CN109659702B

CN109659702B - 一种新型可调太赫兹超材料吸波结构

Info

Publication number: CN109659702B
Application number: CN201811344668.2A
Authority: CN
Inventors: 余洪斌; 苏欣; 李琦; 李威; 冯楚桓; 张欣峰; 熊晗; 曾扬舰; 周航; 范甜甜; 邵健; 朱业锦; 石樊
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2038-11-13
Also published as: CN109659702A

Abstract

本发明公开了一种可调太赫兹超材料吸波结构，包括介质材料基底以及分布于该基底上的超材料单元，任意一个超材料单元包括对应设置的一对底部金属层及超材料阵列；其中，超材料阵列固定设置在柔性的介质薄膜上，该介质薄膜同样位于介质材料基底上且与之键合；底部金属层设置在介质材料基底上且位于超材料阵列的正下方；在介质薄膜与底部金属层之间对应形成有空腔，通过调整该空腔的压强能够实现该超材料吸波结构整体对太赫兹波吸收的调控。本发明通过对该超材料吸波结构的整体构成，尤其是对关键的超材料调控原理(即相应的太赫兹波吸引调控原理)及其相应组件等进行改进，与现有技术相比能够有效解决超材料制备不便、调节不灵活等的问题。

Description

一种新型可调太赫兹超材料吸波结构

技术领域

本发明属于吸波结构技术领域，更具体地，涉及一种新型可调太赫兹超材料吸波结构。

背景技术

超材料是一种新型的周期性人造复合材料，可以通过设计超材料的结构参数得到自然界材料所不具有的优异电磁特性。超材料可以对入射的电磁波产生极强的电耦合或磁耦合，从而表现出一些独特的性质，例如负折射率、亚波长聚焦、完美吸收等。超材料一般由镶嵌在绝缘衬底上且设计成亚波长周期阵列的金属结构所构成，在作为吸收器的超材料的结构底部还会有金属层，在谐振频率下，该结构对入射电磁波产生很强的耦合作用。通过改变超材料的金属周期结构，可以实现对入射电磁波不同的耦合，从而实现对电磁波的调制。

超材料的机械调制是基于材料的晶格或几何元素的机械重构，机械可重构的超材料可以不受组成材料的非线性限制，同时还能够实现对电磁波耦合的调制。

在已发表的文献中有许多超材料的调制方法，大致可以分为两类，一类是基于非线性效应，如文献《Characterizations of a thermo-tunable broadband fishnetmetamaterial at THz frequencies》中在仿真中使用碲化铟设计周期性结构，通过改变温度来改变其电导率，使整个结构的等效电感发生变化，进而实现对入射电磁波透射率的调制。再例如在《Broadband Terahertz Transparency in a Switchable Metasurface》中，在开口环出嵌入感光性好的硅，通过外加激励光源照射，改变开口环处硅的载流子浓度，进而改变超材料结构的谐振模态，实现了超材料透射光谱赋值的调制。该调制方式由于是通过自由载流子引起电磁性质的变化，所以驱动时间可以达到皮秒以下。但是在开口环处嵌入硅要求制作工艺难度较大，很难制备出实物。而且，材料的非线性效应的可调节范围非常小，对入射电磁波的调制区间也非常有限。另一类是改变超材料结构的几何参数，比如文献《Mechanically tunable terahertz metamaterials》中采用高弹性的PDMS作为基底，在其表面制备“工”型金属结构，通过拉伸的方式改变结构的几何参数，进而实现对入射太赫兹波响应的调制。但该结构不能对吸收响应调制，只能对透射特性进行调制。此外，在实际应用中，拉伸机构很难同超材料结构实现高度集成，并且在超材料各单元间获得均匀拉伸性能的技术难度很大，进而极大限制了其实用性。

如今，也有很多文献对超材料吸收器进行研究，例如《Metamaterial basedbroadband RF absorber at X-band》设计出一种能够在X波段实现宽谱吸收的超材料结构，通过仿真验证各项几何参数对吸收曲线的影响，将不同几何尺寸的结构组合，最终得到宽谱吸收器。但是由于尺寸的确定过程十分复杂，最终得到的吸收曲线并不十分平坦。再如《A dual-band polarization insensitive metamaterial absorber with split ringresonator》中对开口环谐振器进行研究和设计，仿真验证了开口环缝宽对吸收率的影响，实现了超材料的多峰吸收。但目前对可调制的超材料吸收器的研究还很少，吸收率的调制范围也很有限。

另一方面，太赫兹波具有频率较高，光子能量低，安全性好，穿透性强等特点，并且对大多数非金属材料都具有非常好的透视性。超材料可以通过设计金属周期阵列结构对太赫兹波产生响应，能够对太赫兹波的研究起到重要作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种新型可调太赫兹超材料吸波结构，其中通过对该超材料吸波结构的整体构成，尤其是对关键的超材料调控原理(即相应的太赫兹波吸引调控原理)及其相应组件等进行改进，与现有技术相比能够有效解决超材料制备不便、调节不灵活等的问题，并且该超材料吸波结构可以与新型的集成气压调制方法配合使用，易于集成且重复性高，对超材料变形也非常均匀，调控效果好。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，包括介质材料基底以及分布于该基底上的超材料单元，任意一个所述超材料单元包括对应设置的一对底部金属层及超材料阵列；其中，所述超材料阵列固定设置在柔性的介质薄膜上，该介质薄膜同样位于所述介质材料基底上且与之键合；所述底部金属层设置在所述介质材料基底上且位于所述超材料阵列的正下方，所述超材料阵列在该介质薄膜所在平面上的投影完全被包含在所述底部金属层在该介质薄膜所在平面上的投影之中；并且，在所述介质薄膜与所述底部金属层之间对应形成有空腔，该空腔是通过所述介质薄膜与所述介质材料基底两者的键合而形成的空间，该空腔用于调控所述超材料单元对太赫兹波的吸收，通过调整该空腔的压强能够实现该超材料吸波结构整体对太赫兹波吸收的调控。

作为本发明的进一步优选，所述空腔的压强为正压或负压，正压的压强范围满足0～10MPa，负压的压强范围满足0～-50kPa。

作为本发明的进一步优选，所述可调太赫兹超材料吸波结构与气压驱动器相连，通过所述气压驱动器调整压强。

作为本发明的进一步优选，所述空腔在所述介质薄膜所在平面上的投影为对称图形或非对称图形，其中，所述对称图形优选为正方形或圆形。

作为本发明的进一步优选，所述超材料单元具体为多个，这些超材料单元周期性的排布在所述介质材料基底上，这些超材料单元中的所述空腔相互连通；

优选的，这些超材料单元中的超材料阵列均固定设置在同一层介质薄膜上。

作为本发明的进一步优选，所述介质薄膜与所述底部金属层之间的距离为1μm～100μm；

所述介质薄膜的厚度为1μm～15μm。

作为本发明的进一步优选，所述超材料阵列固定设置在所述介质薄膜的上表面或下表面上。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1：本发明给出了一种可以与新型的集成气压调制方法配合使用的超材料结构，利用由介质薄膜制备的周期性空气腔，通过增大或减小腔内压强会使空气腔上方的介质薄膜发生凸起或凹陷，进而改变膜上超材料结构的几何参数，实现对入射太赫兹波的调制。该结构易于集成且重复性高，对超材料变形也非常均匀。

2：本发明中可调超材料吸波结构，可有效与气压驱动器配合工作，可以通过改变腔内压强来改变超材料的几何参数，从而实现对太赫兹波吸收率大范围内的选择性调制(单波段、双波段、多波段调制)。本发明中的可调太赫兹超材料吸波结构可配合压强调节单元使用，能够灵活对太赫兹波吸收进行调控，例如可调节特定波长太赫兹波的吸收率，并可以对吸收峰出现位置(即最高吸收率对应的波长值)进行调节。

另外，本发明中超材料单元可以周期性的重复设置在介质材料基底上，多个超材料单元中对应的多个空腔结构可以通过微型沟道相互连通(即，每个小空腔之间是相互连通的)，通过多个形状参数等完全相同的空腔的设计，可确保在空腔压强值固定的情况下，每个超材料单元都发生相同的形变。此时，气压驱动器也包括连接各个空腔的微型沟道。

本发明优选将介质薄膜与底部金属层之间的距离(即空腔的厚度)控制为1μm～100μm，将介质薄膜设置为1μm～15μm，通过腔厚、其他结构层的厚度等形状参数的整体配合，可以使得本发明中的可调太赫兹超材料吸波结构在不发生形变(如空腔压强为常压，例如1atm)时，在目标太赫兹波长处，可得到预期的吸收率(例如有很高或很低的吸收率)。

综上，本发明将新型的集成气动调制方式与超材料结构有机结合起来，通过合理设计超材料的金属周期阵列结构以及超材料的几何参数可使其工作在太赫兹波段。与此同时，通过控制空气腔内的压强，可以在较大范围内实现对太赫兹波吸收率的选择性调制(单波段、双波段、多波段调制)。本发明可以与新型的集成气压调制方式相配合工作的超材料吸收结构，具体是基于由绝缘介质制备的周期性空气腔(如方形空气腔)，控制腔内压强改变空气腔上方超材料的结构参数(对基底造成的形变可忽略)，最终实现对入射太赫兹波响应的调制。

附图说明

图1为可调超材料整体结构示意图。

图2为制备出空气腔的基底示意图。

图3为实例1可调超材料整体中超材料单元的结构示意图，该超材料单元即设置在图2所示的任意一个空气腔中。

图4为实例1介质薄膜-金属结构模型示意图。

图5为不同压力下实例1的吸收率变化仿真结果图。

图6为实例2可调超材料整体中超材料单元的结构示意图。

图7为实例2介质薄膜-金属结构模型示意图。

图8为不同压力下实例2的吸收率变化仿真结果图。

图9为实例3可调超材料整体超材料单元的结构示意图。

图10为实例3介质薄膜-金属结构模型示意图。

图11为不同压力下实例3的吸收率变化仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面以超材料为金属材料为例，对本发明进行具体说明。

实例1

总体说来，本发明给出了一种新型集成气压调制方式与超材料吸收器相结合的结构，实现方案是通过改变腔内压强改变超材料结构的几何参数，进而实现对入射太赫兹波吸收率的调制。

该结构可以分为两个部分。如图1所示，上部分是介质薄膜和金属周期阵列结构。下部分是用介质作为基底，并使用相关工艺在介质基底表面制备出规格相同的周期性方孔阵列，在方孔底部铺设金属层，而这些方孔结构与超材料顶部的二维金属层结构所处的位置相对应，具体结构如图2所示。

调制时，通过外力改变空气腔内的压强，例如加入或减少腔内空气，使空气腔处的介质薄膜发生凸起或凹陷，进而改变了超材料整体结构的几何参数，实现对入射太赫兹波进行调控。

下面详细介绍实例1。如图3所示，结构的上层是介质薄膜和超材料金属周期阵列，金属阵列在介质薄膜上方，由两个带缝隙的方形框嵌套构成，薄膜下为空气腔，腔厚为t_AIR＝62.5um，底层金属厚度t_AU＝8.5um。该实例中，介质薄膜的材料为FR4，厚度t_FR4＝12.5um，相对介电常数为3.6，损耗角正切为0.03；金属的材料为金，厚度t_AU＝8.5um，电导率为4.56e7S/m。结构的具体参数如图4所示，结构的周期长度L＝667um，金属阵列正方形边长L1＝533um，线宽w＝50um，间距d＝54um，缝宽g＝33um(内外正方形的缝宽相同)。

通过改变空气腔内的压强来实现对超材料吸收特性的调制。在空气腔内加入1MPa和2MPa的压强时(器件外部为普通大气环境，如1atm)，最终的仿真结果如图5所示。可以看到，当介质薄膜和金属阵列由于受到垂直向上的压强而向上发生形变，使相应频率处的吸收率下降，在频率为0.12THZ处，吸收率的调制范围为99.9％～5.7％，可调制的范围是非常大的。

实例2

实例2的单元结构如图6所示。金属阵列在介质薄膜上方，外层是带缝隙的金属框，内层是I型结构，空气腔腔厚为t_AIR＝2um，底层金属厚度t_AU＝0.85um。该实例中，介质薄膜的材料为PDMS，厚度t_PDMS＝2um，相对介电常数为2.75，损耗角正切为0.05；金属的材料为铜，厚度t_CU＝0.85um，电导率为5.81e7S/m。结构的具体参数如图7所示，结构的周期长度L＝66.7um，金属阵列正方形边长L1＝53.3um，线宽w＝5um，间距d＝5.4um，缝宽g＝3.4um。

在调制时，向空气腔内加入20KPa和40KPa的压强时，最终的仿真结果如图8所示。可以看到，当PDMS薄膜和金属阵列由于受到垂直向上的压强而向上发生形变，使相应频率处的吸收率下降。第一个吸收峰的峰值发生频移，但吸收率仍保持在85％以上。第二个吸收峰在频率为1.74THZ处，吸收率的调制范围为89％～24％，具有较大的调制范围。

实例3

实例3的单元结构如图9所示。该结构的金属阵列在介质薄膜下方，由两个带缝隙的方形框嵌套构成，处于空气腔内部。空气腔的腔厚为t_AIR＝3um，底层金属厚度t_AU＝0.85um。在该实例中，介质薄膜的材料为PDMS，厚度t_PDMS＝2um；金属的材料为金，厚度t_AU＝0.85um。结构的具体参数如图10所示，结构的周期长度L＝66.7um，金属阵列正方形边长L1＝53.3um，线宽w＝5um，间距d＝5.4um，缝宽g＝3.4um。

当在空气腔中加入反向的4KPa和8KPa压强时，最终的仿真结果如图11所示。介质薄膜和金属阵列由于受到向下的压力而发生向下的形变。对于该结构存在的两个吸收峰，当结构发生形变时，第一个吸收峰会发生频移，且峰值会上升；第二个吸收峰也会发生频移，但峰值会下降。该结构在频率为1.344THZ处的吸收率的调制范围为8％～95％，具有非常大的调制范围，且吸收率随着形变增大而增大；在频率为1.486THZ处的吸收率调制范围为96％～19％，调制范围比较可观，吸收率随着形变增大而减小。

金属材料在介质材料上的固定方法，可参考现有技术中的方法进行。介质薄膜与介质材料基底之间也可参考现有技术中的方法进行键合。

除了上述实施例中所采用的介质薄膜厚度、空腔厚度等特定厚度值外，介质薄膜与底部金属层之间的距离(即空腔的厚度)还可以是1μm～100μm的其他值，只要空腔能够满足与压强配合发生形变的条件即可；介质薄膜一般可以是微米级，如1μm～15μm。另外，底部金属层与超材料阵列的厚度一般可以相同，具体厚度和工作波长相关，如果是THZ波段，一般是几微米或零点几微米，如0.5um～10um。本发明中超材料阵列所采用的材料其结构的具体形状还可参考现有技术而设计，以金属材料构成的超材料阵列为例，这些现有技术中不能调制的金属阵列，可以通过本发明中的空腔设计使它们对太赫兹波吸收可调控；当然，金属阵列结构尺寸上的不同，相应工作波段也可能不相同，此时需要配合目标的吸波效果进行调整。除了上述实施例中所给出的立方体形的空气腔外，空气腔还可以采用其他形状，只要这些形状的空气腔及金属结构具有预期的形变效果即可，对称图形或非对称图形均可；例如空气腔可以为圆柱形，此时底部金属层及超材料阵列可分别位于该圆柱的底面和顶面。介质和金属的材料均可灵活调整，只要介质绝缘、对太赫兹波段吸收较低、且较柔软可发生形变即可，并且，介质材料基底与介质薄膜所采用的介质材料种类既可以相同也可以不同；底部金属层与超材料阵列所采用的材料种类既可以相同，也可以不同，底部金属层和超材料阵列优选采用电导率较高的材料。

除了上述实施例中所给出的几种不同的超材料吸收结构，本发明还可以采用其他具体形状及细节参数设置，只要能够形成空气腔、并能够通过调节空气腔的压强调节超材料的周期性即可，共同形成底部金属层-空气腔-薄膜-超材料结构。例如，薄膜及基底的凹凸设置也可以采用其他设计，如薄膜可同样具有凹陷结构，这些凹陷结构将与基底上的凹陷区域共同形成空腔。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，包括介质材料基底以及分布于该基底上的超材料单元，任意一个所述超材料单元包括对应设置的一对底部金属层及超材料阵列；其中，所述超材料阵列为金属结构且固定设置在柔性的介质薄膜上，该介质薄膜同样位于所述介质材料基底上且与之键合；所述底部金属层设置在所述介质材料基底上且位于所述超材料阵列的正下方，所述超材料阵列在该介质薄膜所在平面上的投影完全被包含在所述底部金属层在该介质薄膜所在平面上的投影之中；并且，在所述介质薄膜与所述底部金属层之间对应形成有空腔，该空腔是通过所述介质薄膜与所述介质材料基底两者的键合而形成的空间，该空腔用于调控所述超材料单元对太赫兹波的吸收，通过调整该空腔的压强能够实现该超材料吸波结构整体对太赫兹波吸收的调控。

2.如权利要求1所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述空腔的压强为正压或负压，正压的压强范围满足0～10MPa，负压的压强范围满足0～-50kPa。

3.如权利要求1所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述可调太赫兹超材料吸波结构与气压驱动器相连，通过所述气压驱动器调整压强。

4.如权利要求1所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述空腔在所述介质薄膜所在平面上的投影为对称图形或非对称图形。

5.如权利要求4所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述对称图形为正方形或圆形。

6.如权利要求1所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述超材料单元具体为多个，这些超材料单元周期性的排布在所述介质材料基底上，这些超材料单元中的所述空腔相互连通；

这些超材料单元中的超材料阵列均固定设置在同一层介质薄膜上。

7.如权利要求1所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述介质薄膜与所述底部金属层之间的距离为1μm～100μm；

所述介质薄膜的厚度为1μm～15μm。

8.如权利要求1所述可调太赫兹超材料吸波结构，其特征在于，所述超材料阵列固定设置在所述介质薄膜的上表面或下表面上。