可调谐电磁超材料吸收器的研究进展

可调谐电磁超材料吸收器的研究进展

续宗成1,2，吴亮2，张雅婷2

(1.天津大学仁爱学院，天津301316； 2.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072)

[摘要]电磁超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，而且这些性质主要来自人工的特殊结构.基于电磁超材料的完美吸收器是近几年的研究热点，本文主要从可调谐吸收器方面综述了最新的研究进展.

[关键词]超材料；可调谐；吸收器；进展[收稿日期]2015-07-30

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(项目编号：61205096).

[作者简介]续宗成(1982-)，男，山东临沂人，天津大学仁爱学院副教授，理学硕士，天津大学2012级在读博士研究生，主要从事电磁超材料的研究.

[中图分类号]O441 TB34 [文献标识码]A

0引言

超材料是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期结构材料[1]，作为一种新型的人工材料，具有诸如负折射[2]、完美透镜[3]、逆多普勒效应[4]等多种特殊性能.2008年,Landy第一次提出了基于超材料的完美吸收器的概念[5]，入射到超材料上的电磁波的损耗可以充分利用，在特定频率处反射和透射尽可能小，即可以实现完美吸收.增大对电磁波入射后的损耗，增强对电磁波的吸收能力，实现电磁隐身是目前的一个研究热点[6]，更多的电磁吸收是单频吸收[7-9]，也有多频吸收的[10-12]，最后发展到宽带吸收[13]，而目前的一个研究热点是实现可调谐吸收[14-15]，本文总结了近几年在可调谐吸收器方面的研究情况.

1可调谐吸收器的研究

目前基本上所有基于超材料结构的电磁波吸收器都是被动式的，一旦制备完成，其吸收性能也就确定了.而日益复杂的电磁应用环境需要的是主动式的可调谐的电磁超材料吸收器，比如可以根据电磁环境的变化控制电磁超材料吸收器对电磁波的吸收率等.

图1　可调谐电磁吸收器的结构及单元阵列(a)结构图;(b)单元阵列

1.1利用VO2薄膜实现可调谐吸收

在三层式电磁超材料吸收器的超材料层和介质层之间，插入一层具有绝缘-金属相变特性的VO2薄膜层，利用热触发VO2薄膜的相变过程来控制电磁超材料吸收器的吸收率.

Mo Man-Man[16]提出了图1所示的可调谐超材料结构，在金属和电介质中加入一层具有绝缘-金属相变特性的VO2薄膜层，通过外部控制温度，进而可以改变VO2薄膜层的相变特性，当温度为680C时，VO2薄膜层将由绝缘体变为金属特性，进而其电导率发生巨大的变化，影响超材料的吸收性能.图2表示了在不同温度下，超材料吸收器吸收性能的变化，温度的变化主要改变的是超材料的吸收强度，随着温度升高，吸收强度降低.

图2　可调谐吸收器的吸收率与温度的关系

1.2利用二极管实现可调谐吸收

在文献[17]中提出了利用二极管实现了在微波波段的超材料可调谐吸收.图3是超材料吸收器的结构单元和制作的样品，在一个结构单元中有两个开口环结构，两个开口环直接由一个二极管连接.该吸收器也是三层结构，第一层为金属，第二层为电介质，第三层为金属.该吸收器有两个共振模式组成，一个是偶极共振，另外一个是ELC共振.加在二极管上的电压可以是正向(ON)也可以是反向(OFF)，两种状态改变了超材料的耦合特性，进而影响了超材料的吸收性能.

图3　(a)超材料吸收器的结构单元; (b)样品

图4　在不同偏压状态下的仿真(实现)和测量(虚线)的反射图像以及吸收(三角)图像

图4表示在两种状态下，正偏压和逆偏压会导致超材料在不同的频率点实现完美吸收.正向偏压在高频实现完美吸收，逆向偏压实现了低频吸收，通过电压的变化可以实现在两个不同频率点之间实现转换.文献[18]中利用二极管实现了对吸收幅度的调制.和文献[16]中设计的超材料结构不一样，通过改变偏压的强度，进而实现了对超材料吸收强度的调制.

图5　(a)转换超材料吸收器的结构图；(b)制作的样品

图6 (a)不同偏压下的反射图像；(b)超材料在吸收频率点处的表面电流分布图

1.3利用MEMS调谐超材料吸收器

最近，利用微机电系统(MEMS)来调谐超材料吸收器越来越收到重视，也是作为主动调谐的一种方式.文献[19]中,利用微机电系统设计了一个在红外波段的调谐吸收器，设计的结构如图7所示.通过调谐二氧化硅的厚度可以影响超材料的吸收性能，随着二氧化硅厚度的增加，吸收向长波长方向调谐.

图7　(a)可调谐吸收器的微机电机构图；(b)超材料的结构单元；

图8　(a)光控可调谐吸收器的单元结构及尺寸；(b)测试样品图形；(C)吸收图像

1.4利用外部光控的方法实现可调谐吸收器利用半导体材料对光敏感的性质，可以在超材料中吸收半导体材料，实现可调谐吸收。文献[20]中就是利用开口谐振环中吸收半导体材料Si，利用外部光控的方法，实现了强度和频率的调谐，强度调制达到60.5%。图8为其设计的结构图以及吸收图像，随着外部光泵浦能量的增加，半导体Si的载流子浓度发生变化，进而影响超材料的谐振吸收.

2结束语

综上所述，电磁超材料吸收器的研究已经取得了一定的进展，但在与其它功能材料结合的实验制作方面还有一定的困难, 未来在这方面会有大的突破，可调谐吸收器的研究会有新的进展.

参考文献

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[责任编辑：闫昕]

Research of Progress of Tunable Electromagnetic Metamaterial Absorber

Xu Zong-Cheng1,2, Wu Liang2, Zhang Ya-Ting2

(1.Tianjin University Renai College，Tianjin301316, China； 2.College of Precision

Instrument and opt-electronics Engineering ,Tianjin University，Tianjin 300072,China)

Abstract:Electromagnetic metamaterial is an artificial composite structure or composite material, which has the special physical properties of natural materials, and these properties are mainly derived from the special structure of artificial materials. Perfect absorber based on electromagnetic metamateialis a hot research topic in recent years. This paper mainly from the tunable absorber reviewed the latest research progress.

Key words: metamaterial; tunable; absorber; progress