CN103474727B - 一种多层超材料单元结构的性能调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层超材料单元结构及其制备与调控方法，其由上至下依次为表层金属、上层介质、中间层金属、下层介质、底层金属。表层及中间层金属由尺寸不同的金属环所组成，且这两层金属环之间同时存在重叠区域与未重叠区域，结构的底层金属为连续的金属膜。对于本发明所提出的多层超材料，除了可以通过传统的改变谐振金属图形、金属与介质材料参数等手段进行性能调节之外，重要的是，还可以通过改变表层及中间层两层金属环的直径大小、两环的重叠区域的宽度、以及两环的未重叠区域的宽度等手段来调节超材料对入射电磁波的响应频率与频带。与传统的超材料结构相比，本发明具有更宽的响应频带、更集中的介质损耗、更薄的器件材料等优点。

Description

一种多层超材料单元结构的性能调控方法

技术领域

本发明涉及超材料及太赫兹探测技术领域，具体涉及一种太赫兹多层超材料单元结构及其制备与调控方法。

背景技术

由于缺乏有效的太赫兹（THz）源和检测技术，太赫兹研究在很长一段时间内停滞不前。近年，随着物理学、材料学、激光工程和纳米技术的快速发展，太赫兹技术取得长足进步，成为当前的国际研究热点。太赫兹探测器通过检测穿过物体的太赫兹光子的变化情况，实现对物体的形貌或成分的探测。与常规的X射线、核磁共振等探测技术相比，太赫兹探测器具有检测速度快、精度高、穿透性强、辐射损伤小等优点。其中，非制冷型太赫兹探测器在军事及民用当中具有广泛的应用前景，是太赫兹技术的一个重要领域。遗憾的是，目前非制冷太赫兹探测器的发展受到较大的限制，其原因主要是缺乏有效地吸收太赫兹光子的器件材料。电磁超构材料的出现很可能使太赫兹应用技术，尤其是使太赫兹电磁波成像技术获得突破发展。

电磁超材料（Metamaterial)，简称超材料，是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料。2001年，Walser第一次提出电磁超材料的概念（参见R.M.Walser,“Electromagnetic matematerials”,Pro.SPIE,4467,1(2001).文献），很快地就引起学术界的广泛注意。利用超材料可以实现电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可获得诸如完美透镜、隐身斗篷、电磁波完美吸收器等特殊器件。如今，超材料已成为理论基础研究与技术应用研究共同关注的热点（参见N.I.Zheludev,“The road ahead for metamaterials”,Science,328,582(2010).文献）。

根据有效媒介理论，超材料的特性可以通过关键物理尺寸的结构有序设计来调控。所以，通过调整其物理尺寸及材料参数，能够使超材料与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而使特定频带的入射电磁波的绝大部分（甚至是100%）被吸收，由此获得特殊的超材料“完美吸收器”（参见N.I.Landy,S.Sajuyigbe,J.J.Mock,“Perfect metamaterial absorber”,Phys.Rev.Lett.,100,7402(2008).文献）。基于这种原理，2008年，Tao等人 设计出由金属、介质、金属三层材料构成的一种超材料太赫兹吸收器（参见H.Tao,N.I.Landy,C.M.Bingham,X.Zhang,R.D.Averitt,W.J.Padilla,“A metamaterial absorber for the terahertz regime:Design,fabrication and characterization”,Opt.Express,16,7182(2008).文献），其底层及表层Au金属分别呈长方形条状与开口谐振环状结构。这种超材料吸收器在1.12THz处对入射电磁波吸收率的理论值高达98%、实测值为70%。但是，这种传统超材料的吸收频带较窄。

超材料电磁波吸收器依靠超材料的电磁谐振来吸收入射的电磁波。遗憾的是，传统结构的超材料的响应频带普遍较窄（参见N.I.Landy,S.Sajuyigbe,J.J.Mock,et al.“Perfect metamaterial absorber”.Phys.Rev.Lett.,100(20),207402（2008）文献）。这种窄频带吸收成为制约超材料电磁波吸收器深入发展和器件应用的主要瓶颈。所以，设计具有宽响应频带的超材料吸收器具有重要的实际意义。目前为止，拓宽超材料响应频带的方法主要有两种。一种方法是在同一平面内把具有不同响应频率的超材料进行组合（参见B.Kearney，F.Alves，D.Grbovic，G.Karunasiri，“Al SiO_x Al single and multi band metamaterial absorbers for terahertz sensor applications”，Optical Engineering52(1),013801（2013）文献）。在这种超材料设计当中，同一平面内构造了一定排列的两组、或两组以上不同尺寸的金属图形结构，由此使超材料产生两个及以上的吸收峰值，其总吸收是不同尺寸图形所产生吸收的叠加结果。遗憾的是，这种吸收曲线波动大，而且，在吸收峰值之间的吸收值小（甚至仅为40%）。所以，这种方法虽然能达到加宽超材料响应频带的目的，但却使超材料的吸收率明显减小、稳定性变差。另一种方法是采用分层的多层超材料结构（参见N.R.Han,Z.C.Chen,C.S.Lim,B.Ng,M.H.Hong，“Broadband multi-layer terahertz metamaterials fabrication and characterization on flexible substrates”，Opt.Express19(8),6990(2011)文献）。这种分层超材料结构把多层（如5层）同轴、但不同尺寸的超材料结构叠加在一起，各层之间没有响应，相邻金属结构之间相距100μm，超材料的总厚度高达600μm，而且，其吸收曲线也波动较大。所以，这第二种分层方法虽然也能够拓宽超材料的吸收频带，但是，将使超材料的厚度明显增厚（甚至高达600μm）。此外， Ye等人将3种不同长度的十字结构嵌入在介质当中也实现了宽频吸收（参见Y.Q.Ye,Y.Jin,S.He,“Omnidirectional,polarization-insensitive and broadband thin absorber in the terahertz regime”,J.Opt.Soc.Am.B,27(3),498(2010)文献）。类似地，这种超材料共有7层，最薄的介质层也达700nm，其存在3个吸收峰值，总的吸收是不同层响应吸收叠加而成。这种分层的超材料将使器件的响应速率明显降低，而且介质损耗较为分散，不利于器件的吸收探测。特别是，这种分层的超材料采用较厚的多层介质膜，较厚的材料结构将严重地影响相关器件的热学、电学及力学等性能，使器件发生形变、甚至失效。这些不足限制了现有的超材料频带拓宽技术在器件，尤其是在具有悬浮微桥结构的非制冷太赫兹微测辐射热计当中的应用。

总之，目前的太赫兹超材料结构存在不足，不利于实际应用及理论研究。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种响应频带更宽、材料厚度更薄、介质损耗更加集中的多层超材料结构，有利于器件应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多层太赫兹超材料单元结构，其特征在于，该多层超材料单元结构包括由上至下依次为表层金属5、上层介质4、中间层金属3、下层介质2、底层金属1共五层材料。其中，表层金属5及中间层金属3为直径尺寸不同的环状金属，而且两环之间同时存在重叠区域与未重叠区域，最底层金属1为连续的金属膜。

按照本发明所提供的多层超材料单元结构，其特征在于，所述多层超材料单元结构中处于表层金属5与中间层金属3金属之间的上介质层4、以及处于中间层金属3与底层金属1之间的下层介质层2分别为聚酰亚胺薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化铝薄膜、氧化铪薄膜、氧化铝铪薄膜当中的一种，或者是它们的复合膜。其中，处于表层金属5与中间层金属3之间的上层介质层4的厚度为10nm～10μm，最佳为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm等；处于中间层金属3与底层金属1之间的下层介质层2的厚度为50nm～40μm，最佳为1.0 μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2.0μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm、3μm等；上层介质层4或2的介电常数为1～12，最佳为2、2.8、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9、10、11、12等。

按照本发明所提供的多层超材料单元结构，其特征在于，所述多层超材料单元结构的表层金属环5及中间层金属环3的尺寸分别为：表层金属环5的内径r₁为2～20μm、宽度w₁为1～10μm，中间层金属环3的内径r₂为10～14μm、宽度w₂为3～6，最佳组合参数为r₁=9μm、w₁=5μm、r₂=11μm及w₂=5μm，或者是r₁=10μm、w₁=4μm、r₂=11μm及w₂=5μm，r₁=10μm、w₁=4μm、r₂=12μm及w₂=4μm，r₁=10μm、w₁=4μm、r₂=13μm及w₂=3μm等其中的一组。

按照本发明所提供的多层超材料单元结构，其特征在于，所述多层超材料单元结构的表层金属环5、中间层金属环3、以及底层金属1为Au、或者是金属Al、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr_x合金当中的一种，或者是它们的复合膜。金属薄膜的电导率为2×10⁵～1×10⁸S/m，最佳为1×10⁶S/m、5×10⁶S/m、1×10⁷S/m、2×10⁷S/m、3×10⁷S/m、3.5×10⁷S/m、4×10⁷S/m、4.5×10⁷S/m、5×10⁷S/m、5.5×10⁷S/m、6×10⁷S/m等。金属膜的厚度为5～2000nm，最佳为30nm、50nm、80nm、100nm、120nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm等。

一种制备上述多层超材料结构的方法，其特征在于，包如下步骤：

1、清洗衬底，然后用高纯氮气吹干，备用；

2、在衬底的表面，利用反应器沉积一层厚度为5～2000nm的金属连续膜，作为多层超材料的底层金属1；

3、在上述金属连续膜的表面，旋涂一层厚度为50nm～40μm的介质膜，作为多层超材料的下层介质层2；

4、利用反应器，在介质层的表面，沉积多层超材料的第二层金属膜，厚度为5～2000nm；

5、利用刻蚀的方法，按照设定的尺寸，通过掩膜，对第二层金属膜进行选择性刻蚀、直至暴露出下面的下层介质2，形成多层超材料的中间层环状金属结构，即中间层金属3；

6、在上述金属膜的表面，旋涂一层厚度为10nm～10μm的介质膜，作为多层超材料的上层介质4；

7、利用反应器，在上层介质4的表面，沉积超材料的第3层金属膜，厚度为5～2000nm；

8、利用刻蚀的方法，按照设定的尺寸，通过掩膜，对第3层金属膜进行选择性刻蚀、直至暴露出下面的上层介质4，形成多层超材料的表层环状金属结构，即表层金属5。

根据本发明所提供的多层超材料单元结构的制备方法，其特征在于，在步骤1中所用的支撑衬底为单晶硅片，或者为氮化硅薄膜、非晶硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、砷化镓薄膜当中的一种，或者是它们的复合膜。

根据本发明所提供的一种多层超材料单元结构，其特征在于，在材料总厚度相同或相近的情况下，该多层超材料对入射电磁波的响应频带将比传统的三层超材料明显展宽。

根据本发明所提供的一种多层超材料单元结构，其特征在于，该多层超材料存在任意角度旋转对称，即无论电磁波的电场沿什么方向，对该多层超材料来说是相同的。所以，本发明提出的多层超材料结构对电磁场的极化方向不敏感、可以实现任意极化，为极化不敏感型超材料。

一种本发明所提供的多层超材料结构的太赫兹响应特性的调控方法，其特征在于，除了通过传统的改变谐振金属图形、金属与介质材料参数等手段进行性能调节之外，重要的是，还通过改变该多层超材料的表层金属5及中间层金属3两层金属环的尺寸、两环重叠区域的宽度、以及两环的未重叠区域的宽度等手段来控制超材料的响应频带及频带。其中，在多层超材料的中间层金属3参数不变的情况下，使表层金属5的外径不变、而其内径发生减小，即表层金属5的环宽增宽之时，或者是在表层金属5参数不变的情况下，使中间层金属3的外径不变、而其内径发生增大，即中间层金属3的环宽缩窄之时，多层超材料的响应频率将 向高频移动、响应频带增宽。但是，在表层金属5参数不变的情况下，使中间层金属3的外径不变、而其内径发生减小，即中间层金属3的环宽增宽之时，或者是在中间层金属3参数不变的情况下，使表层金属5的外径不变、而其内径发生增大，即表层金属5的环宽缩窄之时，多层超材料的中心响应频率将向低频移动、响应频带缩窄。

按照本发明所提供的多层超材料单元结构，其特征在于，在该多层超材料结构中，当其表层金属5及中间层金属3两层金属环存在重叠区域时，由于两环之间存在震荡的强电场，所以介质损耗将集中在上层介质4当中，介质损耗更加集中，并且分布较为均匀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明所提供的多层超材料对入射电磁波的吸收响应频带更宽，而且，吸收频率的调节更加灵活简单，还具有极化不敏感等优点；

（2）本发明所提供的多层超材料结构，当其表层金属5及中间层金属3两层金属环存在重叠区域时，由于两环之间存在震荡的强电场，所以介质损耗将集中在上层介质4当中，介质损耗更加集中，并且分布较为均匀，更加有利于器件应用；

（3）入射太赫兹波从多层超材料单元结构的表层进入，太赫兹波的电磁分量与超材料产生耦合，引起入射太赫兹波的选择性吸收，多层超材料的底层金属膜反射太赫兹波，进一步增强太赫兹吸收特性。所以，本发明所提供的多层太赫兹超材料具有厚度薄、吸收强、响应频率易于控制等优点，能够应用到太赫兹探测器。

附图说明

图1为传统的金属、介质、金属三层材料组成的超材料单元结构的示意图；

图2为实施本发明提出的由表层金属环、上层介质、中间层金属环、下层介质、底层金属连续膜共五层材料组成的多层超材料单元结构的示意图；

图3为实施本发明提出的多层超材料与传统的三层超材料的吸收效果对比图；

图4为实施本发明提出的多层超材料结构中可代替其表层金属5及中间层金属3的金属图形；

图5为实施本发明提出的多层超材料结构、以及去除其表层金属5、或者去除其中间层金属3之后的吸收对比图；

图6为实施发明提出的多层超材料沿Z轴正负向传播时的阻抗曲线；

图7a和图7b为当本发明提出的多层超材料的表层金属5及中间层金属3的环宽发生改变时，相关结构的太赫兹响应特性的变化情况，其中：图7a为表层金属5环宽变化对多层超材料吸收频率的影响；图7b为中间层金属3环宽变化对多层超材料吸收频率的影响；

图8a和8b为本发明提出的多层超材料的表层金属5及中间层金属3的重叠区域宽度、以及表层金属5与中间层金属3存在与否对结构的太赫兹响应的影响，其中：图8a为表层金属5与中间层金属3的重叠区域宽度发生变化、以及表层金属5或中间层金属3单独存在之时，相关超材料的太赫兹响应特性；图8b为表层金属5被中间层金属3完全遮挡之时、以及表层金属5或中间层金属3存在与否对相关超材料结构的太赫兹响应特性的影响；

图9a、9b、9c为实施本发明提出的多层超材料的等效电路模型，其中：图9a为表层金属5与中间层金属3存在重叠区域、且表层金属5不被中间层金属3完全遮挡时，超材料的等效电路模型；图9b为表层金属5与中间层金属3没有存在重叠区域时的等效电路模型；图9c为表层金属5被中间层金属3完全遮挡时的等效电路模型；

图10为实施本发明提出的多层超材料的表层金属5与中间层金属3没有存在重叠区域时，超材料对入射电磁波的吸收曲线；

图11a、图11b、图11c、图11d为实施本发明提出的多层超材料单元结构的表面电流、电场及损耗密度图，其中：图11a为该多层太赫兹超材料的表面电流；图11b为该多层超材料单元通过环心沿电场的极化方向y轴方向做截面，截平面的电场分布；图11c为其通过环心沿电场的极化方向做截面，截平面的损耗密度分布；图11d为在距表面金属5与上层介质4的界面100nm的平面处，即两环之间介质4中心的损耗密度分布；

图12a、12b为传统的金属、介质、金属（图1单环结构）三层超材料单元结构的电场及损耗密度图，其中：图12a为该传统三层超材料单元通过环心沿电场的极化方向（y轴方向）做截面，截平面的电场分布；图12b为其通过环心沿电场的极化方向做截面，截平面的损耗密度分布。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

采用本发明提供的由表层金属5、上层介质4、中间层金属3、下层介质2、底层金属1共五层材料组成的多层超材料结构，具有特殊的太赫兹响应性能。本发明制作该多层超材料结构的实施例如下：

（1）选用单晶硅片作为超材料的衬底，清洗之后，用高纯氮气吹干，备用；

（2）在衬底的表面，利用电子束蒸发***沉积一层厚度为5～2000nm的连续金膜，作为多层超材料的底层金属1；

（3）在上述连续金膜的表面，旋涂一层厚度为50nm～40μm的聚酰亚胺膜，作为多层超材料的下层介质2；

（4）在聚酰亚胺下层介质2的表面，利用电子束蒸发***沉积超材料的第二层金膜，厚度为5～2000nm；

（5）利用刻蚀的方法，通过掩膜，按照设定尺寸，对第二层金膜进行选择刻蚀、直至暴露出下面的聚酰亚胺层，形成多层超材料的中间层金属环形结构，即中间层金属3；

（6）在上述金属图形的表面，旋涂一层厚度为10nm～10μm的聚酰亚胺膜，作为多层超材料的上层介质4；

（7）利用反应器，在上层介质4的表面，沉积超材料的第3层金膜，厚度为5～2000nm；

（8）利用刻蚀的方法，按照设定的尺寸，通过掩膜，对第3层金膜进行选择性刻蚀、直至暴露出下面的聚酰亚胺层，形成多层超材料的表层金属环结构，即表层金属5，由此制备本发明提出的图2所示的由五层材料组成的多层超材料结构。

图2是本发明提出的满足阻抗匹配条件的多层超材料的单元结构，共由五层材料组成，依次为底层金属1、下层介质2、中间层金属3、上层介质4、表层金属5。图2中，多层超材料的单元尺寸为a=36μm、r₁=10μm、r₂=11μm、w₁=4μm、w₂=5μm、t₁=0.2μm、t₂=2.8μm。表层金属5与中间层金属3的两环之间存在重叠区域，图2所示的重叠 区域宽度为3μm。

对于本发明提出的图2所示的多层超材料结构，其中，处于每两层金属之间的上层介质4及下层介质2层不受特别限制，除了聚酰亚胺薄膜，还可以是不同厚度、不同组分的氮化硅（SiN_x）薄膜、或非晶硅（a-Si）膜、氧化硅（SiO_x）膜、氮氧化硅（SiN_xO_y）膜、氧化铝（AlO_x）膜、氧化铪（HfO_x）膜、氧化铝铪（HfAlO_x）膜等其中的一种、或者是它们的复合膜，或者是业内所知的其它形式的介质材料。

本发明提出的图2所示的多层超材料结构的表层金属5、中间层金属3、以及底层金属1的构成金属也不受特别限制，可以是金属Au、或者是金属Al、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr_x合金当中的一种、或者是它们的复合膜，或者是业内所知的其它形式的电极。本发明提出的图2所示的多层超材料的支撑衬底也不受特别限制，可以是单晶硅片、或者是氮化硅薄膜、非晶硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、砷化镓薄膜等其中的一种、或者是这些材料的复合膜。本发明提出的满足调控规律的多层超材料的表层金属5及中间层金属3谐振金属的图形也不受特别限制，可以是图2所示的本发明提出的金属环图形结构、图4所示的图形结构当中的一种，或者是业内所知的其它形式的对称性图形结构。

经如下方法分析，可证明采用本发明提出的多层超材料具有较宽的吸收响应频带、容易调节的吸收频率、集中的介质损耗等优点，符合非制冷太赫兹探测器的需要。

使用CST Microwave Studio2011电磁仿真软件中的频域算法对本发明所提的多层超材料结构（图2）进行计算，结构单元X及Y方向边界设定为（unit cell)周期边界，即结构单元在X和Y方向无限周期排布，波矢K沿Z方向。由于底层为连续金属膜，所以透射为零，吸收率可以通过A(ω)=1-|S₁₁|²得到。仿真参数包括：聚酰亚胺的介电常数为2.8、损耗角正切值为0.0313，Au薄膜的电导率δ=4.561×10⁷S/m。

图3为本发明提出的图2所示的多层（五层）超材料结构与传统的金属、介质、金属三层超材料结构在同一频率下的太赫兹吸收率的仿真结果。其中，本发明提出的多层超材料 （图2），当其各膜层的厚度分别为200nm（Au）、200nm（聚酰亚胺）、200nm（Au）、2800nm（聚酰亚胺）、200nm（Au）时，多层超材料的中心响应频率为2.338THz、吸收率为99.9%，响应频带（定义为吸收峰的半峰宽度）为348GHz。图1为传统的由三层材料组成的超材料，其表层金属采用单环结构，具体参数包括：底层金属连续膜的厚度为200nm，中间介质层的厚度为2.8μm，表层金属环的外径14.6μm、环宽3.2μm、该金属环的厚度为200nm。图3显示，虽然两种超材料在2.338THz频率的吸收率都大于99.9%，但是，图1所示的传统的金属、介质、金属三层超材料的响应频带仅为231GHz。与之相比，图2所示的本发明提出的五层超材料的响应频带宽达348GHz，比传统的三层结构（图1）的响应频带拓宽了51%。

图5为图2所示的本发明提出的多层超材料结构发生变化，包括去除中间层金属3（此时为由表层金属5、上层介质4、下层介质2、底层金属1构成的超材料）、去除表层金属5（此时为由上层介质4（介质4存在与否对超材料吸收的影响不大）、中间层金属3、下层介质2、底层金属1构成的超材料）、以及两环都存在（即如图2所示的本发明提出的由表层金属5、上层介质4、中间层金属3、下层介质2、底层金属1共五层材料组成的多层超材料），这三种情况下超材料结构的太赫兹吸收曲线比较图。图5显示，当去除中间层金属3时，相应超材料的中心响应频率为2.660THz、吸收率96.1%、响应频带288GHz；当去除表层金属5时，相应超材料的中心响应频率为2.218THz、吸收率99.84%、响应频带234GHz。与之相比，本发明提出图2所示的多层（五层）超材料结构的中心响应频率为2.338THz、吸收率99.9%、响应频带348GHz。图5结果表明，本发明提出的多层超材料的吸收并不是表层金属5、或者是中间层金属3单独存在时吸收的简单叠加。这种五层超材料的吸收频率更靠近中间层金属3的吸收频率，但是，其响应频带不仅大于中间层金属3单独存在时的响应频带，也大于表层金属5单独存在时的响应频带。所以，本发明提出的多层超材料的响应机理明显地不同于现有的超材料。

由于本发明提出的图2所示的多层超材料存在任意角度旋转对称，即无论电磁波的电 场沿什么方向，对该多层超材料来说是相同的。所以，本发明提出的多层超材料结构对入射电磁波的极化方向不敏感，可以实现任意极化吸收。

图6为通过对本发明提出的多层超材料的S参数提取得到的等效阻抗实部，在2.338THz时，沿Z轴正向传播的等效阻抗实部为0.993，沿Z轴负向传播的等效阻抗实部为0.171。图6仿真结果表明，本发明提出的多层超材料在太赫兹吸收器的金属环一侧与自由空间近似阻抗匹配，而在连续膜一侧则与自由空间阻抗不匹配，从而在吸收频带内同时实现反射率和传输率最小，吸收率达到最大。

对于本发明提出的图2所示的多层超材料结构，除了可以通过传统的改变谐振金属图形、金属与介质材料参数等手段进行性能调节之外，重要的是，还可以通过改变其表层金属5与中间层金属3的几何尺寸、以及两环的重叠区域的宽度等参数来控制多层超材料的吸收频率。如图7a所示，在其它参数保持不变的情况下，如果仅改变表层金属5的宽度，在其外径固定的情况下，使表层金属5的环宽w₁由6μm逐渐地变化到2μm时（曲线依次对应1～5），结构变化如图7a右侧两环的结构示意图所示（对应图2中矩形C位置）。这种变化使超材料的中心响应频率将由2.512THz逐渐地位移到2.221THz。可以看出，随着表层金属5的环宽w₁变窄，多层超材料的响应频率将向低频移动、发生红移，而且，响应频带由396GHz缩窄到252GHz。但是，当w₁在3μm～2μm范围变化时，响应频率减小的幅度将明显降低（由2.257THz减小到2.221THz）。这是由于当表层金属5宽度大于3μm时，表层金属5不仅与下层介质2以及底层金属1产生响应，而且与中间层金属3以及上层介质4还产生响应。但是，当表层金属5宽度由3μm进一步减小到2μm时，表层金属5已经被中间层金属3完全遮挡，导致表层金属5与下层介质2及底层金属1的响应小、可以忽略。由于此时表层金属5与下层介质2以及底层金属1的响应小，所以，超结构的响应频率的位移幅度将明显降低。

在其它参数保持不变的情况下，如果仅改变多层超材料的中间层金属3的宽度，在其外径固定的情况下，使中间层金属3的环宽w₂由6μm逐渐地变化到3μm时（曲线依次对应7～10），结构变化如图7b右侧两环的结构示意图所示。这种结构变化使多层超材料的中 心响应频率将向高频移动、发生蓝移（变化范围为2.335～2.383THz），而且，超材料的响应频带将由306GHz增宽到366GHz（图7b）。比较图7a与7b，可以看出，中间层金属3的宽度w₂变化对多层超材料吸收频率的影响（图7b）明显地弱于表层金属5的宽度w₁的影响（图7a）。

为了进一步研究本发明所提出的图2所示的多层超材料结构对入射电磁波的响应机理，我们仿真了当图2结构采取如下的结构参数：（1）t₁=0.2μm、t₂=2.8μm、r₁=10μm、r₂=11μm、w₁=4μm、w₂=5μm（结果为图8a中曲线11）；（2）t1=0.2μm、t2=2.8μm、r1=10μm、r2=13μm、w1=4μm、w2=3μm（图8a中曲线13）；以及在（1）与（2）尺寸下，分别去除中间层金属3（由于此两种条件下的表层金属5及其它结构参数相同，相关超材料的吸收曲线相同、都对应图8a中曲线15），或者是去除表层金属5（图8a中曲线12、14）之时，相关超材料对入射电磁波的吸收情况。图8a右侧为上述参数下两环的结构示意图，黑色表示存在、灰色表示去除相关区域。如图8a所示，当中间层金属3的宽度发生缩窄时，图2所示的多层超材料结构对入射电磁波的中心吸收频率将向表层金属5单独存在时的吸收峰方向移动。此结果再次说明，本发明提出的多层（五层）超材料的吸收并不是中间层金属3及表层金属5产生吸收的简单叠加的结果。而是本发明所示的多层超材料结构整体响应的结果。当中间层金属3的环宽发生缩窄时，将使表层金属5被遮挡的区域逐渐减小，导致表层金属5与下层介质2以及底层金属1的响应逐渐增强，所以，这种变化导致吸收越来越多地表现出表层金属5的性质。

为了证实上述分析，我们对表层金属5被中间层金属3完全遮挡时（如图8b右侧两环的结构示意图所示，黑色表示存在、灰色表示去除相关区域）多层超材料的吸收情况进行了仿真，结果如图8b所示。当表层金属5被中间层金属3完全遮挡时，超材料的吸收峰值与去除表层金属5时（此时为上层介质4、中间层金属3、下层介质2、底层金属1构成的超材料）的吸收频率峰值相同，但由于表层金属5的存在，导致两环之间存在相互作用，增加了损耗。与去除金属环5的结构相比（图8b中曲线18），表层金属5存在、但被中间层 金属3完全遮挡的多层超材料（图8b中曲线16）的响应频带稍微地展宽了21GHz，响应频带展宽的增大幅度仅为7.6%，明显地小于采用图2参数（a=36μm、r₁=10μm、r₂=11μm、w₁=4μm、w₂=5μm、t₁=0.2μm、t₂=2.8μm）、表层金属5存在且没有被中间层金属3完全遮挡的多层超材料（图8a中曲线11）的响应频带展宽的增大幅度（51%）。

图9为本发明提出的图2所示的多层超材料结构的等效电路模型，L1为表层金属5所对应的电感、L2为中间层金属3所对应的电感、C1为表层金属5与底层金属1形成的电容、C2为表层金属5与中间层金属3形成的电容、C3为中间层金属3与底层金属1形成的电容。

当本发明提出的多层超材料的表层金属5与中间层金属3没有存在重叠区域时，表层金属5与中间层金属3之间的电容C2近似为零，其等效电路如图9b所示，该电路模型存在两个谐振频率，对应图10两环无重叠时（即a=36μm、r₁=10μm、r₂=15μm、w₁=4μm、w₂=2μm、t₁=0.2μm、t₂=2.8μm）的两个吸收峰值。

当本发明提出的多层超材料的表层金属5被中间层金属3完全挡住之时，表层金属5与底层金属膜1的电容C1为零，其等效电路如图9c所示，该电路只有一个谐振频率，所以只有一个吸收峰，正如图8b的曲线16所示。

对于本发明提出的图2所示的多层超材料结构（a=36μm、r₁=10μm、r₂=11μm、w₁=4μm、w₂=5μm、t₁=0.2μm、t₂=2.8μm），其损耗主要集中在上层介质4当中。图11a为运用CST的场监视功能，得到的本发明所提出的图2所示的多层超材料在2.338THz时的表面电流，可以看出：该表面的感应电流呈偶极振荡模式，表现出外电场激励下的电谐振响应。图11b为穿过环心沿电场的极化方向（y轴方向）做截面，截平面的电场分布，可见两环之间存在很强的电场。图11c为穿过环心沿电场的极化方向做截面，截平面的能量损耗密度，可以看出，本发明提出的多层超材料的介质损耗主要集中在表层金属5与中间层金属3之间的上层介质4当中，其损耗密度大于10¹⁵w/m³。与之相比，处于中间 层金属3与底层金属1之间的下层介质2当中的损耗密度的最大值仅为10¹⁴w/m³，比上层介质4中的损耗低一个数量级。图11d为表层金属5与中间层金属3之间、距表面金属环5与上层介质4的界面100nm的平面处（即两环之间介质中心）的损耗密度分布，可以看出损耗的平面分布较为均匀。在电场（电场沿y轴方向）驱动下形成的表面电流使在图2右上图的A处形成电子的积累、在图2右上图的B处余留下正电荷。两环之间产生强电场。随着入射电磁波电场的周期性变换，环中表面电流发生周期性震荡，从而导致表层金属5与中间层金属3之间形成强电场的周期性震荡，强电场的震荡在上层介质4当中产生强损耗。对比图12所示的传统的三层超材料（图1）的损耗仿真结果，本发明所提出的多层（五层）超材料结构（图2）的介质损耗更为集中（集中在非常薄的上层介质4中，如图11c所示），更加有利于应用在光电探测器当中。

Claims (5)

1.一种多层超材料单元结构的性能调控方法，多层超材料单元结构包括五层，由上至下依次为表层金属（5）、上层介质（4）、中间层金属（3）、下层介质（2）、底层金属（1），其中，表层金属（5）及中间层金属（3）为环型，且这两层金属环之间同时存在重叠区域与未重叠区域，底层金属（1）为连续的金属膜，其特征在于，

多层超材料单元结构的性能通过改变该多层超材料的表层金属（5）及中间层金属（3）两层金属环的尺寸、两环的重叠区域的宽度、以及两环的未重叠区域的宽度来调节；

调节多层超材料单元结构的中心响应频率向高频移动、响应频带增宽的方法如下：

在中间层金属（3）参数不变的情况下，使表层金属（5）的外径不变、而其内径发生减小，即表层金属（5）的环宽增宽；或者是在表层金属（5）参数不变的情况下，使中间层金属（3）的外径不变、而其内径发生增大，即中间层金属（3）的环宽缩窄；

调节多层超材料单元结构的中心响应频率向低频移动、响应频带缩窄的方法如下：

在表层金属（5）参数不变的情况下，使中间层金属（3）的外径不变、而其内径发生减小，即中间层金属（3）的环宽增宽；或者是在中间层金属（3）参数不变的情况下，使表层金属（5）的外径不变、而其内径发生增大，即表层金属（5）的环宽缩窄。

2.根据权利要求1所述的多层超材料单元结构的性能调控方法，其特征在于，在表层金属环（5）没有被中间层金属环（3）完全遮挡的情况下，表层金属环（5）与中间层金属环（3）两层金属环的重叠区域越大，处于这两层金属环之间的上层介质（4）当中的吸收电磁波导致的能量损耗将更加均匀。

3.根据权利要求1所述的多层超材料单元结构的性能调控方法，其特征在于，所述表层金属（5）的尺寸与中间层金属（3）不同。

4.根据权利要求1所述的多层超材料单元结构的性能调控方法，其特征在于，

所述上层介质（4）和下层介质（2）为聚酰亚胺薄膜、或氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化铝薄膜、氧化铪薄膜、氧化铝铪薄膜当中的一种，或者是它们的复合膜，

上层介质（4）的厚度为10 nm~10 μm，下层介质（2）的厚度为50 nm~40 μm，上层介质（4）与下层介质（2）的介电常数为1~12。

5.根据权利要求1所述的多层超材料单元结构的性能调控方法，其特征在于，表层金属（5）、中间层金属（3）以及底层金属（1）为Au、或者是金属Al、Ti、TiN _x 、TiSi _x 、TiW _x 、W、WSi _x 、Ni、NiSi _x 、Ta、TaN _x 、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr _x 当中的一种，或者是它们的复合膜，所述表层金属（5）、中间层金属（3）以及底层金属（1）的电导率为2×10⁵~1×10⁸ S/m，厚度为5~2000 nm。