張 勇，張斌珍，段俊萍，王萬(wàn)軍

(1 中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械工程系，美國(guó)巴吞魯日70803)

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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(wàn)軍3

(1 中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械工程系，美國(guó)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(guò)設(shè)計(jì)合理的諧振器微結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻段電磁波的100%吸收。PMA具備設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)可調(diào)、吸波強(qiáng)、頻帶寬、厚度薄、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(cè)及調(diào)控等領(lǐng)域。本文在結(jié)合國(guó)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(cè)試等，以期獲得對(duì)PMA更為深刻和全面的理解。最后對(duì)PMA的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用前景和亟待解決的問(wèn)題做了探討，具備多功能的主動(dòng)智能PMA和基于新工藝、新材料的新型PMA將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

吸波器；超材料；隱身衣；綜述

隨著電磁探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，電磁信息的泄漏給世界各國(guó)的防御體系和軍事裝備的生存能力帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，為此隱身技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，采用吸波材料是隱身技術(shù)的一種重要形式，常見(jiàn)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(qiáng)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(lèi)由亞波長(zhǎng)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(lái)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(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)電導(dǎo)率等。超材料的設(shè)計(jì)是完全逆向的，即針對(duì)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(lái)了可能，從而可以通過(guò)人工手段實(shí)現(xiàn)諸如負(fù)折射[8]、隱身斗篷[9,10]、完美透鏡[11]等新穎的電磁現(xiàn)象?；诔牧系耐昝牢ㄆ?(Perfect Metamaterial Absorber，PMA) 是近期發(fā)展起來(lái)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(guò)合理設(shè)計(jì)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(dá)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(qiáng)耦合，對(duì)入射到PMA的特定頻帶內(nèi)的電磁波實(shí)現(xiàn) 100%的吸收。研究PMA的吸波性能需要同時(shí)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(jìn)而更多地進(jìn)入材料內(nèi)部，衰減特性指的是通過(guò)提高介質(zhì)材料電磁參數(shù)的虛部來(lái)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(qiáng)、質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬等優(yōu)點(diǎn)[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(guò)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(qiáng)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(cè)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(duì)PMA發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)特征、制備工藝、性能測(cè)試等進(jìn)行了分類(lèi)綜述，最后， 重點(diǎn)對(duì)PMA的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用前景和亟待解決的問(wèn)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(jìn)：多頻PMA[16-30]、寬頻PMA[31-39]、可調(diào)PMA[40-58]和偏振無(wú)關(guān)PMA[59,60]也相繼被報(bào)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(jiàn)表1，其中底層為長(zhǎng)方形的金屬條，中間層為介質(zhì)層，頂層為超表面層。該P(yáng)MA在11.65GHz能達(dá)到對(duì)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(lái)源于頂層開(kāi)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(jìn)入其內(nèi)部，底層金屬條的作用是使電磁波無(wú)法透過(guò)吸波器。

1.2 多頻PMA

目前，關(guān)于多頻PMA有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，其實(shí)現(xiàn)方式可以歸結(jié)為四類(lèi)：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(gè)層[28-30]。前三種方法的結(jié)構(gòu)單元由多個(gè)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?yàn)楦鲗又g的圖形要精確對(duì)準(zhǔn)。

2013年，Hu等[30]設(shè)計(jì)了一種極化不敏感、高吸收率、可以實(shí)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(gè)頻段，其吸收率分別達(dá)到了98%,97%,98%和97%。該P(yáng)MA在太赫茲頻率選擇性檢測(cè)、太赫茲傳感和太赫茲熱成像等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)吸波頻帶的拓展，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。概括來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)寬帶吸收[33-36];第三種是在平面內(nèi)通過(guò)不同尺寸金屬單元排列來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶吸收[37-39]。其中第三種方法僅設(shè)計(jì)三層結(jié)構(gòu),在工藝上容易實(shí)現(xiàn)，而且成本相對(duì)較低。

2012年，Cui等[36]通過(guò)鋸齒狀各向異性超材料制備出一種超寬紅外PMA。整個(gè)吸收的半高峰寬 (Full Width at Half Maximum, FWHM) 達(dá)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(lái)解釋。橫磁波(Transverse Magnetic Wave，TMW)沿著+z方向垂直入射時(shí)的吸收光譜如表1所示，在波長(zhǎng)3～5.5μm的范圍內(nèi)，吸收峰的強(qiáng)度均可達(dá)到95%。

2014年，鄒濤波等[39]提出的寬帶PMA依據(jù)了多個(gè)吸收峰疊加擴(kuò)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(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)將五個(gè)相鄰的諧振吸收峰疊加，并最大限度地?cái)U(kuò)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(jì)的PMA的最高吸收率可達(dá)到98.7%，吸收率80%以上對(duì)應(yīng)的帶寬約為1.2THz，F(xiàn)WHM達(dá)到了1.6THz，吸收帶的中心頻率約為4.98THz，對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)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(diǎn)。

1.4 可調(diào)PMA

雖然PMA的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的進(jìn)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(diǎn)就單一固定，不具有可調(diào)性。所以，吸收頻帶能動(dòng)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(lài)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(chǎng)、 電場(chǎng)、 磁場(chǎng)、 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(jiàn)表1，基底材料為藍(lán)寶石。入射太赫茲波的偏振方向與開(kāi)口狹縫平行，當(dāng)沒(méi)有泵浦光照射器件表面時(shí)，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(shí)，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(qiáng)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(shí)，原始的兩處諧振消失，在1.28THz處出現(xiàn)一個(gè)新的諧振。

1.4.2 溫控PMA

通過(guò)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(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)太赫茲波幾乎沒(méi)有影響，器件對(duì)1THz以下的太赫茲波透過(guò)率高達(dá)84%。當(dāng)溫度升高至相變溫度時(shí)，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(diǎn)的透過(guò)率下降，當(dāng)溫度升高到340K時(shí)，器件對(duì)太赫茲波的振幅調(diào)制深度高達(dá)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(guò)控制其工作溫度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)控。2010年，Chen等[42]利用外延生長(zhǎng)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(shí)，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(qiáng)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(shí)，器件的諧振頻率出現(xiàn)藍(lán)移，而諧振強(qiáng)度繼續(xù)減弱。理論分析得知，當(dāng)YBCO的電導(dǎo)率實(shí)部與虛部相等時(shí)，諧振頻率達(dá)到最低。

2011年，Zhu等[43]設(shè)計(jì)了一種三層結(jié)構(gòu)的吸波器，頂層為200nm厚Au雙開(kāi)口諧振環(huán)，底層為200nm厚的Au基板。中間介質(zhì)層為對(duì)溫度敏感的60μm厚的銻化銦(InSb)材料。Ge2Sb1Te4結(jié)晶相和無(wú)定型相之間的介電函數(shù)差別很大，2013年，Cao等[44]設(shè)計(jì)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(pán)陣列為頂層超表面層，工作于中、遠(yuǎn)紅外頻段的整個(gè)PMA僅185nm厚，他們將制備出的PMA用于紅外熱成像、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的微型輻射計(jì)，推動(dòng)PMA走向商業(yè)化應(yīng)用。

1.4.3 柔性PMA

微機(jī)電和光刻技術(shù)的發(fā)展為微機(jī)械可調(diào)PMA提供了一個(gè)理想平臺(tái),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(jiǎn)單有效。機(jī)械可調(diào)PMA以柔性基底的機(jī)械延展性為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)械拉伸使基底產(chǎn)生應(yīng)力變形，從而對(duì)基底上的亞波長(zhǎng)周期性微結(jié)構(gòu)陣列實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可逆的調(diào)諧，進(jìn)而改變器件的電磁響應(yīng)。

Pryce等分別于2010年[46]和2011年[47]進(jìn)行了柔軟基底材料上的開(kāi)口諧振環(huán)拉伸與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(jī)械拉伸力的增加，樣品的形變率可達(dá)50%，其諧振頻率出現(xiàn)明顯的藍(lán)移。然而，對(duì)恢復(fù)形變后的樣品進(jìn)行透射譜測(cè)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(jī)械拉伸形變對(duì)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(duì)諧振單元破壞性的形變，2012年，Lee等[48]對(duì)PDMS基底材料進(jìn)行了預(yù)先的拉伸處理，然后將制作在超薄硬樹(shù)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(shí)，形變恢復(fù)的PDMS會(huì)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(jī)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(qiáng)度不高，且測(cè)得信號(hào)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(jiǎn)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(shí)，在縱向相鄰的單元結(jié)構(gòu)之間形成了強(qiáng)烈的振蕩電場(chǎng)耦合，電場(chǎng)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(shí)，PDMS基底將會(huì)產(chǎn)生形變，但由于諧振單元結(jié)構(gòu)之間彼此獨(dú)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?yàn)楠M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(chǎng)耦合減弱，諧振頻率發(fā)生藍(lán)移。對(duì)樣品進(jìn)行多次拉伸和恢復(fù)的測(cè)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(jī)械形變對(duì)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(lái)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(duì)平行直線狹縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的等效電容，提升信號(hào)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(shí)，通過(guò)外加電壓對(duì)PMA進(jìn)行調(diào)制無(wú)疑是一個(gè)具有吸引力的課題。與光控PMA的原理類(lèi)似，壓控的機(jī)理為通過(guò)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(guò)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(lái)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(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)偏置電壓為0V時(shí)，在2.62THz處的吸收率為85%，吸收率超過(guò)50%的帶寬為600GHz；當(dāng)偏置電壓為4V時(shí)，在2.5THz處的吸收率為80%，吸收率超過(guò)50%的帶寬為420GHz。說(shuō)明該P(yáng)MA的峰值吸收頻率點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍達(dá)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(lái)實(shí)現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配，整個(gè)PMA的厚度高達(dá)100μm，此外由于單層石墨烯過(guò)薄，導(dǎo)致整個(gè)PMA的電磁響應(yīng)很微弱。2014年，Zhang等[53]設(shè)計(jì)的偏振無(wú)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(guò)在雙層石墨烯層加載的直流電壓Vg改變單層石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，實(shí)現(xiàn)費(fèi)米能級(jí)的大范圍諧調(diào)(-1～1eV)，進(jìn)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(shì)的增加，吸波器諧振頻率發(fā)生藍(lán)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(wú)法進(jìn)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(zhǎng)360nm、厚度75.5nm(氟化鎂層75nm，石墨烯層0.5nm)，整個(gè)PMA厚度905nm，石墨烯的介電常數(shù)在太赫茲頻段為負(fù)值，每個(gè)介質(zhì)層可看作各向異性的色散媒介，用作產(chǎn)生強(qiáng)吸收的亞波長(zhǎng)電磁諧振器。此外，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)單元尺寸遠(yuǎn)小于入射波的波長(zhǎng)，他們運(yùn)用等效介質(zhì)理論進(jìn)一步分析與驗(yàn)證其吸波情況。

1.4.5 磁控PMA

1.5 偏振無(wú)關(guān)PMA

由于大多超表面層的微結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)新的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)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P(yáng)MA包括兩層金屬結(jié)構(gòu)：上層為改進(jìn)了的電共振器，下層為十字型金屬微結(jié)構(gòu)。改進(jìn)的電共振器相對(duì)于入射電磁波的傳播方向具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，因此該P(yáng)MA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(duì)稱(chēng)的形式，以此來(lái)消除各向異性。仿真結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在1.13THz時(shí)的電磁波吸收率達(dá)到了95%，而通過(guò)實(shí)測(cè)得到的電磁波吸收率也達(dá)到了77%。理論和實(shí)驗(yàn)均證明了四向?qū)ΨQ(chēng)形狀等類(lèi)似的中心對(duì)稱(chēng)型電磁諧振環(huán)可以增強(qiáng)吸波材料極化不敏感特性。

另外，張燕萍等[60]設(shè)計(jì)具有分形結(jié)構(gòu)的樹(shù)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(shù)脂板以及介質(zhì)板正反面上刻蝕的金屬銅樹(shù)枝狀分形結(jié)構(gòu)組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙面大小樹(shù)枝模型最大可以實(shí)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(dá)到99%以上的吸收率，實(shí)現(xiàn)工程意義上的完美吸收，并且可以得出更好的中心對(duì)稱(chēng)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(lèi)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(jìn)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(lái)的研究中，人們一方面將對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，另一方面將繼續(xù)探索PMA的新機(jī)理、新方法和新材料等。在未來(lái)的發(fā)展中，以下方面將值得關(guān)注。

(1)隨著科技的進(jìn)步和應(yīng)用需求的發(fā)展，在提高PMA吸波性能的同時(shí)，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(shí)，調(diào)控自由度和靈活性要得到進(jìn)一步的提高。例如，目前的可調(diào)光PMA基本上都是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)單元陣列一起進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)具有單元調(diào)控能力的可編程PMA將是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

(2)設(shè)計(jì)集傳感、驅(qū)動(dòng)和控制等機(jī)構(gòu)于一身的可主動(dòng)感知分析電磁波并做出最佳響應(yīng)的主動(dòng)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(jìn)一步開(kāi)發(fā)出在損壞后具備自感與自修復(fù)能力的主動(dòng)智能修復(fù)PMA等，將更具有學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值與實(shí)際應(yīng)用前景。

(3)隨著制備技術(shù)的發(fā)展，實(shí)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(huì)影響超材料在高頻段的電磁諧振。這需要從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)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(jì)，降低損耗，改進(jìn)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(shí)現(xiàn)低損、可調(diào)PMA提供了更多的選擇。未來(lái)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(jiǎn)單可調(diào)PMA將是趨勢(shì)。

(4)由于超材料諧振器的單元尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射電磁波的波長(zhǎng)，現(xiàn)有的制備工藝限制其在高頻段的實(shí)際應(yīng)用。新現(xiàn)象、新機(jī)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(jī)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(jī)理和應(yīng)用研究方面都還有很多值得探索的課題。從實(shí)驗(yàn)上對(duì)這些超材料概念進(jìn)行驗(yàn)證將是接下來(lái)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?fù)浣^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(yǔ)

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(duì)于電磁學(xué)的認(rèn)識(shí)，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(jì)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(wú)關(guān)吸波，且朝著“厚度薄、密度低、頻段寬、吸收強(qiáng)”的方向快速發(fā)展。目前，PMA的研究還處于實(shí)驗(yàn)研究和理論探索階段，PMA未來(lái)的發(fā)展離不開(kāi)加工工藝的提高、新材料的探索、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和對(duì)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(lái)，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(lái)的主流發(fā)展方向。隨著科技的進(jìn)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(shí)驗(yàn)室并最終走向市場(chǎng)。綜上所述，本文主要分類(lèi)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(duì)現(xiàn)有研究中的不足對(duì)未來(lái)PMA的發(fā)展趨勢(shì)做了探討。

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

2015-06-10；

2016-08-28

張斌珍(1974-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)楣δ懿牧?、納米材料、微納機(jī)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(hào)中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院(030051)，E-mail:zhangbinzhen@nuc.edu.cn