有源超常材料的研究及应用

丁红梅

（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054）

超常材料指一些具有人工设计的亚波长结构，并呈现出自然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，主要包括光子晶体、左手材料、超磁性材料等[1]。超常材料最初在微波段实现，随着纳米光刻技术和亚波长成像技术的发展，在红外和光学波段也已经实现了负折射现象。超常材料的出现为经典电磁理论开辟了崭新的研究空间，并在卫星通信、移动通信、雷达、武器、微电子、超分辨率成像和医学成像等领域得到迅速发展。

常规无源超常材料（Passive Metamaterials）的共振特性通常具有强色散、窄带宽等缺点，尤其在高频段更为突出，因而超常材料的研究应用受到了限制。实现超常材料的低损耗、高效率、宽频段工作，已经成为了该领域的研究热点。超常材料实现电磁响应的中心频率主要由微结构单元的形状和排列方式决定，而非材料的本征属性，人们发现通过有意识地改变构成微结构本身及其介质环境可以实现动态可调、增加超常材料工作的频带范围与响应强度，并把具有宽频带、低耗散、动态可调性能的超常材料称为有源超常材料（Active Metamaterials）。有源超常材料的实现与迅速发展为超常材料的研究应用带来新的曙光。论文对当前国内外有源超常材料在各频段的研究进展及应用进行了如下综述。

1 有源超常材料的研究及应用

超常材料所展现出的超常物理现象如隐身衣、超透镜、负折射率等极具诱惑性，超常材料在各频段的成功实现，进一步鼓舞了人们对超常材料的研究热情。实现超常材料的宽频带、高增益、动态可调工作，对于超常材料的实际应用意义重大。研究发现在金属微结构单元中结合某种非线性材料（半导体、量子结、量子阱等）构成复合型超常材料，或者改变超常材料的外部激励（如温度、光激励、电磁场等）可以控制其整体的特性，得以实现抵消介质损耗、调控它对电磁波的响应强度和频谱范围的目的。有源超常材料在各个频段尤其是在太赫兹频段和光学频段的研究应用得到了迅速发展。

在微波频段，I.Gil等在开口谐振环中引入容性二极管，组成了变抗负载开口谐振器 （Varactor-loaded Split Ring Resonators，VLSRR），与微带传输线组合构成可调滤波器。采用如图1所示的结构，结果表明该滤波器能在中心频率为2.85 GHz、频率间隔为0.5 GHz的范围可调（带外抑制水平在20 dB以上），实验首次证实了基于开口谐振环器件在微波阶段的可调。随后，他们又对该结构进行了改进[2]，改进后的可调范围宽达30%，并给出了其等效电路模型，通过调整变容二极管与金属间的连接电阻和微带线与容性开口谐振器间的感应系数，测试结果与模拟结果吻合良好。随后，V.Irina等运用LC电路等效左右手传输线部分，改变等效电容的值，也实现了超常材料的频率可调。除了通过引进二极管来改变缺口处的等效电容来提升超常材料性能外，科学家也发现在常规超常材料中加入半导体、液晶等材料也能达到这一目的。D.Aloyse等在开口谐振环的缺口处填充含有光参杂的n型硅材料，通过控制硅材料中的光致损耗可以改变SRRs（Split ring resonators）的谐振幅度和工作频率，实现了用光来控制微波频段有源超常材料。另外两个研究小组用液晶渗透普通的负磁导率超常材料分别实现了可调电控超常材料[3]和可调磁控超常材料[4]。2010年，A.Damla等用亚波长缝隙将谐振环连接起来发现微波频段传输效率得到显著提高。实验中样品结构见图 2，缝隙的电尺度 λ/31×λ/12（宽×长，其中 λ 为工作波长），接好的谐振环镀在介质印制电路板上，实验结果表明传输能得到7 000倍以上的增强。理论上，这种方法为突破物理限制取得很大的放大因数提供了可能途径，从而能减少对空穴大小的依赖性。

图1 方形容性开口谐振器结构及可调滤波器实物图Fig.1 Square-shaped VLSRR and photograph of fabricated tunable notch

图2 连接的开口谐振环结构示意图及嵌放在深亚波长孔的样品Fig.2 Connected SRRs configuration and sample incorporated with the deep subwave length aperture

虽然有源超常材料在微波频段得到了实现，但值得注意的是实验报道的结果均只是对个别或少数微结构单元进行了调制。显然，这些技术并不完全适用于太赫兹甚至更高频段，在高频段的超常材料构成单元数目通常超过1×104个。然而，在微波频段实现有源超常材料的一些思想却给了人们启发，不少科学家在太赫兹及其以上频段实现有源超常材料做了新的尝试，并取得了可喜成绩。

一年后，H.O.Moser等根据Pendry的理论用纳米光刻技术将镍开口谐振环嵌入到塑料（AZP4620）基底上，制造出了能在1～2.7 THz工作的超常材料。这种将光子学与半导体电子学技术相结合的方法，为后来超常材料实现频率可调提供了借鉴。N.H.Shen等提出了一种基于电场耦合LC谐振器的光调超常材料结构，如图3所示，数值模拟结果显示，在现有的材料和照明功率条件下，能在40%的范围内调控其共振频率。基于这种新结构的变体可用作光控双频谐振器，能同时在两个不同输入频率下工作。

图3 新型光调超常材料结构示意图Fig.3 Structure diagram of an optically tunable metamaterial

超常材料尤其是有源超常材料在太赫兹频段的实现，为太赫兹技术的发展和应用提供了新的思路和手段，基于有源超常材料的新型太赫兹器件的出现大大提升了操控太赫兹波的水平，这将为填补太赫兹空白提供了新平台。

在光波频段，超常材料通常由金属－介质－金属的渔网状的微结构构成，这就使得光学频段的超常材料具有很大损耗，通过改变基底和微结构形状等在光学频段的效果不明显，非线性材料的引入解决了这一难题。S.M.Xiao等在超常材料表面涂覆一层液晶分子，通过改变环境温度来实现液晶的相位转换，发现谐振波长可以从630～650 nm的范围内实现改变，实验证实调整环境温度可以实现控制超常材料的磁效应。E.Plum所在的研究小组用聚束离子束在基地为硅的金板上切割出开口谐振环，在360×360 nm2的区域内刻有一个方形开口环，开口环大小为290×290 nm2，具有两个对称宽为100 nm的缺口，将外边裹有2 nm厚配体、直径为3.2 nm的硫化铅作为量子结沉积在超常材料表面，如图4所示，然后烘干，在外界激励作用下，响应范围从70 nm扩宽到了100 nm。第一次在实验上证实了在光波频段，光泵半导体量子结的存在能抵消金属超常材料的焦耳损耗。这为制造出基于超常材料的激光器迈出了实质性的一步。

图4 含有半导体量子结的光学超常介质Fig.4 Photonic metamaterial hybridized with semiconductor quantum dots

随后，M.Nina和他的同事在超常材料中引入砷化铟镓单量子阱，结果表明也能减少损耗。这些改进都只是部分减少了超常材料的损耗，进一步理论研究预言[5－6]，可以实现超常材料的低耗工作。2010年8月，S.M.Xiao等用实验证实了这一预言，他们用掺杂有玫瑰精（Rh8000）的环氧树脂作为增益介质嵌入渔网结构的微结构单元中，用增益介质取代了先前提出的渔网结构中的铝垫片，构造出了一种损耗低易于调控的光学超常材料如图5所示。在皮秒脉冲的抽运下，结果表明，在波长为722～738 nm的可见光区域内，负折射率的损耗极限和样品的品质因数都得到了显著提高，传输与反射光的总量大于入射光的强度，在波长为737 nm时，折射率从－0.66降低至了－1.017，品质因数从1增加到 26。在波长为 738 nm时，品质因数的增加将变得更加明显，达到了106数量级，如图6所示。这种新型的微结构设计为实现低耗光学金属超常材料提供了可能。

图5 涂有Rh8000环氧涂料的微结构扫描图及实验测试装置Fig.5 The SEM image of the structure after coating with Rh800－epoxy and the experimental setup

图6 样品远场测传输、反射、吸收试谱及不同条件下的传输谱Fig.6 Experimental far-field transmission （Te）， reflection （Re）and absorptance （Ae）spectra of the sample and the transmission spectra under different conditions

此外，C.Sangeeta等研究了用光场来调控各种掺杂有色散介质超常材料的谐振行为，通过光辐射来控制加入的色散介质的共振介电常数，从而实现超常材料的调控。R.K.Alexander等[7]人在理论上证明了在外界适当激励下带电容的谐振环能充当相位聚集、时域逆转并使用非线性Active Metamaterials实验证实了相位聚集，K.L.Tsakmakidis等[8]用良导体与绝缘体交叉嵌入谐振环中构造出了耗散较少、能在毫米波甚至THz频段工作的超常材料。

在向高频段发展有源超常材料的同时，也有科学家把目光投向了在低频波段。 M.B.Amr用带有压电膜片的液体腔阵列构造出了一种新型一维可调声学超常材料（Active acoustic metamaterials），分离腔的膜片通过直接的声波压力的反馈来控制单腔的硬度和动力学密度，为了拓宽工作频带和产生高于液体介质的密度压片，需随着负电部件扩张[9－10]（结构见图7）。数值计算结果显示，与传统的超常材料（Passive Acoustic Metamaterials）相比较，在提高适当电压的情况下，工作频带明显加宽，如图6所示。这种新型结构的提出，为实现制造声学“隐身大衣”提供了可行途径。

图7 可调声学超常材料结构示意图Fig.7 Configuration of active acoustic metamaterial

2 结束语

图8 有源与无源声学超常材料腔工作对比图Fig.8 Comparison between passive and active cavities

当前对于有源超常材料的研究主要集中在太赫兹和光频段的研究应用上，通过改变超常材料的外部激励（如温度、光激励、电磁场等）或者微结构本身，可以实现超常材料的宽频带、高增益、动态可调工作。有源超常材料的成功实现加速和推动超常材料的研究发展，大大扩宽超常材料适用范围。但是，人们对于有源超常材料的研究还处于理论和实验探索阶段，还有大量的问题和困难需要去解决和克服。例如，实验研究对象主要为各向异向的平面结构，对电磁波的偏振方向和入射角度都有一定的要求，需要持续的外部激励，在频带内负折射率还有待进一步降低；理论上对具有普适性的结构模型的研究分析还远不够，尤其是对具备各向同性特性的有源超常材料的研究甚少。这些都严重影响了有源超常材料的进一步研究应用。因此，设计和制备各向同性的有源超常材料、降低超常材料的负折射率值等将会是这个领域的研究热点。此外，新设计出来微结构对工艺要求很高，传统的加工技术很难满足，且花费较高，改进和提高工艺制作水平，降低成本是进一步深入研究有源超常材料的必经之路。

不可否认的是，有源超常材料的研究与实现，为人类操控电磁波尤其是在太赫兹和光波频段提供了新的途径与方法。在不久的将来，超常材料将对人们的生产生活产生重大影响。

[1]方安乐，戴小玉，凌晓辉，等.太赫兹超常材料及应用[J].激光与光电子学进展，2010，47（5）:1-9.FANG An-le，DAI Xiao-yu，LING Xiao-hui，et al.Terahertz Metamaterials and their applications[J].The Progress of Laser and Optoelectronics，2010，47（5）:1-9.

[2]Gil I，Bonache J，Garc’a-Garc’a J，et al.Tunable metamaterial transmission lines based on varactor-loaded split-ring resonators[J].IEEE Trans.Microwave Theory Techniques，2006， 54（6）:2665-2674.

[3]Zhang F L，Zhao Q，Kang L，et al.Magnetic control of negative permeability metamaterials based on liquid Crystals[J].Phys.Rev.Lett.，2008，92（19）:193104.

[4]ZHAO Q，KANG L，DU B.Electrically tunable negative permeability metamaterials based on nematic liquid crystals[J].Appl.Phys.Lett.，2007，90（1）:011112.

[5]Fang A，Koschny Th，Soukoulis C M.Self-consistent calculations of loss-compensated fishnet metamaterials[J].Phys.Rev.B，2010， 82（12）:121102（R）.

[6]Sebastian W，Andreas P，Kosmas L T，et al.Overcoming losses with gain in a negative refractive index metamaterial[J].Phys.Rev.Lett.， 2010， 105（12）:127401.

[7]R.K.Alexander， G.Shi， P.Barrett et al.Phase conjugation and negative refraction using nonlinear active metamaterials[J].Phys.Rev.Lett.， 2010， 105（12）:123905.

[8]Tsakmakidis K L，Wartak M S，Cook J H，et al.Negativepermeability electromagnetic-ally induced transparent and magnetically active metamaterials[J].Phys.Rev.B，2010， 81（19）:195128.

[9]Amr M B.The structure of an active acoustic metamaterial with tunable effective density[J].New Journal of Physics，2009， 11（12）:123010.

[10]Amr M B.An active acoustic metamaterial with tunable effective density[J].Journal of Vibration and Acoustics，2010，132（4）:041011.