浅谈电磁超材料吸收器的研究进展

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[摘 要]文章通过介绍电磁超材料吸收器，阐述电磁超材料吸收器的结构与原理，对相关实验研究进展展开探讨，旨在为相关人员基于电磁超材料吸收器及电磁超材料吸收器的结构与原理的电磁超材料吸收器的研究进展研究适用提供一些思路。

[关键词]电磁超材料吸收器；结构；原理；研究进展

中图分类号：TN21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0350-01

引言

电磁超材料（Metamaterial）是一种有着天然材料所不拥有的超常电磁性质的人工复合结构或者复合材料，且此类性质大多来源于人工的特殊结构[1]。以电磁超材料为基础的电磁超材料吸收器是近些年的研究热点，文章将对电磁超材料吸收器的研究进展展开探讨。

1.电磁超材料吸收器

电磁超材料指的是一种有着天然材料所不拥有的超常电磁性质的人工复合结构或者复合材料，近些年关于电磁超材料的研究得到专家学者的广泛热点关注。该种材料一个备受关注的应用领域是电磁波“完美吸收器”，完美吸收器相关理论是通过Landy等在2008年首次提出，这种以电磁超材料为基础的电磁谐振吸收器，是经由科学制定器件的物理尺寸、材料参数，可以同入射电磁波电磁分量形成耦合，进一步对入射至吸收器的特定频带内的电磁波达成全面的吸收。现阶段，电磁超材料吸收器潜在应用领域分别有电磁隐身、测辐射热仪及热发射等。

2.电磁超材料吸收器的结构与原理

2.1电磁超材料吸收器结构

由Landy等在2008年所提出的电磁超材料吸收器属于一类三层式结构吸收器，凭借其近乎完全的电磁波窄带吸收率，又被称作完美吸收器。将一个典型单元作为示例，此类吸收材料有着三层结构，分别为金属条底层、隔离层二层以及超材料三层，如图1所示。首次研发的该种吸收材料在生成期间要经历数次光刻、对准，生成较为繁杂，就特定频率电磁波而言，其最大吸收可到70个百分点。紧接着，由TAO等研发出一类改良的电磁超材料吸收器，相较于首次提出的材料吸收器，其底层结构由连续金属薄膜替代了金属条。此种吸收器在生成期间仅需通过一个光刻环节，使得光刻、对准得到极大简化。

2.2电磁超材料吸收器的原理

于Landy等首次提出电磁超材料吸收器结构后，相关研究人员研发出电磁超材料吸收器的传输线模型，同时具体阐述了其对应工作原理。如图2所示，这一模型中存在三方面设定，设定一：横向电磁波经空间固有阻抗为Zi、经衬底固有阻抗为Zo；设定二：受顶层电开口谐振环层与底层线条相互介电层的等效电感、电容一定要计算在内影响，使得应当对此两层展开一一模拟；设定三：入射电磁波电磁方向与电开口谐振环开口相互平行。在此模型中，R1＼R2、L1＼L2、C1＼C2对顶层电开口谐振环层结构LC共振、偶极子共振进行了模拟，R3、L3、C3对底层cut-wire结构共振特性进行了模拟。此模型有效呈现了电磁波经异向介质吸收器的反射、透射特性。

3.相关实验研究进展

3.1可调谐型吸收器

（1）借助VO2薄膜实现可调谐吸收。于三层式结构吸收器超材料三层和隔离层二层相互间，置入一层VO2薄膜层，其具备绝缘-金属相变特性，可借助热产生VO2薄膜相变反应来实现对电池超材料吸收器吸收率的调节。如图3所示，于金属、电介质中置入一层VO2薄膜层，经调节外部温度，进一步能够控制VO2薄膜层相变特性，将温度调节至68℃时，VO2薄膜层将由金属特性代替绝缘体特性，进一步使得对应电导率出现很大程度转变，调节电磁超材料吸收性能。

（2）借助二极管实现可调谐吸收。相关研究指出，借助二极管可促进于微波波段的超材料可调谐吸收，如图4所示，于一个结构单元中存在两个开口环结构，它们由一个二极管直接连接，此可调谐型吸收器同样为三层式结构，由两个共振模式构成，分别为偶极共振、ELC共振；置于二极管处的电压不仅可为正向电压，也可为方向电压，两种状态使得电磁超材料耦合特性发生转变，进一步使得电磁超材料吸收性能发生转变。

3.2双频及多频吸收器

现阶段，关于多频吸收器的研究多以双频吸收器、三频吸收器以及四频吸收器等为主。以三频吸收器为例，其属于基于双频吸收器的有效延伸，相关某类三频THz吸收器的研究指出，其由单频吸收、双频吸收组成，三频吸收器结构如图5所示。研究表明，于0.29THz、0.46THz、0.92THz有着显著的吸收，在图5的结构中，各个开口环之间的相互耦合于共振期间发挥着十分关键的作用。

3.3宽频吸收器

与此同时，宽频吸收器同样是长时间以来的研究关注点。有一种具备全方面、极化不敏感特性的太赫兹波宽频吸收器结构，如图6所示。上部结构属于吸收器阵列单元中的一个，于2.4μm厚度聚合物双层镀上0.2μm厚度的金膜，并于一层刻上十字形状的图样；下部结构属于类似多层结构，受吸收频率受金属线线宽很大程度影响，因此要想达成对各种频率波进行有效吸收的目的，就应当对各层结构中的线宽展开合理的设计，并且经对各层结构中介质层厚度展开有效的调整，还能够促进各种频率与自由空间波阻抗的相吻合。

4.结束语

总而言之，电磁超材料吸器件的发展俨然收获了一定的研究成效，然而依旧面临吸收率不足、吸收频带不够宽等相关问题，对其应用于具体器件中构成制约。未来的超材料吸收器势必朝着宽频吸收、可谐调型吸收以及与功能材料相结合的方向发展，其也势必在多个不同领域得到广泛应用。

参考文献

[1] Shen X P，T J Cui，J M Zhao， H F Ma，W X Jiang，and H Li. Polarization-independent wide-angle triple-band metamaterial absorber[J]. Optics Express.2011，19，9401-9407.

作者简介

朱维1990年9月27日男汉湖北省武汉市硕士物理电子学。

通讯作者：汪胜祥（1980――）性别：男，民族：汉。籍贯：湖北浠水，职称：副教授，单位：武汉纺织大学，研究方向：物理电子学。