品”品清用 h红外技术 98 〈太赫兹技术) 太赫兹及红外吸波超材料研究进展 杨竞帆，屈绍波，庞永强，徐翠莲 (空军工程大学理学院，陕西西安710051) 摘要：随着超材料研究的不断发展，基于超材料结构设计的一系列太赫兹及红外吸波体引起了国内外 。由于具有高效的吸波性能】 生物 化学光诺 成像 广泛的应用前景 ,通 波超材料的最新研究进展，讨论总结了太赫兹及红外吸波蝇材料的吸波机理。由于材料依靠增强电场 强度来实现对电磁波的吸收往往比靠材料本身的损耗吸收电磁波有更高的效率，与传统吸波材料的 作原理不同，超材料在太赫兹及红外波段主要依靠亚波长单元结构的设计，降低其等离子体频率，从 而实现表面等离激元场增强效应(SPPs)。基于此，总结归纳了太赫兹及红外吸波超材料研究中3种 有效降低等离子频率的方法，分别为金属表面的周期性结构设计、半导体材料的掺杂和新型碳纳米材 料的引入，更加清晰地阐明了表面等离藏元场增强效应实现方式。同时，对太赫兹及红外吸波超材料 今后的发展给出了自己的认识。 关键词：太赫兹：红外：吸波超材料表面等离煮 中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2017)04-0323-06 Development of THz and Infrared Metamaterial Absorbers YANG Jingfan,QU Shaobo,PANG Yongqiang,XU Cuilian Abstract Recent years,with gradually development of metamaterial,a series of THz and infrared absorbers based on metamaterial structures have attracted widespread attention all over the world.Due to the highly efficient absorption performance,THz and infrared metamaterial absorbers(MAs)have wide application prospects in many fields,such as modern stealth technology,energy saving project,thermal insulation field, biochemistry spectrum,infrared imaging THz sensor,security check and so onBy taking a closely tracking on the latest res earch at home and abroad,this paper discusses and summarizes the basicoperating principle of THz and infrared MAs.It's universally ac ted that the en ortional to the lo rial and th c of electric field Due strengh than the materia from the raditio material bsobers largely dependi ing on loss,MAs decreases the plasmon polaritons through the design of sub-wavelength structure in THz and infrared frequency region,which contributes the electric field enhancement of surface plasmon polaritons(SPPs).Based on this,the paper summarized three effective methods to decrease the plasmonic frequency by designing periodic structure of metallic surface,doping semi-conductor periodic array and adding new type carbon nanomaterials.And then,a more detailed description for the methods to achieve surface plasmon polaritons(SPPs)is given out.Furthermore,combined with development tendency of metamaterial,the paper als expounded the perspective for the future development of THz and infrared 323 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
第 39 卷 第 4 期 红 外 技 术 Vol.39 No.4 2017年4月 Infrared Technology April 2017 323 〈太赫兹技术〉 太赫兹及红外吸波超材料研究进展 杨竞帆，屈绍波，庞永强，徐翠莲 （空军工程大学理学院，陕西 西安 710051） 摘要：随着超材料研究的不断发展，基于超材料结构设计的一系列太赫兹及红外吸波体引起了国内外 广泛关注。由于具有高效的吸波性能，太赫兹及红外吸波超材料在现代隐身技术、节能、绝热、生物 化学光谱、红外成像、传感和安检等领域具有广泛的应用前景。通过紧密跟踪国内外太赫兹及红外吸 波超材料的最新研究进展，讨论总结了太赫兹及红外吸波超材料的吸波机理。由于材料依靠增强电场 强度来实现对电磁波的吸收往往比靠材料本身的损耗吸收电磁波有更高的效率，与传统吸波材料的工 作原理不同，超材料在太赫兹及红外波段主要依靠亚波长单元结构的设计，降低其等离子体频率，从 而实现表面等离激元场增强效应（SPPs）。基于此，总结归纳了太赫兹及红外吸波超材料研究中 3 种 有效降低等离子频率的方法，分别为金属表面的周期性结构设计、半导体材料的掺杂和新型碳纳米材 料的引入，更加清晰地阐明了表面等离激元场增强效应实现方式。同时，对太赫兹及红外吸波超材料 今后的发展给出了自己的认识。 关键词：太赫兹；红外；吸波超材料；表面等离激元 中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2017)04-0323-06 Development of THz and Infrared Metamaterial Absorbers YANG Jingfan，QU Shaobo，PANG Yongqiang，XU Cuilian （College of Science, Airforce Engineering University, Xi’an 710051, China） Abstract：Recent years, with gradually development of metamaterial, a series of THz and infrared absorbers based on metamaterial structures have attracted widespread attention all over the world. Due to the highly efficient absorption performance, THz and infrared metamaterial absorbers(MAs) have wide application prospects in many fields, such as modern stealth technology, energy saving project, thermal insulation field, biochemistry spectrum, infrared imaging, THz sensor, security check and so on. By taking a closely tracking on the latest research at home and abroad, this paper discusses and summarizes the basic operating principle of THz and infrared MAs. It’s universally accepted that the energy absorption is proportional to the loss of absorbing material and the quadratic of electric field strength. Due to the relatively low loss of nature material, it's more efficient to achieve electromagnetic wave absorption by increasing motivated electric field strength than the material loss itself. Different from the traditional material absorbers largely depending on loss, MAs decreases the plasmon polaritons through the design of sub-wavelength structure in THz and infrared frequency region, which contributes the electric field enhancement of surface plasmon polaritons(SPPs). Based on this, the paper summarized three effective methods to decrease the plasmonic frequency by designing periodic structure of metallic surface, doping semi-conductor periodic array and adding new type carbon nanomaterials. And then, a more detailed description for the methods to achieve surface plasmon polaritons(SPPs) is given out. Furthermore, combined with development tendency of metamaterial, the paper also expounded the perspective for the future development of THz and infrared metamaterial absorbers. Key words：THz，infrared，metamaterial absorbers，surface plasmon polaritons 收稿日期：2016-10-07；修订日期：2016-11-07. 作者简介：杨竞帆（1993-），男，硕士研究生，从事红外吸波超材料方面的研究。 基金项目：国家青年基金：基于人工表面等离激元的宽带轻质无反射背板吸波材料研究（61501497）
0引言 材料内部：②吸波材料应具备很强的电磁波衰减特 性，以便使进入材料内部的电磁波最大限度地被损耗 超材料是由亚波长谐振单元所组成的人工材料， 掉。当吸波材料实现了理想的阻抗匹配和无穷大的折 射率虚部时，吸收率4()=1 主要包括负折射率 1 材料的阻抗匹配特性 等。超材料应用的另一重要方面是完美吸收超材料见 要使吸波材料能够有效地吸收电磁波，吸波材料 波体向，电磁吸波材料是指能有效吸收入射电磁波从 除了具有良好的衰或特性外，还需要与自由空间阻抗 而使目标回波强度显著衰减的一类功能材料。电磁吸 匹配，这样才能使电磁波最大限度地进入材料内部。 波材料门由于其在军事和民用方面都右着十分广泛的 当电磁波由自由空间（阻抗Z)入射到吸波材料（输 应用前、 长期以来受到世界各国研究者的关注。 入阻抗为Z)的界面上时 部分电磁波被反射 美吸收超材料吸波体是由美国波士顿大学的Land网 部分电磁波进入吸波材料内部。吸波材料的反射系数 在2008年首次提出，随着材料制备水平以及微观结 可表示为： 构表征能力的不断改进与提高，吸波材料也从微波频 段浮步扩展到太赫蕊频段9、红外波段0和光波段川 本文阐述了太赫兹及红外超材料吸波的基本理论， 超材料吸波体的研究进展、最新应用，及未来发展趋 =,4=4 势进行了讨论。 由式8)、(9)知，要使反射系数为零，则需要材料 1吸波的基本原理 的Z和乙匹配，即要求材料的相对介电常数G和相对 磁导率相等，而在实际中人们往往尽量使相对介电 1.1材料的吸收率 常数和相对磁导率4大小接近，从而使材料前表面 记R()是反射率，T)是透过率，材料的吸收率 的反射尽量小。 A(可以表示为： 1.3表面等离子体激元(SPPs)的场增强效应 A(@)=1-R(@)-T@) 1) 当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面 设电磁波从端口1入射、从端口2出射，则ω、 的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电 T几)可表示为： 子遇合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁 R(@)-]SuP 波，如果电子的振荡频率与入射电磁波的频率一致密 T(@)=S2 3) 会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转 式中：S代表散射参数，S!为输入反射系数，S1为 变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了 输入反射系数。对厚度为d的材料，S,主要取决于材 一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小 料的复折射率n=,+,和复阻抗Z=Z,+Z,可以 的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激 表示为： =sin(nkd)-(Z+)cos(nkd)e (4) 由于材料吸收的能量与材料的损耗成正比，与 发电场强度的二次方成正比。因此，在红外或太赫兹 式中：k=c,c为真空中的光速。 波段利用超材料激发SPPs的场增强效应可以实现完 当复合材料与自由空间阻抗匹配(Z=1)时，则 美吸波。 有 通常金属的介电特性由Dudc模型描述： =[sin(nkd)-icos(nkd)e=e (5) t(@)=1-@lo(w+io.) (10) T()=Sf=e2%4 ( 式中：仙为碰撞频率；p为等离子角频率： imT()=0 (7 a,=Vne1m,6,(n为电子浓度：m为电子质量)。 对于普通金属CuAg、Au和AL,其电子浓度n≈10 根据以上推导，吸波材料要实现高吸收率，必须 因此决定了该等离子体频率位于可见光和紫外区域 满足两个条件：①吸波材料的阻抗必须尽量与自由空 如何才能实现T2红外波段的等离子体频率？下面 间的阻抗相匹配，以便使入射电磁波最大限度地进入 就从如何有效激发SPPs的角度阐述红外超材料吸波 324 1002018C al Eleetronie Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
第 39 卷 第 4 期 红 外 技 术 Vol.39 No.4 2017年4月 Infrared Technology April 2017 324 0 引言 超材料是由亚波长谐振单元所组成的人工材料， 具有自然界中材料所不具备的新颖电磁特性，其应用 主要包括负折射率[1-3]、完美透射[4]和左右手传输线[5] 等。超材料应用的另一重要方面是完美吸收超材料吸 波体[6]，电磁吸波材料是指能有效吸收入射电磁波从 而使目标回波强度显著衰减的一类功能材料。电磁吸 波材料[7]由于其在军事和民用方面都有着十分广泛的 应用前景，长期以来受到世界各国研究者的关注。完 美吸收超材料吸波体是由美国波士顿大学的 Landy[8] 在 2008 年首次提出，随着材料制备水平以及微观结 构表征能力的不断改进与提高，吸波材料也从微波频 段逐步扩展到太赫兹频段[9]、红外波段[10]和光波段[11]。 本文阐述了太赫兹及红外超材料吸波的基本理论，对 超材料吸波体的研究进展、最新应用，及未来发展趋 势进行了讨论。 1 吸波的基本原理 1.1 材料的吸收率 记 R()是反射率，T()是透过率，材料的吸收率 A()可以表示为： A()＝1―R()―T() (1) 设电磁波从端口 1 入射、从端口 2 出射，则 R(ω)、 T(ω)可表示为： R(ω)＝S11 2 (2) T(ω)＝S21 2 (3) 式中：S 代表散射参数，S11 为输入反射系数，S21 为 输入反射系数。对厚度为 d 的材料，S21 主要取决于材 料的复折射率 n＝n1＋in2 和复阻抗 Z＝Z1＋iZ2，可以 表示为： 1 i 21 i 1 sin( ) ( )cos( ) e 2 kd S nkd Z nkd Z (4) 式中：k＝ω/c，c 为真空中的光速。 当复合材料与自由空间阻抗匹配（Z＝1）时，则 有： 1 2 1 i i( 1) 21 sin( ) icos( ) e e e kd n kd n kd S nkd nkd (5) 2 2 2 21 () e n kd T ω S (6) 2 ( )1 lim ( ) 0 Z ω n T ω (7) 根据以上推导，吸波材料要实现高吸收率，必须 满足两个条件：①吸波材料的阻抗必须尽量与自由空 间的阻抗相匹配，以便使入射电磁波最大限度地进入 材料内部；②吸波材料应具备很强的电磁波衰减特 性，以便使进入材料内部的电磁波最大限度地被损耗 掉。当吸波材料实现了理想的阻抗匹配和无穷大的折 射率虚部时，吸收率 A(ω)＝1。 1.2 材料的阻抗匹配特性 要使吸波材料能够有效地吸收电磁波，吸波材料 除了具有良好的衰减特性外，还需要与自由空间阻抗 匹配，这样才能使电磁波最大限度地进入材料内部。 当电磁波由自由空间（阻抗 Z0）入射到吸波材料（输 入阻抗为 Zi）的界面上时，一部分电磁波被反射、一 部分电磁波进入吸波材料内部。吸波材料的反射系数 可表示为： i i 0i 0 0 i 0i 0 , ,) ( Z Z μ μ R ZZ Z Z ε ε (8) i＝0r, i＝0r (9) 由式(8)、(9)知，要使反射系数为零，则需要材料 的 Z0 和 Zi 匹配，即要求材料的相对介电常数r和相对 磁导率r相等，而在实际中人们往往尽量使相对介电 常数r 和相对磁导率r 大小接近，从而使材料前表面 的反射尽量小。 1.3 表面等离子体激元（SPPs）的场增强效应 当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面 的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电 子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁 波，如果电子的振荡频率与入射电磁波的频率一致就 会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转 变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了 一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小 的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激 元现象。 由于材料吸收的能量与材料的损耗成正比，与激 发电场强度的二次方成正比。因此，在红外或太赫兹 波段利用超材料激发 SPPs 的场增强效应可以实现完 美吸波。 通常金属的介电特性由 Drude 模型描述： 2 mpc () 1 /( i ) (10) 式中： ωc 为碰撞频率； ωp 为等离子角频率； 2 p 0 0 ne m/ （n 为电子浓度；m0 为电子质量）。 对于普通金属 Cu、Ag、Au 和 Al，其电子浓度 n≈1023， 因此决定了该等离子体频率位于可见光和紫外区域， 如何才能实现 THz 红外波段的等离子体频率？下面 就从如何有效激发 SPPs 的角度阐述红外超材料吸波
第9膏4明 杨竞帆等：太赫兹及红外吸波超材料研究进 a以90d 器的研究讲展 属A1夹层中间，介电常数分别为，三306（无损耗） 2红外超材料吸波器的研究进展 和2.28(an6=0.04),自上而下依次为金属Al、介质 YO、金属AL、介质A,O、金属AL。利用多层金属 2.1周期性结构的金属表面 介质金属谐振堆栈，激发每层谐振堆栈的磁谐振 为了将等离子体频率从光频段降低到红外、TH2 通过设计不同介质层的介电常数来调节吸收峰值波 波段，可以采用周期性结构的金属表面阵列，增强表 长，然后叠加成宽带超材料吸波体。经过红外傅里叶 面波与微结构的相互作用，从而获得等效介质中较低 变换频谱仪和红外显微镜测量，这种双层谐振堆栈结 的等离子体频整。如图a所示，这种超材料吸被 构在694山m和668um处分别有两个吸收率为77.7% 器由三层“三明治”结构组成，上层由两个内外径分 和772%的吸收峰值， 吸收率大于70%的带宽为0.52 别为2um、33m的同心金属圆环嵌套而成 中层月 m:对于三层谐振堆栈，在6.88um、6.68um和6.3 SO2作为电介质层将上层结构单元与底层金属背板 um处分别有吸收率为82.5%、83.4%和80.7%的吸收 贤开。通过优化尺计参数，金属环之间的谐振频率几 峰值，吸收率大于70%的带宽0.83m,结果如图2h) 乎没有影响，共同作用形成了两个独立的吸收峰。由 所示。这种多层宽带超材料吸波体的谐板堆栈都是相 于金属背板的存在，阻断了入射电磁波的透射，透射 同尺寸，因此只需要经过一次光刻处理，这极大简化 因此只需测量其反射率，代入式(8 微纳加 并且可以在不改变结构尺寸的情 即可。仿真结果如图1(C)所示，在11.8Tz和17.9Tz 下，通过改变电介质层的介电常数改变谐振峰值，这 有两个近完美吸波峰，并且与极化角度无关。 在能量采集、灵敏度探测和热调节等方面只有潜在应 除了利用嵌套方法来实现周期性结构的金属表 用价值。 面，名层谐据层為加也可以达到同样的效果。这里个 2.2楼丸半导休材料周期陈列 绍一种中红外多层电介质层宽带超材料吸波器，如图 与普通金属相比，半导体材料的载流子的浓度远 2a所示，Y:0和A1,O作为电介质层分别位于金 低于金属中自由电子浓度，其等离子体频率由载流子 80 O 00OO ooooo @)仿真结构单元 )双环结构阵列图像 @极化无关的双带吸收满 图1双带吸波超材料 Fig Dual-band metamaterial absorber 二时 0. 01 49566370778491 wavelength (um) (@)双层宽带超材料吸波体 )双层结构(B1)和三层结构(B2)吸收曲线 图2中红外多层电介质层宽带超材料吸波器 Fig2 Mid-infrared mutil-dieltr broadband metamaterial absorber 325 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第 39 卷 第 4 期 Vol.39 No. 4 2017 年 4 月 杨竞帆等：太赫兹及红外吸波超材料研究进展 April 2017 325 器的研究进展。 2 红外超材料吸波器的研究进展 2.1 周期性结构的金属表面 为了将等离子体频率从光频段降低到红外、THz 波段，可以采用周期性结构的金属表面阵列，增强表 面波与微结构的相互作用，从而获得等效介质中较低 的等离子体频率。如图 1[12](a)所示，这种超材料吸波 器由三层“三明治”结构组成，上层由两个内外径分 别为 2 m、3.3 m 的同心金属圆环嵌套而成，中层用 SiO2 作为电介质层将上层结构单元与底层金属背板 隔开。通过优化尺寸参数，金属环之间的谐振频率几 乎没有影响，共同作用形成了两个独立的吸收峰。由 于金属背板的存在，阻断了入射电磁波的透射，透射 率 T(ω)几乎为 0，因此只需测量其反射率，代入式(8) 即可。仿真结果如图 1(c)所示，在 11.8 THz 和 17.9 THz 有两个近完美吸波峰，并且与极化角度无关。 除了利用嵌套方法来实现周期性结构的金属表 面，多层谐振层叠加也可以达到同样的效果。这里介 绍一种中红外多层电介质层宽带超材料吸波器，如图 2[13](a)所示，Y2O3 和 Al2O3 作为电介质层分别位于金 属 Al 夹层中间，介电常数分别为d＝3.06（无损耗） 和 2.28（tan＝0.04），自上而下依次为金属 Al、介质 Y2O3、金属 Al、介质 Al2O3、金属 Al。利用多层金属 -介质-金属谐振堆栈，激发每层谐振堆栈的磁谐振， 通过设计不同介质层的介电常数来调节吸收峰值波 长，然后叠加成宽带超材料吸波体。经过红外傅里叶 变换频谱仪和红外显微镜测量，这种双层谐振堆栈结 构在6.94 m和6.68 m处分别有两个吸收率为77.7% 和 77.2%的吸收峰值，吸收率大于 70%的带宽为 0.52 m；对于三层谐振堆栈，在 6.88 m、6.68 m 和 6.37 m 处分别有吸收率为 82.5%、83.4%和 80.7%的吸收 峰值，吸收率大于 70%的带宽 0.83 m，结果如图 2(b) 所示。这种多层宽带超材料吸波体的谐振堆栈都是相 同尺寸，因此只需要经过一次光刻处理，这极大简化 了微纳加工步骤，并且可以在不改变结构尺寸的情况 下，通过改变电介质层的介电常数改变谐振峰值，这 在能量采集、灵敏度探测和热调节等方面具有潜在应 用价值。 2.2 掺杂半导体材料周期阵列 与普通金属相比，半导体材料的载流子的浓度远 低于金属中自由电子浓度，其等离子体频率由载流子 (a) 仿真结构单元 (b) 双环结构阵列图像 (c) 极化无关的双带吸收谱 图 1 双带吸波超材料 Fig.1 Dual-band metamaterial absorber (a) 双层宽带超材料吸波体 (b) 双层结构（B1）和三层结构（B2）吸收曲线 图 2 中红外多层电介质层宽带超材料吸波器 Fig.2 Mid-infrared mutil-dielectric broadband metamaterial absorber
浓度决定，半导体自由载流子与红外光的相互作用类 似于金属，半导体表面SPPs特性可通过掺杂、光、 热、电等方式激励+而。 如图3a,是一种高效率宽带极化无关太林 吸波体 不同于传统的金属介质金属结构，这种 带近完美吸波体由二维光用和参硼硅基板组成。通过 利用相消干涉和行射的完美结合实现了宽带吸波。根 据等效介质理论，在低频太赫兹波段，入射的太赫兹 波碰到光栅结构后，由光栅上表面和下表面反射的太 林兹波会有 的相差，通过调节光栅层的厚度使 (a 频波段，将光栅视为周期波导阵列，利用光栅衍射减 小反射，实现了在1.17z和1.73Tz吸收率接近 100%,1~2THz范围内吸收率在95%以上，如图3b) 20 6 图4双哑铃结构光栅（及吸收特性曲线图心 Fig.4 Dumbbell-shaped gratings structure(a)and absorption curves(b) 2.3石墨烯、碳纳米管等新型纳米材料 石墨烯具有远远超过硅和传统半导体材料的载 流子迁移率（日前其载流子迁移率的理论最大值可达 2×10°cm2Vg)、优异的光传导性（其每一层的光传 导与它的精细结构常数相对应)，并且它还具有卓越 的力学强度与热力学稳定性，这使它成为了推动光电 子学发展的关键材料之一。 在红外和太赫兹频段，石墨烯对电磁波的响应行 为类似于金属对 电磁波的响应行为 可以激发表面等 离激元(SPPs),当光入射到石墨烯上时，石墨烯结 构会产生SPP响应，导致等离激元吸收增强。如图 Frequenoe/THz 5《)所示的结构，十字形石墨烯阵列附着在折射室 (b) 为34的硅基板上，中间用一层介电常数为39的黄 图3二维光栅结构@)及吸收率曲线图 氧化硅隔开。采用控制变量法分析该吸收谱 通过 Fig3 Two dimensional gratings structure(a)and 控制L=1.25um不变，分别改变十字石墨烯的宽长比 absorption curves(b) wL和长周期比LUa两个变量参数，仿真发现无论这 在此结构基础上，对光栅的占空比（光栅面积与 两个变量参数取何值，吸收谱总会存在一个吸收峰， 基板面积之比)进一步研究，提出了占空比为0.29的 而吸收率存在差异，如图5b以、（©） 互相垂直“双哑铃”掺硼硅光橘阵列结构，经过试 以上研究发现 这种 字形石墨烯结构比传统的 测试发现，该结构比原二维光栅具有更宽的吸波花 石墨烯圆盘结构对吸收峰值波长的调节更加自由，而 宽，在0.92~2.4THz超宽带频段内吸收率大于95%， 且吸收效率还可以进一步增强。 如图4所示。 326 1002018Ci Academie Joural Eleetronic Publishing House.All rights rved www.cnki.ne
第 39 卷 第 4 期 红 外 技 术 Vol.39 No.4 2017年4月 Infrared Technology April 2017 326 浓度决定，半导体自由载流子与红外光的相互作用类 似于金属，半导体表面 SPPs 特性可通过掺杂、光、 热、电等方式激励[14-16]。 如图 3[17](a)，是一种高效率宽带极化无关太赫兹 吸波体，不同于传统的金属-介质-金属结构，这种宽 带近完美吸波体由二维光栅和掺硼硅基板组成。通过 利用相消干涉和衍射的完美结合实现了宽带吸波。根 据等效介质理论，在低频太赫兹波段，入射的太赫兹 波碰到光栅结构后，由光栅上表面和下表面反射的太 赫兹波会有一定的相差，通过调节光栅层的厚度使上 下表面反射的太赫兹波干涉相消，减小反射波；在高 频波段，将光栅视为周期波导阵列，利用光栅衍射减 小反射，实现了在 1.17 THz 和 1.73 THz 吸收率接近 100%，1～2 THz 范围内吸收率在 95%以上，如图 3(b)。 (a) 0.2 1.2 2.2 Simulation Experiment(TE) Experiment(TM) 100% 85% 70% Absorbance/% Frequence/THz (b) 图 3 二维光栅结构(a)及吸收率曲线图(b) Fig.3 Two dimensional gratings structure(a) and absorption curves(b) 在此结构基础上，对光栅的占空比（光栅面积与 基板面积之比）进一步研究，提出了占空比为 0.29 的 互相垂直“双哑铃”掺硼硅光栅阵列结构，经过试验 测试发现，该结构比原二维光栅具有更宽的吸波带 宽，在 0.92～2.4 THz 超宽带频段内吸收率大于 95%， 如图 4[18]所示。 (a) (b) 图 4 双哑铃结构光栅(a)及吸收特性曲线图(b) Fig.4 Dumbbell-shaped gratings structure(a) and absorption curves(b) 2.3 石墨烯、碳纳米管等新型纳米材料 石墨烯具有远远超过硅和传统半导体材料的载 流子迁移率（目前其载流子迁移率的理论最大值可达 2×106 cm 2 /(Vs)）、优异的光传导性（其每一层的光传 导与它的精细结构常数相对应），并且它还具有卓越 的力学强度与热力学稳定性，这使它成为了推动光电 子学发展的关键材料之一。 在红外和太赫兹频段，石墨烯对电磁波的响应行 为类似于金属对电磁波的响应行为，可以激发表面等 离激元（SPPs），当光入射到石墨烯上时，石墨烯结 构会产生 SPP 响应，导致等离激元吸收增强。如图 5[19](a)所示的结构，十字形石墨烯阵列附着在折射率 为 3.4 的硅基板上，中间用一层介电常数为 3.9 的薄 二氧化硅隔开。采用控制变量法分析该吸收谱，通过 控制 L＝1.25 μm 不变，分别改变十字石墨烯的宽长比 w/L 和长周期比 L/a 两个变量参数，仿真发现无论这 两个变量参数取何值，吸收谱总会存在一个吸收峰， 而吸收率存在差异，如图 5(b)、(c)。 以上研究发现，这种十字形石墨烯结构比传统的 石墨烯圆盘结构对吸收峰值波长的调节更加自由，而 且吸收效率还可以进一步增强
杨竞帆等：太赫及红外吸波超材料研究进 VAp2017 (a) (b) 图5十字形石墨烯结构单元()，不同宽度下的吸收谱(b)及不同周期下的吸收谱(c) Fig5 Cross-shaped graphene structure(a)absorption curves under different widths(b)absortion curves under difTerent periods(c) 3超材料完美吸收体的应用 振器对聚合态DNA进行了传感检测，灵敏度比传统 的时域光(TDs)高出1000倍 riscoll等人2利 目前完美吸收体很多应用研究都处于初级阶段 用SRRs(开口金属环共振器 结构超材料谐振器 个主要的目标是将其集成于现有的器件中以改声 通过向表面滴加纳米硅球和沿精混合液，改变$RR 他们的性能。下面将简述其可能存在的主要应用。 结构周围环境的介电特性，实现了对其诺振频率的高 3.1选择发射的应用 精度调控。任何物质，只要它本身具有一定温度（高 超材料是由亚波长人工结构单元构成的复合结 于绝对秉度)。都能超射红外线，利用超材料六美吸 构，具有优异的频率选择特性。通过合理设计 度择健地吸收、这政汉明电流，装何学 波特性制成的红外线传感器， 可以远距离测量人体 面温度，发现温度异常部位：利用人造卫星上的红外 Kirchhoff定律，在热平衡的时候，物体的发射率等于 线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气 它的吸收率。因此，在原则上给出了设计热发射的可 预报等。 能，促进了红外辐射调控技术的发展。在红外烘烤技 术中，不同的被烘烤物对应不同的红外吸收波长， 4结论 例如大多数无机物、 有机高分子材料在8 2um处 如今，太赫兹及红外领域在国内外学术界受到了 有很强的吸收峰，如果我们设计出吸收波长在9m 广泛的关注，而超材料的发展也为太赫兹及红外吸波 的完美吸收超材料，那么其红外辐射将与烘烤物中的 方面做出了巨大贡献，如宽带吸波、大角度入射吸波、 有机高分子的红外吸收相匹配，使能量传播效率提 极化无关吸波等等。本文将现阶段太赫兹及红外吸波 高，起到高效节能的作用。选择发射在飞行器红外 超材料的吸波原理进行了概括说明，对实现吸波的不 飞行器蒙皮是重要的红外辐射 同方法进行 分类， 并对 应举出 实例 。但是， 红 在8 ~12um段贡献率大，因此针对8~12m波 吸波材料发展到现在仍有巨大的挖掘空间，可以预期 段的超材料完美吸波体将会大大消减飞行器的红外 未米红外吸波材料的发展趋势： 信号特征，满足飞行器的红外隐身性能。 1)智能可调超材料：电磁超材料是由亚波长结 3.2传感器的应用 构单元组成，通过改变超材料结物单元的尺计，可以 由于大多数物质分子及其分子间相互作用在太 使其工作在不同的波段。 而智能 「调超材可以通过 赫兹波段存在指纹谱 而且太赫兹辐射所具有的非电 施加外部信号来改变超材料的电磁性质，既可以改变 离特性，使其非常适合于生物化学物质的传感测量 和扩展超材料的工作频段，又为各种调制器等有源器 相比于X射线等传统光谱分析技术，太赫兹辐射能量 件的开发提供了可能。目前可调超材料有热调制、电 低，不足以造成分子的化学损伤，而且太赫效波对 调制、磁场调制和光调制，但在太赫城和红外频段对 DNA构形和枸象的变化非常敏 此可以通过太 新现象新物理的探索和认识仍然不足，智能可调超材 赫兹光谱进行基因分析或无标记探 。实验表明 料仍有着广阔的发展前 DNA的序列差异越大，THz的透过率越小，共振频 2)角度选择性：通过设计不同结构的超材料， 率越低，因此可以利用基于超材料谐振器的传感器对 可以使超材料具有自然界材料不具备的新颖特性，角 DNA序列进行检测，如Nagel等人利用超材料诰 度选择性也是其中之一。对于超材料吸被体来说，大 327 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
第 39 卷 第 4 期 Vol.39 No. 4 2017 年 4 月 杨竞帆等：太赫兹及红外吸波超材料研究进展 April 2017 327 (a) (b) (c) 图 5 十字形石墨烯结构单元(a)，不同宽度下的吸收谱(b)及不同周期下的吸收谱(c) Fig.5 Cross-shaped graphene structure(a); absorption curves under different widths(b); absorption curves under different periods(c) 3 超材料完美吸收体的应用 目前完美吸收体很多应用研究都处于初级阶段， 一个主要的目标是将其集成于现有的器件中以改善 他们的性能。下面将简述其可能存在的主要应用。 3.1 选择发射的应用 超材料是由亚波长人工结构单元构成的复合结 构，具有优异的频率选择特性。通过合理设计可以有 选择性地吸收、透射或反射电磁波。根据热辐射的 Kirchhoff 定律，在热平衡的时候,物体的发射率等于 它的吸收率。因此,在原则上给出了设计热发射的可 能，促进了红外辐射调控技术的发展。在红外烘烤技 术[20]中，不同的被烘烤物对应不同的红外吸收波长， 例如大多数无机物、有机高分子材料在 8～12 μm 处 有很强的吸收峰，如果我们设计出吸收波长在 9 μm 的完美吸收超材料，那么其红外辐射将与烘烤物中的 有机高分子的红外吸收相匹配，使能量传播效率提 高，起到高效节能的作用。选择发射在飞行器红外隐 身中也有重要应用，飞行器蒙皮是重要的红外辐射源 [21]，在 8～12 μm 段贡献率大，因此针对 8～12 μm 波 段的超材料完美吸波体将会大大消减飞行器的红外 信号特征，满足飞行器的红外隐身性能。 3.2 传感器的应用 由于大多数物质分子及其分子间相互作用在太 赫兹波段存在指纹谱，而且太赫兹辐射所具有的非电 离特性，使其非常适合于生物化学物质的传感测量[22]。 相比于 X 射线等传统光谱分析技术，太赫兹辐射能量 低，不足以造成分子的化学损伤，而且太赫兹波对 DNA 构形和构象的变化非常敏感，因此可以通过太 赫兹光谱进行基因分析或无标记探测。实验表明， DNA 的序列差异越大，THz 的透过率越小，共振频 率越低，因此可以利用基于超材料谐振器的传感器对 DNA 序列进行检测，如 Nagel 等人[23]利用超材料谐 振器对聚合态 DNA 进行了传感检测，灵敏度比传统 的时域光谱（TDS）高出 1000 倍，Driscoll 等人[24]利 用 SRRs（开口金属环共振器）结构超材料谐振器， 通过向表面滴加纳米硅球和酒精混合液，改变 SRRs 结构周围环境的介电特性，实现了对其谐振频率的高 精度调控。任何物质，只要它本身具有一定温度（高 于绝对零度），都能辐射红外线，利用超材料完美吸 波特性制成的红外线传感器，可以远距离测量人体表 面温度，发现温度异常部位；利用人造卫星上的红外 线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气 预报等。 4 结论 如今，太赫兹及红外领域在国内外学术界受到了 广泛的关注，而超材料的发展也为太赫兹及红外吸波 方面做出了巨大贡献，如宽带吸波、大角度入射吸波、 极化无关吸波等等。本文将现阶段太赫兹及红外吸波 超材料的吸波原理进行了概括说明，对实现吸波的不 同方法进行了分类，并对应举出了实例。但是，红外 吸波材料发展到现在仍有巨大的挖掘空间，可以预期 未来红外吸波材料的发展趋势： 1）智能可调超材料：电磁超材料是由亚波长结 构单元组成，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以 使其工作在不同的波段。而智能可调超材料可以通过 施加外部信号来改变超材料的电磁性质，既可以改变 和扩展超材料的工作频段，又为各种调制器等有源器 件的开发提供了可能。目前可调超材料有热调制、电 调制、磁场调制和光调制，但在太赫兹和红外频段对 新现象新物理的探索和认识仍然不足，智能可调超材 料仍有着广阔的发展前景。 2）角度选择性：通过设计不同结构的超材料， 可以使超材料具有自然界材料不具备的新颖特性，角 度选择性也是其中之一。对于超材料吸波体来说，大