

[40] CHOWDHURY D R, SINGH R, O’HARA J F, et al. Dynamically reconfigurable terahertz metamaterial through photo-doped semic onductor [J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(23): 231101.

[41] WEN Q Y, ZHANG H W, YANG Q H, et al. Terahertz metamaterials with VO2cut-wires for thermal tunability [J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(2): 021111.

[42] CHEN H T, YANG H, SINGH R, et al. Tuning the resonance in high-temperature superconducting terahertz metamaterials [J]. Physical Review Letters, 2010, 105(24): 135-141.

[43] ZHU J, HAN J G, TIAN Z, et al. Thermal broadband tunable terahertz metamaterials[J]. Optics Communication, 2011, 284(12):3129-3133.

[44] CAO T, ZHANG L, SIMPSON R E, et al. Mid-infrared tunable polarization independent perfect absorber using a phase change metamaterial [J]. Journal of the Optical Society of America B, 2013, 30(6): 1580-1585.

[45] DU K K, LI Q, ZHANG W C, et al. Wavelength and thermal distribution selectable microbolometers based on metamaterial absorbers [J]. IEEE Photonics Journal, 2015, 7(3): 1-8.

[46] PRYCE I M, AYDIN K, KELAITA Y A, et al. Highly strained compliant optical metamaterials with large frequency tunability[J]. Nano Letters, 2010, 10(10): 4222-4227.

[47] PRYCE I M, AYDIN K, KELAITA Y A, et al. Characterization of the tunable response of highly strained compliant optical metamaterials [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2011, 369(4): 3447-3455.

[48] LEE S, KIM S, KIM T T, et al. Reversibly stretchable and tunable terahertz metamaterials with wrinkled layouts [J]. Advanced Materials, 2012, 24(26): 3491-3497.

[49] LI J N, SHAH C M, WITHAYACHUMNANKUL W, et al. Mechanically tunable terahertz metamaterials [J]. Applied Physics Letters, 2013,102(12): 121101.

[50] LACOUR S P, CHAN D, WAGNEr S, et al. Mechanisms of reversible stretchability of thin metal films on elastomeric substrates[J]. Applied Physics Letters, 2006, 88(20): 204103.

[51] SHREKENHAMER D, CHEN W C, PADILLA W J. Liquid crystal tunable metamaterial absorber [J]. Physical Review Letters,2013, 110(17):177403.

[52] WOO J M, KIM M S, KIM H W, et al. Graphene based salisbury screen for terahertz absorber [J]. Applied Physics Letters, 2014, 104(8): 081106.

[53] ZHANG Y, FENG Y J, ZHU B, et al. Graphene based tunable metamaterial absorber and polarization modulation in terahertz frequ-ency [J]. Optics Express, 2014, 22(19): 216543.

[54] SU Z X, YIN J B, ZHAO X P, et al. Terahertz dual-band metamaterial absorber based on graphene/MgF2multilayer structures [J]. Optics Express, 2015, 23(2): 217308.

[55] 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(5):42-45.

CHENG W, LI J S, HU J R. Research of tunable terahertz wave absorber based on magnetic dielectric rods [J]. Electronic components and materials, 2013, 32(5): 42-45.

[56] SHALABY M, PECCIANTI M, OZTURK Y, et al. Terahertz faraday rotation in a magnetic liquid: high magneto-optical figure of merit and broadband operation in a ferrofluid [J]. Applied Physics Letters, 2012, 147(100): 241107.

[57] SHALABY M, PECCIANTI M, OZTURK Y. A magnetic non-reciprocal isolator for broadband terahertz operation [J]. Nature Communications, 2013, 4(3): 67-88.

[58] WANG C, YAN C C, TIAN J B, et al. Actively tunable metamaterial resonators based on colossal magnetoresistance in the infrared regime [J]. Chinese Optics Letters, 2015, 16(5): 051601.

[59] LANDY N I, BINGHAM C M, TYLER T, et al. Design, theory, and measurement of a polarization insensitive absorber for terahertz imaging [J]. Physical Review B, 2009, 79(12): 5104-5110.

[60] 張燕萍，趙曉鵬，保石，等. 基于阻抗匹配條件的樹枝狀超材料吸收器[J]. 物理學(xué)報, 2010,59(9): 6078-6083.

ZHANG Y P, ZHAO X P, BAO S, et al. Dendritic metamaterial absorber based on the impedance matching [J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(9): 6078-6083.

--------------------●

Application of Metamaterial in Perfect Absorber

ZHANG Yong1,2，ZHANG Bin-zhen1,2，DUAN Jun-ping1,2，WANG Wan-jun3

(1 Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2 School of Instrument and Electronics，North University of China,Taiyuan 030051,China;3 Department of Mechanical Engineering,Louisiana State University,Baton rouge 70803,USA)

Electromagnetic response of metamaterials is not only determined by its component materials but also the microstructure and arrangements of its resonant elements. The perfect absorber prepared by metamaterial (PMA) can realize 100% absorption in specific frequency bands by designing reasonable structures of resonators. PMA can be applied in many domains, such as stealth material, frequency selective surface, terahertz imaging, micro antenna, intelligent communication, detection and regulation of electromagnetic wave because of its flexible designing, adjustable response, strong absorption, broad band, thin thickness, light mass. Based on the present study situation at home and abroad, we summarized the development, structure, preparation and test of PMA. In order to gain a more profound and comprehensive understanding on PMA, we also explored its trends, prospects and urgent problems. Proactive and intelligent PMA with multi functions and new PMA prepared by new material and new process are the future development trends.

absorber;metamaterial;invisible cloak;review

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.11.020

TB331；TB34；O433

A

1001-4381(2016)11-0120-09

國家自然科學(xué)基金項目(51475438，61401405，61176115)；山西省自然科學(xué)基金項目(2014011021-4)

2015-06-10；

2016-08-28

張斌珍(1974-)，男，教授，博士，研究方向為功能材料、納米材料、微納機電系統(tǒng)、電磁器件，聯(lián)系地址：山西省太原市尖草坪區(qū)學(xué)院路3號中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院(030051)，E-mail:zhangbinzhen@nuc.edu.cn