第33卷 哈尔滨师范大学自然科学学报 Val.33,Na.62017 第6期 NATURAL SCIENCES JOURNAL OF HARBIN NORMAL UNIVERSITY 超表面吸收特性的研究进展 于宏岩，张强，付淑芳，袁悦，周胜* (哈尔滨师范大学) 【摘要】超表面是对电磁波调控的周期性亚波长二维超村料.高吸收超表面 是 种新型的吸波材料具有广泛的应用前景，其在光学隐身技术，热光伏电池，热 发射器和其他光电子器件中有重要的应用.介绍了超表面概念和分美，简述了吸收 超表面发展历程，并对目前面临的问题及发展趋势进行了探讨 【关鞋词】超表而：吸收超表面：电磁特性：透射：反射 中图分类号：0436文献标识码：A文章编号：1000-5617(2017)06-0033-06 由(1)可知，对于高吸收超表面，反射R和透射1 0引言 必须同时达到最小.该文首先介绍吸收超表面概 超表面具有与传统天然材料不同的申磁特 念，然后对近年来吸收超表面在窄带吸收、宽带 性，如负折射，波束的偏转、超高折射率，光 吸收、多频段吸收及完美吸收方面的研究进行了 性、隐身技术等.超表面通过结构可以调控电 综述。 磁波传播性质，因此受到了物理学，材料学等领 域的高度重视，同时也在现代理论物理学和应用 1 窄带吸收表面 电磁学领域中快速发展.根据超表面的工作性 近几年来超表面结构被证实存在许多新型 能，可以将超表面分为频率选择表面、吸收超表 的极化效应，如巨大的旋光效应、不对称传输 面、高阻抗表面、偏振变换表面回等 等，使它在每个光频段都有十分广泛的应用.超 从微波到光波频段下能够吸收入射电磁波 薄窄带超表面在太赫兹成像和热检测器中具有 能量的超表面称为吸收超表面。吸收超表面存在 潜在的应用，各个研究小组对超表面结构的应用 许多具体的应用，可见光频段，超表面被用于热 进行了一系列的理论研究、数值模拟和实验验 光伏系统，作为热发射器，传 器和空间光调 制器微波领段内，超表面主要涉及电磁兼容 证邵建达 课题组通过使用金属、绝缘体、金 属薄膜叠层设计了几乎完美的窄带吸收体，在 性，用于减少天线和雷达横截面的旁瓣辐射，以 0.58um入射波长处吸收可达99.67%.随后 限生制雷达回波固，以减少元件和电子电路之间的 Maa等a学者提出了一种适用于太赫兹频段 干扰和杂散辐射.太赫兹范围内 ,超表面吸收材 下的超薄窄带、互补窄带吸收表面。超薄窄带吸 料可以用作图像装置的微测辐射热计，作为光 收体，每个单元的顶部都是一个金属电环谐振 灵敏性光电探测器.超表面吸收率A定义为吸 器，底部是一个接地平面，两者材料均为270m 收电磁波能量的百分比.即： 厚的金属金制成，中间隔离电介质层是5.8μm A=1-R-T=1-1S12-S212(1) 厚的苯并环丁烷，介电常数8=2.5.超表面结构 项目(2015-2-001):黑龙江省高等教有学会教育科课题资助项日(1640)：黑龙 江省高等学校教改工程货助项目(SGY2017019 ★★通讯作者：bousheng163.com 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enki.ne
第 33 卷 哈尔滨师范大学自然科学学报 Vol． 33，No． 6 2017 第 6 期 NATUＲAL SCIENCES JOUＲNAL OF HAＲBIN NOＲMAL UNI VEＲSITY 超表面吸收特性的研究进展* 于宏岩，张 强，付淑芳，袁 悦，周 胜＊＊ ( 哈尔滨师范大学) 【摘 要】超表面是对电磁波调控的周期性亚波长二维超材料． 高吸收超表面 是一种新型的吸波材料具有广泛的应用前景，其在光学隐身技术，热光伏电池，热 发射器和其他光电子器件中有重要的应用． 介绍了超表面概念和分类，简述了吸收 超表面发展历程，并对目前面临的问题及发展趋势进行了探讨． 【关键词】超表面; 吸收超表面; 电磁特性; 透射; 反射 中图分类号: O436 文献标识码: A 文章编号: 1000 － 5617( 2017) 06 － 0033 － 06 收稿日期: 2017 － 09 － 11 * 哈尔滨师范大学深化教育教学综合改革资助项目( X2015 － 2 － 001) ; 黑龙江省高等教育学会教育科研课题资助项目( 16Z040) ; 黑龙 江省高等学校教改工程资助项目( SJGY20170198) ＊＊通讯作者: : zhousheng_wl@ 163． com 0 引言 超表面具有与传统天然材料不同的电磁特 性，如负折射［1］、波束的偏转、超高折射率、光磁 性、隐身技术［2］等． 超表面通过结构可以调控电 磁波传播性质，因此受到了物理学、材料学等领 域的高度重视，同时也在现代理论物理学和应用 电磁学领域中快速发展． 根据超表面的工作性 能，可以将超表面分为频率选择表面、吸收超表 面、高阻抗表面、偏振变换表面［3］等． 从微波到光波频段下能够吸收入射电磁波 能量的超表面称为吸收超表面． 吸收超表面存在 许多具体的应用，可见光频段，超表面被用于热 光伏系统［4］，作为热发射器，传感器和空间光调 制器［5］． 微波频段内，超表面主要涉及电磁兼容 性，用于减少天线和雷达横截面的旁瓣辐射，以 限制雷达回波［6］，以减少元件和电子电路之间的 干扰和杂散辐射． 太赫兹范围内，超表面吸收材 料可以用作图像装置的微测辐射热计，作为光谱 灵敏性光电探测器［7］． 超表面吸收率 A 定义为吸 收电磁波能量的百分比． 即: A = 1 － Ｒ － T = 1 －| S11 | 2 －| S21 | 2 ( 1) 由( 1) 可知，对于高吸收超表面，反射 Ｒ 和透射 T 必须同时达到最小． 该文首先介绍吸收超表面概 念，然后对近年来吸收超表面在窄带吸收、宽带 吸收、多频段吸收及完美吸收方面的研究进行了 综述． 1 窄带吸收表面 近几年来超表面结构被证实存在许多新型 的极化效应，如巨大的旋光效应、不对称传输［8］ 等，使它在每个光频段都有十分广泛的应用． 超 薄窄带超表面在太赫兹成像和热检测器中具有 潜在的应用，各个研究小组对超表面结构的应用 进行了一系列的理论研究、数值模拟和实验验 证． 邵建达［9］ 课题组通过使用金属 、绝缘体、金 属薄膜叠层设计了几乎完美的窄带吸收体，在 0． 58μm 入射波长处吸收可达 99． 67% ． 随 后 Maria 等［10］ 学者提出了一种适用于太赫兹频段 下的超薄窄带、互补窄带吸收表面． 超薄窄带吸 收体，每个单元的顶部都是一个金属电环谐振 器，底部是一个接地平面，两者材料均为 270 nm 厚的金属金制成，中间隔离电介质层是 5． 8μm 厚的苯并环丁烷，介电常数 ε = 2． 5． 超表面结构
34 哈尔滨师范大学自然科学学报 2017年第3卷 如图1()所示，黄色部分为金属，灰色部分为电 1(b)所示.Maria等学者还继续研究了顶层金属 介质，尺寸分别为4 =80μmg=3.5μm,L 互补结构的超表面，如图2()所示，此结构能在 26μm,L2=48μm和L3=70μm.他们通过干沙 1.49THz共振频率处达到99.08%的窄带吸收， 理论比较了模拟结果和分析结果，得出吸收光谱 如图2(b)所示 在1.15THz共振频率处吸收高达99.13%，如图 (超薄窄帝吸收表面结村 ()透射、反射、吸收线图 图1 超薄窄带表面结构及曲线 eeccea ()互补型超薄窄带吸收表面结构 (透射，反射，吸收曲线图 图2互补结构及曲线图 由于其磁导率随频率变化和很高的介电常数也 2宽带吸收超表面 使得吸收带宽变窄.Rozanov理论己经在数值 宽带超表面吸收体在整个可见光谱范围内 存在许多应用，特别在热光伏电池，热发射器 其他光电子器件中的应用受到了极大的关注.由 是它的器件尺寸也会变得更大.为了使极薄结构 于复杂的器件配置和昂贵的制造成本，使制造宽 拥有更宽的吸收带宽，Den Dongliu等学者设 带超表面吸收体受到许多限制.Zhou Yun的等 计出一种通过有效介质来实现超薄平面的吸收 学者设计了一种新型可见光范围的宽带吸收体 体，与以前的研究相比，这一方法提供了增强光 其在整个可见光谱(400 700nm)中表现出 学吸收的另一个方法.Mou Jinchao的等学者提 极化无关的强吸收行为.。当入射角为60°时，吸 出 一种基于非福斯特超表面导纳匹配概念. 收仍保持在80%左右，所提出的制造方法与常 而，在保持带宽较宽的同时实现较大的吸收仍 规的纳米压印光刻技术能够很好地兼容，并且制 是一个挑战.Zhao Yutong Da课题组提出了在低 造价格相对较低为实现高性能可见光吸收体提 太林兹方中的可切换带吸收器，当在石墨烯 供了方法 的化学式改变时，相应的高吸收和高反射可以相 在现代通信系统中，大部分设各在微波频段 互切换.通过在SiO,/pSi/PDMS衬底上利用混合 中运行，随着社会需求的增加，微波频段的频谱 石墨烯与金的超表面，实现了对TE偏振和TM信 资源也变得日益稀缺，通讨宽带技术提高烦滋贫 源的利用效率是解决问题的有效 途径.微波 振宽的入射角度，并且在0.53-1.05THz内达 中长期存在的 个重要的挑战性问题就是使用 到优异的吸收.通过控制金电极和pS:两端的 压，可以相应地改变石墨烯的化学势，当石墨标 极薄结构来实现超宽带吸收.由于磁性材料可以 促进微波吸收体的吸收，能使其厚度减小，但是 的化学势从0eV变化到0.3eV时，该结构的状态 可以在整个运行带宽上从高吸收(>90%)转换 1994-2018 China Academic Jou al Electronic Publishing House /www.cnki.ne
哈尔滨师范大学自然科学学报 2017 年 第 33 卷 如图 1( a) 所示，黄色部分为金属，灰色部分为电 介质，尺寸分别为 a = 80 μm，g = 3． 5μm，L1 = 26μm，L2 = 48μm 和 L3 = 70μm． 他们通过干涉 理论比较了模拟结果和分析结果，得出吸收光谱 在 1． 15THz 共振频率处吸收高达 99． 13% ，如图 1( b) 所示． Maria 等学者还继续研究了顶层金属 互补结构的超表面，如图 2( a) 所示，此结构能在 1． 49 THz 共振频率处达到 99． 08% 的窄带吸收， 如图 2( b) 所示． ( a) 超薄窄带吸收表面结构 ( b) 透射、反射、吸收曲线图 图 1 超薄窄带表面结构及曲线图 ( a) 互补型超薄窄带吸收表面结构 ( b) 透射、反射、吸收曲线图 图 2 互补结构及曲线图 2 宽带吸收超表面 宽带超表面吸收体在整个可见光谱范围内 存在许多应用，特别在热光伏电池，热发射器和 其他光电子器件中的应用受到了极大的关注． 由 于复杂的器件配置和昂贵的制造成本，使制造宽 带超表面吸收体受到许多限制． Zhou Yun ［11］ 等 学者设计了一种新型可见光范围的宽带吸收体， 其在整个可见光谱( 400 ～ 700nm) 中表现出与 极化无关的强吸收行为． 当入射角为 60° 时，吸 收仍保持在 80% 左右，所提出的制造方法与常 规的纳米压印光刻技术能够很好地兼容，并且制 造价格相对较低． 为实现高性能可见光吸收体提 供了方法． 在现代通信系统中，大部分设备在微波频段 中运行． 随着社会需求的增加，微波频段的频谱 资源也变得日益稀缺，通过宽带技术提高频谱资 源的利用效率是解决问题的有效途径． 微波工程 中长期存在的一个重要的挑战性问题就是使用 极薄结构来实现超宽带吸收． 由于磁性材料可以 促进微波吸收体的吸收，能使其厚度减小，但是 由于其磁导率随频率变化和很高的介电常数也 使得吸收带宽变窄． Ｒozanov ［12］ 理论已经在数值 上说明了这一点． 例如，与单层 Salisbury 屏幕相 比，Jaumann 层［13］ 可以成功地扩大吸收带宽，但 是它的器件尺寸也会变得更大． 为了使极薄结构 拥有更宽的吸收带宽，Den Dongliu ［14］等学者设 计出一种通过有效介质来实现超薄平面的吸收 体，与以前的研究相比，这一方法提供了增强光 学吸收的另一个方法． Mou Jinchao ［15］ 等学者提 出了一种基于非福斯特超表面导纳匹配概念． 然 而，在保持带宽较宽的同时实现较大的吸收仍然 是一个挑战． Zhao Yutong ［16］课题组提出了在低 太赫兹方案中的可切换宽带吸收器，当在石墨烯 的化学式改变时，相应的高吸收和高反射可以相 互切换． 通过在 SiO2 /pSi /PDMS 衬底上利用混合 石墨烯与金的超表面，实现了对 TE 偏振和 TM 偏 振宽的入射角度，并且在 0． 53 ～ 1． 05 THz 内达 到优异的吸收． 通过控制金电极和 pSi 两端的电 压，可以相应地改变石墨烯的化学势． 当石墨烯 的化学势从 0eV 变化到 0． 3eV 时，该结构的状态 可以在整个运行带宽上从高吸收( ＞ 90% ) 转换 34
第6期 超表面吸收特性的研究选展 35 为高反射(>82%).可切换吸收器/反射器可 技术十分困难，在像FR4这样的刚性基板上，可 以实现高性能太赫兹器件的广泛应用，例如主动 以使用印刷电路板技术或光刻技术很容易地日 伪装，成像，调制器和电光开关等。 刷周期结构的小单元，但在柔性基板上制造非金 Kadir闭等学者提出了一种在红外区域实 属小单元确实是一项困难的任务.另一种方法是 现大带宽和高吸收的SN超表面吸收体.体系结 利用多层设计概念，该方法需要额外的制造 构为金属、绝缘体、金属的拓扑结构，绝缘体 步骤并且要精确的对准每 层，这也是这种吸收 (SiN)和项部金属(A)层被放置在三个不同的 体在实际应用中的限制因素，此外，该方法也增 SN基底的吸收体结构中.在垂直入射的情况下 加了吸收体的厚度.使用同心结构是获得多被段 波长为8.07μm到11.97μm,吸收值高于90% 吸收器的另一种方式，但它需要更多的几何优化 的：波长在7.9m至14m之间，吸收值可高于 来减少共损结物之间的相互合因此，在 80%.这种吸收体设计困难主要是红外区域中 2017年Borah组等学者研究了 种非金属双频 SiN的高度分散行为.另一方面，SiN是在微测辐 段吸收超表面 ,所提出的吸收体的设计理念 射热计中广泛使用的材料，并且在SiN中实现宽 来自天然的品体结构.在品体结构中，不同的原 带吸收也是十分重要的.这项研究为红外成像装 子或离子，例如圆，和圆，以周期性的方式排 置提供了技术支持，并对防御系统和安全系统也 列，保持特定的品格常数并形成基本的结构所 是至关重要的 提出的吸收超表面的示意图如图3所示 与上 方法相比，该方法的优点是具有简单的设计和制 3双频段或多频段吸收超表面 造技术，并且谐根结构之间的相互摆合较少，这 双须带或多烦带吸收超表面是在多个烦段 样就会减少了很多几何优化.所设计的吸收表面 出限垃好吸收特的超表面，可以通过多种方法 在7.72GH2和9.92CHz处且右吸收率分别为 实现 种方法是利用在多个频率下，具有多重 92.9%和93.3%的两个不同的吸收峰 共振的复杂单元结构 该方法的缺点是制通 图3 非金属双频段吸收超表面结构 Zhu Weiren四等学者设计了一种能够在无 的双频段超表面完美吸收体.设计了超材料完美 线电频率下实现多频段相干完美吸收的超薄水 吸收体的MIM结构，为了匹配1.54um激光束 基超表面.通过严格的数值模拟证明，即使其厚 波长，其结构如图4所示，上层的圆形金属贴片 度比入射波长小几十倍，完美吸收也可以在由水 和下层金属层分别由不同厚度的A口成，中自 制成的表面中实现首先证明了超表面几乎可 由相对介电常数 =2.56的pi制成.假设光是正 完全吸收四个频段的辐射，通过调整入射波的相 常入射的并且具有横向磁偏振，根据公式： 位差，其吸收率可以通过深度调制达到9883% 讲一步讨论了表面厚度对其的影响，通过遇整表 面厚度，可以在宽率范围内调整相干完美吸收 可以得出a的值，其中=1.54μm, 的谐振频率.因此，所提出的水基表面可以用作 2.56,8=-85.5代入得到a=1.34μm.此结 低成本的生物相容调制器或无线电波的切换器。 构分别在1.54μm和6.2μm处具有表面等离子 Jagyeong kim课题组提出了一种用于红 体极化和磁极化共振峰，其吸收分别可达到90% 外隐形技术的金属/绝缘体1金属结构(MM) 1994-018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
第 6 期 超表面吸收特性的研究进展 为高反射( ＞ 82% ) ． 可切换吸收器 / 反射器可 以实现高性能太赫兹器件的广泛应用，例如主动 伪装，成像，调制器和电光开关等． Kadir ［17］ 等学者提出了一种在红外区域实 现大带宽和高吸收的 SiN 超表面吸收体． 体系结 构为金属、绝缘体、金属的 拓 扑 结 构，绝 缘 体 ( SiN) 和顶部金属( Al) 层被放置在三个不同的 SiN 基底的吸收体结构中． 在垂直入射的情况下， 波长为 8． 07μm 到 11． 97μm，吸收值高于 90% 的; 波长在 7． 9μm 至 14μm 之间，吸收值可高于 80% ． 这种吸收体设计困难主要是红外区域中 SiN 的高度分散行为． 另一方面，SiN 是在微测辐 射热计中广泛使用的材料，并且在 SiN 中实现宽 带吸收也是十分重要的． 这项研究为红外成像装 置提供了技术支持，并对防御系统和安全系统也 是至关重要的． 3 双频段或多频段吸收超表面 双频带或多频带吸收超表面是在多个频段 出现较好吸收特性的超表面，可以通过多种方法 实现． 一种方法是利用在多个频率下，具有多重 共振的复杂单元结构［18］． 该方法的缺点是制造 技术十分困难． 在像 FＲ4 这样的刚性基板上，可 以使用印刷电路板技术或光刻技术很容易地印 刷周期结构的小单元，但在柔性基板上制造非金 属小单元确实是一项困难的任务． 另一种方法是 利用多层设计概念［19］，该方法需要额外的制造 步骤并且要精确的对准每一层，这也是这种吸收 体在实际应用中的限制因素． 此外，该方法也增 加了吸收体的厚度． 使用同心结构是获得多波段 吸收器的另一种方式，但它需要更多的几何优化 来减少共振结构之间的相互耦合［20］． 因此，在 2017 年 Borah 组等学者研究了一种非金属双频 段吸收超表面［21］，所提出的吸收体的设计理念 来自天然的晶体结构． 在晶体结构中，不同的原 子或离子，例如圆 r1 和圆 r2 以周期性的方式排 列，保持特定的晶格常数并形成基本的结构． 所 提出的吸收超表面的示意图如图 3 所示． 与上述 方法相比，该方法的优点是具有简单的设计和制 造技术，并且谐振结构之间的相互耦合较少，这 样就会减少了很多几何优化． 所设计的吸收表面 在7． 72 GHz 和 9． 92 GHz 处具有吸收率分别为 92． 9% 和 93． 3% 的两个不同的吸收峰． 图 3 非金属双频段吸收超表面结构 Zhu Weiren ［22］ 等学者设计了一种能够在无 线电频率下实现多频段相干完美吸收的超薄水 基超表面． 通过严格的数值模拟证明，即使其厚 度比入射波长小几十倍，完美吸收也可以在由水 制成的表面中实现． 首先证明了超表面几乎可以 完全吸收四个频段的辐射，通过调整入射波的相 位差，其吸收率可以通过深度调制达到98． 83% ． 进一步讨论了表面厚度对其的影响，通过调整表 面厚度，可以在宽频率范围内调整相干完美吸收 的谐振频率． 因此，所提出的水基表面可以用作 低成本的生物相容调制器或无线电波的切换器． Jagyeong Kim［23］ 课题组提出了一种用于红 外隐形技术的金属 / 绝缘体 / 金属结构( MIM) 的双频段超表面完美吸收体． 设计了超材料完美 吸收体的 MIM 结构，为了匹配 1． 54μm 激光束的 波长，其结构如图 4 所示，上层的圆形金属贴片 和下层金属层分别由不同厚度的 Ag 制成，中间 由相对介电常数ε = 2． 56 的pi制成． 假设光是正 常入射的并且具有横向磁偏振，根据公式: a0 = λspp i 2 槡 + j 2 εpi + εAg 槡εpiεAg ( 2) 可以得出 a0 的值，其中 λspp = 1． 54μm，εpi = 2． 56，εAg = － 85． 5 代入得到a0 = 1． 34 μm． 此结 构分别在 1． 54μm 和 6． 2μm 处具有表面等离子 体极化和磁极化共振峰，其吸收分别可达到90% 和 92% 以上． 35
36 哈尔滨师范大学自然科学学报 2017年第3卷 Ag Ag t (双圆型吸收表面三维结构 ()侧面轮事图 双圆型结构 实验实现或数值预测s-.Liu图等学者在中 4完美吸收表面 红外区域设计了频率选择性超表面完美吸收体 在单个频率下，以特定入射角度吸收100% An Zhenghua闭等学者基于金属/绝缘体/金属 入射波的能力，称为完美吸收超表面。近年来，超 三层结构设计了彩种超表面，实现高吸收率。洗 表面完美吸收体由于可以高效率地实现电磁沙 择了具有4次旋转对称性的十字形吸收体和其 的吸收而获得了极大的关注.自Landy 等字 互补十字形吸收体结构（如图5者所示），研究光 实验证明了微波区域的超材料完美吸收体，随后 电子应用的光学性质和有效的吸收. 各种吸收体在微被到可见光的频率范围内已被 =0.05m =0.15m (十字形结构1=0.8 都是变量) (固)互补十字形结 十字，互补十字形结构 在太赫兹烦率下，超表面吸收体尤其重要 面上.该结构如图6所示，(a)为一个单元的3D 太赫兹频段下近乎完美的超表面吸收体具有许 结构图，其中L=60um,H=30um,c=5um,e 多重要的技术应用，包括传感器，热发射器和成 =l5.8μm,金属接地层和上层Top bars的厚度 像装置.Wu Meng网等学者提出 一种三维太 分别为2 1.图6(b)为仿真结果 得出的透射、反 兹超材料完美吸收体，其具有高品质因子并且具 射、吸收曲线图，从图中可以看出在1.65THz频 有极化不敏感性.该结构的单元由两个正交的铜 率处吸收可达到99.6%。 立式分离环谐振器组成，该谐振署放在铜接地平 o. 06 0.2 (a) ()三维结构图 ()吸收体透射.反射、吸收关系图 图6三维结构及吸收关系 1994-2018 China Academic al Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
哈尔滨师范大学自然科学学报 2017 年 第 33 卷 ( a) 双圆型吸收表面三维结构 ( b) 侧面轮廓图 图 4 双圆型结构 4 完美吸收表面 在单个频率下，以特定入射角度吸收 100% 入射波的能力，称为完美吸收超表面． 近年来，超 表面完美吸收体由于可以高效率地实现电磁波 的吸收而获得了极大的关注． 自Landy ［24］ 等学者 实验证明了微波区域的超材料完美吸收体，随后 各种吸收体在微波到可见光的频率范围内已被 实验实现或数值预测［25 －28］． Liu ［26］ 等学者在中 红外区域设计了频率选择性超表面完美吸收体． An Zhenghua ［29］ 等学者基于金属 / 绝缘体 / 金属 三层结构设计了多种超表面，实现高吸收率． 选 择了具有 4 次旋转对称性的十字形吸收体和其 互补十字形吸收体结构( 如图 5 者所示) ，研究光 电子应用的光学性质和有效的吸收． ( a) 十字形结构( l = 0． 8μm，w、d、t 都是变量) ( b) 互补十字形结构 图 5 十字、互补十字形结构 在太赫兹频率下，超表面吸收体尤其重要． 太赫兹频段下近乎完美的超表面吸收体具有许 多重要的技术应用，包括传感器，热发射器和成 像装置． Wu Meng ［30］等学者提出一种三维太赫 兹超材料完美吸收体，其具有高品质因子并且具 有极化不敏感性． 该结构的单元由两个正交的铜 立式分离环谐振器组成，该谐振器放在铜接地平 面上． 该结构如图 6 所示，( a) 为一个单元的 3D 结构图，其中 L = 60μm，H = 30μm，c = 5μm，w = 15． 8μm，金属接地层和上层 Top bars 的厚度 分别为 2μm． 图 6( b) 为仿真结果得出的透射、反 射、吸收曲线图，从图中可以看出在 1． 65THz 频 率处吸收可达到 99． 6% ． ( a) 三维结构图 ( b) 吸收体透射、反射、吸收关系图 图 6 三维结构及吸收关系 36
第6期 超表面吸收特性的研究选展 37 由金属，金属、电介质或介电材料组成的超 hts0.hys Rer b.2013,39(7):163 表面吸收体已经在大部分电磁光谱中实现，并目 9]Chen I M.lin Y X.Chen P.rt al Polarization indenend- rolled from hund to 也证明了新的特性和应用.然而，大多数金属吸 band D].Opt Ex es,2017(25):13916. 收体由于其低熔点，高损耗和高导热性而受到 001 Maria D A 许多的限制.2017年PADILLA实验组设计出 一种基于混合电介质波导谐振的太赫兹全电 介质超表面吸收体.他们设计了表面几何图形 耦合电偶极子和磁偶极子谐振，实现97.5%的 Le M H.Shen S.Zhou L.et al.Broudband.widk -ande 吸收.实脸结果表明，吸收频率不仅限于太赫经 isible rezime.0.Eres,2017(25):16716. 范围，还可以扩展到微波、红外和光学频率范围 [12]Rozanor K N. thick 全电介质吸收体在能量收集，成像和感测中具有 ]IEEE Trans Antennas Propeg.2000(48) 潜在应用，为超表面电磁辐射的发射和吸收提供 1230-123 了新的途径. 5结束语 DiaD.YnHH,Yang么，tl.hin panarb 超表面的优势在于突破传统体超材料限制 absorber medium design a.Nano Res. 创造出各种利用现有技术能更容易制备的结构 2016,9(8):2354-2363 超表面调控相位、偏振、振幅及阻抗等方面显示 出卓藏的性能，展现出广园的应用前景超表面 可以替代很多大型的光学设备来实现相应的功 ng B J.et al.Switchable broadband 能，它在微波段、太赫兹波段和光波段都具有很 大的应用潜力，包括小型谐振腔、吸波器、新型波 face D].Opt E .2017(25):7161 导结构、太赫兹开关、可控智能表面等.未来，超 7]Kadir Ustunl.Conul Turhan-Sayan.Wideband long 表而的研究将有力推进新型申磁波束调控和新 od meta based on silicon nitride O.J 型雷达技术的发展 S A L 参考文献 Sean P.Rodrig es S F.Lan L.et al.Intensity dependen .20114116).579-504 signals in a chiral metamaterial [9]Zhu J.Ma z.Sun W,et al.Ultra broadhand terahert D].Na c ,2017,10:14602 ial absoeber D.Appl Phys Lett,2014 (105): m 23 021102 [o] Wang W,Yan M,Pang Y,et al.Ultra thin q 4034. m B]Stani-ly B.Clybovski.Sergi A.et al.Simovski,Metasu sA,2015118):443 447 faces:From microwaves to visible ]Phys Rep,2016 (634):1-72. kin and its study fo ial hased inte e applications.J Appl Phys.2017 (1): grated plasmo r for solar thermo-photowol- 054503 2024)024 di20721:15737 m1h02042275 31 6]Watts C M.Liu Padilla WJ.Metamslerial cdectrom wave absorbers ]Ady Op Mater.2012 (24):98. m.SgB.2017 ]Du K.Li Q.Zhang W,ct al.Wavelength and themal distri- Landy NL,MakJ，小tdl.Perfect Ierial ab- al.rys Rev1rt,2008,100(20):207402 J,2015(7):240676 ur Y,Urzhumor Y A,Sh s G.Wide -angle int 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www
第 6 期 超表面吸收特性的研究进展 由金属，金属、电介质或介电材料组成的超 表面吸收体已经在大部分电磁光谱中实现，并且 也证明了新的特性和应用． 然而，大多数金属吸 收体由于其低熔点，高损耗和高导热性而受到了 许多的限制． 2017 年 PADILLA［31］实验组设计出 了一种基于混合电介质波导谐振的太赫兹全电 介质超表面吸收体． 他们设计了表面几何图形， 耦合电偶极子和磁偶极子谐振，实现 97． 5% 的 吸收． 实验结果表明，吸收频率不仅限于太赫兹 范围，还可以扩展到微波、红外和光学频率范围． 全电介质吸收体在能量收集，成像和感测中具有 潜在应用，为超表面电磁辐射的发射和吸收提供 了新的途径． 5 结束语 超表面的优势在于突破传统体超材料限制， 创造出各种利用现有技术能更容易制备的结构． 超表面调控相位、偏振、振幅及阻抗等方面显示 出卓越的性能，展现出广阔的应用前景． 超表面 可以替代很多大型的光学设备来实现相应的功 能，它在微波段、太赫兹波段和光波段都具有很 大的应用潜力，包括小型谐振腔、吸波器、新型波 导结构、太赫兹开关、可控智能表面等． 未来，超 表面的研究将有力推进新型电磁波束调控和新 型雷达技术的发展． 参 考 文 献 ［1］ Sean P，Ｒodrigues S F，Lan L，et al． Intensity － dependent modulation of optically active signals in a chiral metamaterial ［J］． Nat Commun，2017，10: 14602． ［2］ Jiang W X． Creation of ghost illusions using wave dynamics in metamaterials ［J］． Adv Funct Mater，2013 ( 23 ) : 4028 － 4034． ［3］ Stanislav B，Glybovski，Sergei A，et al． Simovski，Metasurfaces: From microwaves to visible ［J］． Phys Ｒep，2016 ( 634) : 1 － 72． ． ［4］ Wu C，Neuner B，John J，et al． Metamaterial － based integrated plasmonic absorber/emitter for solar thermo － photovoltaic systems［J］． J Opt，2012( 14) : 024005． ［5］ Savo S，Shrekenhamer D，Padilla W J． Liquid crystal metamaterial absorber spatial light modulator for THz applications ［J］． Adv Opt Mater，2014( 2) : 275． ［6］ Watts C M，Liu X，Padilla W J． Metamaterial electromagnetic wave absorbers［J］． Adv Opt Mater，2012( 24) : 98． ［7］ Du K，Li Q，Zhang W，et al． Wavelength and thermal distribution selectable microbolometers based on metamaterial absorbers［J］． IEEE Photonics J ，2015( 7) : 2406763． ［8］ Ｒadi Y，Asadchy V，Tretyakov S． One － way transparent sheets［J］． Phys Ｒev b，2013，89( 7) : 163． ［9］ Chen J M，Jin Y X，Chen P，et al． Polarization － independent almost － perfect absorber controlled from narrowband to broadband ［J］． Opt Express，2017( 25) : 13916． ［10］ Maria D A，Fabrizio F，Nicola T． Ultra － thin narrow － band， complementary narrow － band，and dual － band metamaterial absorbers for applications in the THz regime ［J］． J Appl Phys，2017( 121) : 063103． ［11］ Luo M H，Shen S，Zhou L，et al． Broadband，wide － angle， and polarization － independent metamaterial absorber for the visible regime ［J］． Opt． Express，2017( 25) : 16716． ［12］ Ｒozanov K N． Ultimate thickness to bandwidth ratio of radar absorbers ［J］． IEEE Trans Antennas Propag，2000 ( 48 ) : 1230 － 1234． ［13］ Chambers B，Tennant A． Design of wideband Jaumann radar absorbers with optimum oblique incidence performance ［J］． Electro Lett，1994( 30) : 1530 – 1532． ［14］ Liu D，Yu H H，Yang Z，et al． Ultrathin planar broadband absorber through effective medium design ［J］． Nano Ｒes， 2016，9( 8) : 2354 － 2363． ［15］ Mou Jinchao，Shen Zhongxiang． Broadband and thin magnetic absorber with non － Foster metasurface for admittance matching ［J］． Sc Ｒep，2017． ［16］ Zhao Y T，Wu B，Huang B J，et al． Switchable broadband terahertz absorber/reflector enabled by hybrid graphene － gold metasurface ［J］． Opt Express，2017( 25) : 7161． ［17］ Kadir Ustun1，Gonul Turhan － Sayan． Wideband long wave infrared metamaterial absorbers based on silicon nitride［J］． J Appl Phys，2016( 120) : 203101． ［18］ Kollatou T M，Dimitriadis A L，Assimonis S，et al． A family of ultra － thin，polarization － insensitive，multi － band，highly absorbing metamaterial structures ［J］． Prog Electromagn Ｒes，2013( 136) : 579 – 594． ［19］ Zhu J，Ma Z，Sun W，et al． Ultra － broadband terahertz metamaterial absorber ［J］． Appl Phys Lett，2014 ( 105 ) : 021102． ［20］ Wang W，Yan M，Pang Y，et al． Ultra － thin quadri － band metamaterial absorber based on spiral structure ［J］． Appl Phys A，2015( 118) : 443 – 447． ［21］ Dipangkar Borah，Nidhi S． Development of non － metallic and conformal dual band meta － skin and its absorption study for microwave applications ［J］． J Appl Phys，2017 ( 122 ) : 054503． ［22］ Zhu W Ｒ，Ivan D，Ｒukhlenko F J，et al． Multiband coherent perfect absorption in a water － based metasurface ［J］． Opt Express，2017( 25) : 15737． ［23］ Jagyeong Kim，Kiwook Han，Jae W． Selective dual － band metamaterial perfect absorber for infrared stealth technology ［J］． Sci Ｒep，2017． ［24］ Landy N L，Sajuyigbe S，Mock J J，et al． Perfect metamaterial absorber ［J］． Phys Ｒev Lett，2008，100( 20) : 207402． ［25］ Avitzour Y，Urzhumov Y A，Shvets G． Wide － angle infrared absorber based on a negative － index plasmonic metamaterial 37