太赫兹环偶极子超材料研究与展望

2019-01-17王爽，李泉

天津职业技术师范大学学报 2018年4期

王爽，李泉

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

太赫兹波（Terahertz waves）是指频率在 0.1～10 THz，对应波长为0.03～3 mm范围内的电磁波段，也被称为亚毫米波。太赫兹波的发现填补了现有物理学电磁波谱中毫米波和红外线波段之间的空白。太赫兹技术在生物医学、电子通讯、安检识别、航天军事等领域均有重要的应用。然而，自然界中能在太赫兹波段应用的材料不多，超材料（metamaterials）的出现有效地解决了这一问题。利用超材料可以实现自然界中不存在的物理现象，如左手材料（负折射率、负磁导率）、隐身斗篷、超级透镜、完美吸波材料等，因此超材料受到越来越多学者的关注[1-20]。环偶极子作为环形多极子家族的一员，展现出了许多独特的电磁特性，具有潜在的理论和应用价值，已在世界科研领域内引起广泛关注。环偶极子在太赫兹波段下的产生机理尚未被完全揭示，超材料为揭示环偶极子在太赫兹频段下的内在机理提供了重要手段。本文对超材料发展历程进行回顾，在总结不同波段环偶极子超材料的研究成果及经验的基础上，提出一系列实现太赫兹环偶极子超材料的方案，为进一步探索环偶极子产生机制和独特电磁特性提供了参考。

1 超材料研究与发展

超材料是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的一种人工材料。超材料和传统材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原有微观尺寸单元（原子或分子）。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统对外加场的响应来体现的。材料的介电常数ε反映了单元结构对外加电场的响应，而磁导率μ则反映了单元结构对外加磁场的响应。人为设计谐振单元，通过控制其对外场的响应来实现范围更广的ε和μ值，即可通过剪裁超材料单元的基本结构来任意控制其电磁特性，实现自然界不存在电磁特性的特殊材料，进而实现一批新概念或者新型的微波、太赫兹波及光波器件和系统。超材料内涵更深、更宽广，蕴含着丰富的理论、关键技术和重要的工程应用[1-15]。

超材料概念的提出可追溯到20世纪60年代。前苏联科学家Veselago[1]假想了一种ε和μ均为负数的物质，并指出该物质里有许多奇特的电磁现象，例如：电场、磁场和波矢之间构成左手关系、电磁波负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等。超材料的研究始于1990年，英国帝国理工的Pendry教授等[2]于1996年首次利用一种周期排列的金属短线阵列结构在微波波段实现了负的介电常数。随后，该课题组设计了经典超材料结构——金属开口谐振环结构（split ring resonator，SRR），通过结构优化可在微波波段呈现出负磁导率特性[3]。随之负介电常数和负磁导率均为负值的左手材料相应地被研发出来。超材料的提出和人工实现为研究人员提供了另一种处理问题的思路以及按照意愿设计材料的全新途径。随着研究的深入，研究人员不满足于被动结构固定的超材料，通过在超材料中嵌入可调控、非线性介质或者半导体部件，在不改变超材料结构的前提下，实现对超材料电磁特性的调节，极大地扩展了超材料的应用范围。根据不同的调控方式，超材料可以分为温度调控超材料[10-11]、电压调控超材料[12-13]、机械调控超材料[14-16]、光调控超材料[5，17-18]以及混合调控超材料[19-22]。不同调控机制超材料如图1所示。

图1 不同调控机制超材料

温度调控超材料可将高温超导体如钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7，YBCO）或红外温控材料二氧化钒（VO2）植入超材料中。高温超导体或红外温控材料二氧化钒（VO2）电导率随温度变化急剧变化，进而超材料电磁特性可在很大范围内进行调控。电压调控超材料利用电压调控载流子密度影响介质基底电导率，进而实现透射谱幅度调控。机械调控超材料利用微机械系统（MEMS）构成超材料，通过结构变化调整结构与入射电磁波角度，进而影响输出电磁特性。光调控超材料通常将金属图案层制备在宝石硅（silicon on sapphire，SOS）基片上，并移除部分硅层，利用光泵引起硅层中载流子变化，进而影响超材料透射谱电磁特性[5]。除上述单一调控方式超材料外，混合调控超材料还可以通过2种调控方式改变超材料电磁特性，如在超材料中嵌入二维材料石墨烯。将石墨烯覆盖到超材料结构表面或嵌入到超材料结构中，这种方式构成的超材料是当前研究的热点。石墨烯性能优异，其电子迁移率远远超过常规导体中的电子运动速度，具有高电流密度的特点[6-7]。石墨烯通过外加电压和光泵能有效改变其电导率，制备可调控超材料。采用电控和光泵结合实现基于石墨烯的太赫兹调控器的主要原理是通过外加激励（电+光）来调控石墨烯的费米能级（fermi level），使石墨烯的光学电导率发生改变，进而实现对太赫兹透过系数的主动调控。因为采用光泵激励的前提是使用半导体基底，该基底在光泵的条件下激发出光生载流子，成为石墨烯的载流子“供给源”，所以这种光电结合的调制方法往往采用半导体作为基底，且半导体和石墨烯薄膜之间没有任何绝缘层。由于基底能为石墨烯提供大量载流子，因此用该方法实现的调制深度比较高。

2 环偶极子超材料

环偶极子是环形多极子家族最基本的成员，环偶极子是由电流j沿着圆环体的径向方向流动，在圆环体的子午面上形成等效的磁偶极子m，多个磁偶极子首尾相连，形成了一个轴向的环偶极子T，因此环偶极子可以理解为由磁偶极子首尾相连组成闭合环的一个大的磁偶极子[8-10]。环偶极子具有与传统电极子与磁极子不同的独特电磁响应特性，如具有较高的品质因数Q、谐振透明、非线性旋光性、模式转换特性、光学特性各向异性、负折射率等特性[23-32]，环偶极子除具有独特的基础理论研究价值外，还有广阔的应用前景，可用于制备传感器、调节器、切伦科夫计数器等器件[33-37]。

自然界中环偶极子的电磁响应比较微弱，通常被电偶极子或磁偶极子所掩盖，因此在很长的一段时间里都被人们所忽视。超材料为不同波段实现环偶极子现象提供了可靠的技术手段，研究人员针对环偶极子在不同频段下的电磁特性开展了系列研究。首先，针对微波波段环偶极子电磁响应特性开展一系列研究。Kaelberer等[34]通过理论研究和实验验证在微波频段（14.5～17 GHz）首次观察到环偶极子，并与其他多极子区分开。随后针对环偶极子电磁响应特性研究也延伸到光波波段。Huang等[35]研究了光波波段环偶极子与电偶极子及磁偶极子之间的关系，探究环偶极子产生机制并建立物理模型。Dong等[36]通过光波波段环偶极子超材料分析环偶极子谐振产生的原理。

长期以来，研究人员对于太赫兹波段电磁辐射性质的了解非常有限且具有局限性，以致于该波段被称为电磁波谱中的“空隙”，成为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口[8]。20世纪90年代，发明了稳定的太赫兹时域光谱测量系统，半导体天线通过飞秒激光激励获得稳定太赫兹辐射，是目前使用最广泛的太赫兹辐射源。但是，由于天线的限制，其探测频带宽度被限制在4 THz之内。太赫兹辐射是自然界中同其他相干辐射一样的、非常重要且实用的电磁波资源。太赫兹波波长处于微波与红外光之间，相对于微波和X射线等，具有非常强的互补特征。太赫兹波辐射波长在几十到几百微米范围内，典型脉宽在亚皮秒量级，具有高时间和空间相干性、光子能量低等独特电磁性能[8-9，23-31]。在过去一段时间内随着太赫兹技术的不断发展，在诸如生物分子、材料特性光谱检测、半导体材料特性研究、安全检查、医药、医学检测等领域已取得了一系列重要的应用，其独特的优越性已逐步被研究人员所认识。在国家安全和军事运用方面，太赫兹雷达技术以及太赫兹信息对抗技术也正受到越来越广泛的关注。因此，太赫兹波的独特性能使其在多个领域展现出重要的科研价值以及广阔的应用前景。随着太赫兹测试手段的完善，针对环偶极子在太赫兹频段下电磁特性开展了一系列研究。Gupta等[37]设计并制备太赫兹频段下环偶极子超材料，该超材料有望应用于介质和生物传感器中。太赫兹波独特性能与环偶极子电磁响应特性相结合必将产生新的电磁学特征和新现象，因此研究环偶极子在太赫兹频段的电磁响应特性具有重要理论意义和应用前景。

为了获得高Q值环偶极子超材料，针对超材料的单元结构开展了一系列研究，环偶极子超材料单元结构如图2所示。微波、光学波段环偶极子超材料单元结构多为3D立体结构，该3D结构多为开口环SRR以及开口环的衍生模型。微波波段通常采用带状线等加工方法，在覆铜板上腐蚀空隙或缠绕金属线制备。光波段通常采用“金属-介质-金属”结构，采用e-beam光刻配合高精度对准方法逐层制备[38-40]。太赫兹波段利用传统光刻工艺可制备二维结构环偶极子超材料，由于光刻工艺具有可重复性，可简化制备过程，获得高Q值环偶极子超材料，有利于相关器件的实现[37]。研究表明，超材料单元结构设计中需充分体现时间反转非对称性和空间反转非对称性，它们是形成环偶极子现象的关键因素。

图2 环偶极子超材料单元结构

环偶极子超材料制备基底可分为硬性基底材料和柔性基底材料。硬性基底超材料多见于微波波段和光波波段，采用覆铜板、硅或玻璃作为基底；柔性基底超材料采用聚酯薄膜（Mylar）或聚酰亚胺（Polyimide）等作为基底，可在太赫兹频段实现，其具有形状可弯曲、柔韧性强等特点，极大地扩大了超材料应用范围。

研究人员逐步揭示环偶极子产生机理，指出环偶极子是由电极子及磁极子之间相互作用破坏近场电环境平衡而产生的，非对称电流能增强环偶极子强度，是产生高Q值的原因[25，28]。可依据单元结构建立基于耦合LC电路的物理模型进行定量分析。为了定量分析环偶极矩强度，根据体积电流密度分布，利用多极散射理论得到多极子的散射强度，如电偶极矩、磁偶极矩和环偶极矩。该方法已成功应用于微波、太赫兹和光学波段环偶极矩的计算，计算公式为：

电偶极矩：

磁偶极矩：

环偶极矩：

3 太赫兹环偶极子超材料研究与展望

研究组设计在太赫兹频段基于双U型SRR（USRR）结构、双C型结构、双SRR型结构以及双金属条结构的环偶极子超材料，超材料设计在Mylar或Polyimide等柔性基底上，对其内在机理进行分析，验证多极散射理论计算在太赫兹频段的正确性，同时分别构建等效电路模型。双USRR环偶极子超材料单元结构如图3所示。

图3 双USRR环偶极子超材料单元结构

基于双USRR结构的超材料制备在Polyimide上，它由2个聚酰亚胺层隔开的金属图案层组成，其中每个金属图案层由2个USRR组成。研究2个共面USRR之间的距离g、金属线宽度w、周期p等对谐振点频率、透射率及Q值变化的影响，在所有样品中观察到2个谐振，约0.35 THz的低频谐振和约0.75 THz的高频谐振。低频谐振频率先随g的增加而减小，然后随g的增加而增加。高频谐振频率的变化规律与低频谐振频率的变化规律具有相同的趋势。测量和模拟结果拟合良好。通过调整g=10 μm，在超材料中的2个不同频率分别获得低Q值（约为1.82）和高Q值（约为10.31）环偶极子谐振，高频谐振Q值几乎是低频谐振Q值的6倍。USRR的能级分为由电感电容（LC）诱导的低频环偶极子谐振和偶极子诱导的高频环偶极子谐振。电多极子相互作用在确定环偶极子谐振的能级中起重要作用。该双环偶极子谐振超材料将在功能太赫兹器件中具有潜在的应用价值。可调控太赫兹环偶极子超材料具有广阔的应用前景，是今后研究发展方向。通过嵌入功能材料、石墨烯等二维材料实现环偶极子现象，但是目前仍有一定的难度，如三维结构向二维结构转变，可调控因素对环偶极子电磁特性影响的定性定量分析等。