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)

*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)

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：

(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.

(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

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.

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