第6卷 第3期2013年6月
中国光学 Chinese Optics
Vol.6 No.3
June 2013
收稿日期:2013⁃02⁃17；修订日期:2013⁃04⁃15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.10834015;No.61077082)；陕西省科技新星资助项目(No.2012KJXX⁃
27)；陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地基金资助项目(No.ZS12018)牙买加体系
文章编号 1674⁃2915(2013)03⁃0283⁃14
潘学聪1，姚泽瀚2，徐新龙1,2∗，汪 力1
(1.中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室，北京100190;
2.西北大学光子学与光子技术研究所
光电技术与功能材料国家重点实验室培育基地，陕西西安710069)
摘要：本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先，介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法，进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出，结构设计可以控制超材料的电磁响应特性，如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质，因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外，电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后，简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。关 键 词：超材料；太赫兹技术；结构设计；调制；偏振 中图分类号:O441;TB34 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20130603.0283
Fabrication ,design and application of THz metamaterials
PAN Xue⁃cong 1,YAO Ze⁃han 2,XU Xin⁃long 1,2∗,WANG Li 1
(1.Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics ,Institute of Physics ,Chinese Academy
of Sciences ,Beijing 100190,China ;2.State Key Laboratory Incubation Base of Photoelectric Technology and Functional Materials ,Institute of Photonics &Photon⁃Technology ,Northwest University ,Xi′an 710069,China )
∗Corresponding author ,E⁃mail :xlxuphy@nwu.edu Abstract :In this paper,the electromagnetic responses and potential applications of THz metamaterials are re⁃
viewed through the focus on fabrication,unit structure design,and material selection,respectively.It de⁃scribes different kinds of fabrication technologies for obtaining metamaterials with special electromagnetic re⁃sponses such as magnetic resonance and reconfigurable tunability,which is helpful for further understanding of electromagnetic resonances in metamaterials.The paper analyzes the electromagnetic response characteristics in detail and points out that the unit structure design can be used to obtain desired electromagnetic characteris⁃tics,such as anisotropy,bianisotropy,polarization modulation,multiband response,broadband response,asymmetric transmission,optical activity,and perfect absorption,etc .The dependence of electromagnetic re⁃sponses upon surrounding dielectrics can be used not only to control resonant frequency by a proper substrate
selection,but also for sensing applications.Furthermore,the introduction of functional materials with control⁃lable dielectric properties by external optical field,electrical field,magnetic field and temperature has the po⁃tential to achieve tunable metamaterials,which is highly desirable for THz functional devices.Finally,the op⁃portunities and challenges for further developments of THz metamaterials are briefly introduced.
Key words:metamaterials;THz technology;structure design;modulation;polarization
1 引 言
通过对自然材料的裁剪、加工和设计，从而实现对电子、光子以及其他一些元激发准粒子的人为调控，一直是光电科学研究的重点。超材料(metamaterials)，也被称为特异性材料，正是在这样的背景下提出来的。在广义上，超材料是一种人工设计加工的复合材料，该材料特异的物理性质不仅取决于组成材料的本征性质，还要由亚波长结构决定[1]，而且这些奇特的物理性质，往往不能通过现有自然材料的本征物理性质获得。例如目前电磁超材料具有负折射率、旋光性、类双折射、类电磁感应透明(EIT，也被称为超材料诱导透明)、不对称透射、超吸收等奇特的物理性质，这些奇特的电磁性质与亚波长单元结构和单元排列方式密切相关。超材料的研究遵循“结构⁃组分⁃功能”的三角关系，可以通过结构的设计和尺寸的调整来获得不同波段、不同物理性质的响应特性；也可以通过对单元格以及基底材 料组分的选择，实现特定的被动式及主动式的光电功能。随着微纳加工工艺的日益简化和普及，超材料的相关研究覆盖了从微波到可见光波段，吸引了越来越多的科研工作者。
太赫兹(THz)辐射的频率为0.1~10THz，在电磁波谱中位于微波与红外之间，处于电子学到光子学的过渡区域[2]。有效的THz源和探测器的缺乏导致了THz技术的研究相对于其他波段要落后得多，曾被称为THz空隙(THz gap)[3⁃4]。而基于超快激光的THz时域光谱技术的发展，推动了THz技术的快速发展。THz辐射的光子能量很低，不会对被测物质产生损伤，可进行无损探测；对大多数介电物质是透明的，可进行透射成像；能够同时测量THz电场的振幅和相位，从而进一步直接获得样品的复折射率[5]、复介电常数以及复电导率，并可以实现飞秒时间分辨的动力学分析；很多凝聚态体系的声子和其他元激发，以及许多生物大分子的振动和转动能级都处于THz 波段，因而，可以通过特征共振对物质进行探测和指纹分辨。
但是，目前THz波段的功能器件相对较少，限制了THz技术的进一步发展。超材料能够对
THz波的振幅、相位、偏振以及传播实现灵活多样的控制，从而提供了一种实现THz功能器件的有效途径。另一方面,THz时域光谱技术能够同时探测电场的振幅和相位，能够更加全面地测量超材料的电磁响应特性，因此,THz技术和超材料的发展是相辅相成的。
超材料最初提出是为了实现负折射率，通过基于开口环谐振器(SRRs)的单元结构设计，可以获得负介
电常数[6]和负磁导率[7]。随着研究的深入，超材料单元结构的设计越来越多样化，更多的响应特性及关联参数逐渐被发现，如基本组成材料的性质和结构参数的影响[8⁃11]以及传感器的实现[12⁃15]；各向异性超材料的偏振依赖性及其对电磁波振幅、相位和偏振态的调制，偏振元件的实现[16]；本征半导体[17⁃22]、掺杂半导体[23⁃24]、超导材料[25]、绝缘体⁃金属相变材料[26⁃27]、热敏材料[28]和铁电材料[29⁃30]的引入而实现的光开关、调制器；不同结构的组合或者多层结构超材料实现的双频、多频和宽频共振响应[31⁃37]，吸收体[38⁃40]，以及类EIT现象[41-44]的发现；制作工艺提高实现的微机械调制的可重构超材料[45⁃47]等。这些都显示了超材料实现THz波控制和THz功能器件的巨大潜力。
目前，国内外关于THz波段超材料的综述多数侧重于超材料在实现THz波段可调功能器件中的应用[48⁃51]，特别是可调THz功能器件的实现以及基本的电磁响应特性和负折射率性质[52]。本文从制作工艺、结构设计和材料选择几个方面
482 中国光学 第6卷
对超材料的基本性质和潜在应用的最新发展进行了综述，并进一步展现超材料的设计和加工与其功能实现之间的依赖关系，期望能够促进基于超材料的THz功能器件的研究。
2 制作方法
微纳加工技术的发展为超材料的制备提供了便利，也进一步促进了超材料的发展，可以加深对超材料电磁响应特性的理解。图1给出了几种THz波段超材料的加工方法及其制作流程。这里的光刻技术(lithography)包含了广义的光刻加工工艺，如薄膜沉积、金属结构和非金属结构的制作技术等。多次曝光光刻工艺可以制作三维超材料，而结合微机电系统(MEMS)概念的主动控制超材料的制作可能同时需要用到多层金属及非金属结构的套刻技术，从而实现结构可随外加激励动态变化的可调谐超材料。模板沉积技术直接通过金属沉积来形成超材料结构，不需要光刻胶的辅助，虽然简化了制备程序，提高了制备质量，但是沉积过程会造成模板的污染。打印方法和光纤拉丝方法不需要制作掩模板或者模板，简化了制作过程，但是，其最小制作尺寸受到限制，光纤拉丝方法同时限制了单元结构的设计。下面结合实例分别从平面超材料、三维超材料以及主动可调超材料等方面对太赫兹超材料的最新加工技术进行阐述。
2.1 平面金属超材料加工方法
到目前为止，研究最多的是平面超材料，即制作在电介质或者半导体基底上的准二维亚波长金属结构，通常采用光刻的加工方法。如图1所示，金属结构的光刻一般是在坚模后进行金属沉积，再通过去胶获得所需的金属结构。光刻技术的曝光可以选用多种光源，如紫外光、X射线、电子束、离子束、质子束等。不同的光源需要选择不同的光刻胶，并且会有不同的曝光深度，对应着不同的金属沉积方法。紫外曝光获得的金属层厚度一般在100nm量级，而质子束直写与电镀技术[53]相结合可使金
属层的厚度在10微米左右。光刻技术可以获得几微米的金属线宽度，并且样品均匀性较好，但是制作过程较复杂。
模板沉积技术也
图1 THz波段超材料的加工技术Fig.1 Fabrication technologies for THz metamaterials 能获得高质量的超材料，金属通过模板的孔结构直接沉积在基底上，不需要光刻工艺，从而避免了化学污染[26]，但是模板的制作仍然需要采用光刻加工方法。喷墨打印[54]和激光打印[55]不需要制
作掩模板或模板，很大程度地简化了超材料的制作过程，但是最小的金属线宽度受到了限制。喷墨打印需要多次打印获取所需的金属层厚度，喷墨的不均匀性会导致超材料共振的加宽；激光打印可以改善喷墨的不均匀性，一次获得微米量级厚度的超材料。
2.2 三维超材料加工技术中航工业航宇救生装备有限公司
多层光刻技术是目前制作三维超材料的主要方法，可以通过电介质和金属结构的交替堆叠、套刻来实现[56]。这种方法的制作过程复杂，一般只能制作有限几层来获得特定的响应性质，主要用于宽带响应超材料和基于超材料的吸收体的制备。另一方面，采用柔性基底，将平面超材料卷成三维形状[57]也是获得三维超材料的一种方法。
天然气工业杂志
光刻技术中采用电镀可以获得较厚的金属层，在此基础上采用多层电镀，或者电镀与其他金属沉积技术相结合的多次曝光光刻技术可以使单元结构竖立在基底平面上。如图2所示，非手性的SRRs分别制作在刚性和柔性基底上，在只有磁场激励的情况下，观察到了很强的磁响应[58]。
582
第3期 潘学聪，等：太赫兹波段超材料的制作、设计及应用
这说明具有二维周期的三维超材料就能获得明显的磁响应，为研究超材料的电磁响应特性提供了一种新的方法。多层电镀还可以用于制作三维手性结构，从而实现线偏振电磁波的偏振转换和旋
光性[59]。
图2 电镀技术制作竖立的超材料[58]
Fig.2 Out⁃of⁃plane metamaterials fabricated using e⁃
lectroplating
亿万未婚夫
technique
图3 光纤拉丝方法制作超材料
[61]
山东高速公路网
Fig.3 Metamaterials fabricated by fiber drawing
类比光子晶体光纤的制作[60]，光纤拉丝方法
也可以用于制作三维超材料。在制作过程中，可以将金属成分预埋在预制棒中，也可以在纤芯拉丝后再进行金属沉积并缠绕成阵列。以金属沉积
方法为例[61]，如图3所示，利用直流磁控溅射沉积系统，在100μm 宽的聚合物方柱的3面沉积了250nm 厚的银涂层，形成了横截面为U 形结构的超材料。在磁场激励下，观察到了明显的磁响应。然而，纵向的连续性导致了空间散效应，即磁共振频率与入射角相关。利用激光消融方法破坏纵向的连续性，形成亚波长周期阵列，可以有
效抑制空间散。与光刻相比，光纤拉丝方法限制了结构设计的灵活性。同时，光纤拉丝的最小尺寸限制了这种方法向高频的扩展。
三维超材料的制作技术已经取得了一定的进展，但是对于大多数三维超材料来说，传播方向的尺度还属于亚波长范围，大尺度三维材料的加工还面临着巨大的挑战。
2.3 主动可调超材料加工方法
主动可调超材料制作通常会涉及非金属结构的光刻。与金属结构的光刻不同，非金属结构的光刻通常要在涂胶前进行薄膜沉积或者选择带有薄膜的基底，如硅⁃蓝宝石(SOS，蓝宝石上外延硅)，并在坚模
后通过刻蚀获得所需结构。在刻
蚀过程中，光刻胶起到了保护的作用，所得结构与光刻胶的形状相同。不同的材料可以选择不同的沉积方法，如分子束外延生长、磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶凝胶法、离子束沉积等；而常用的刻蚀方法是反应离子刻蚀和湿法化学刻蚀。有的可调超材料只需要通过在基底和金属结构之间沉积薄膜即可实现超材料电磁响应特性的主动控制。
MEMS 也被称为微机械或微系统。MEMS 加
工技术不仅包含表面加工技术，还包含体加工技术，如硅基底的刻蚀[46]。与其他可调超材料不
同,MEMS 的引入可以实现超材料结构的动态控制。例如，由热膨胀系数不同的氮化硅和金属组成的悬臂支架可以通过环境温度控制单元结构与
阵列平面的相对取向来实现对磁响应和电响应的共振强度的调谐[28]；覆盖着磁性材料的柔性悬臂
在外加磁场的控制下发生不同程度的形变，可以实现对超材料共振频率的调制[62]。最近，用
MEMS 方法实现了超材料晶格排列或者单元结构不同组成部分之间距离的动态调制[45⁃47]，使超材料的共振响应随着耦合的改变发生变化，是研究超材料单元结构之间和单元结构内部耦合的重要方法。
以不对称的SRRs 为例[47]，如图4所示，超材料由两部分组成，一部分制作在固定的基底上，另一部分制作在与静电梳齿微驱动器相连的可移动支撑架上，支撑架的位移与驱动电压的平方成正比，通过驱动电压控制不对称SRRs 之间的距离，从而实现超材料结构的重组。这种方法除了
克里雅人
6
82 中国光学
第6卷
可以实现共振频率的动态调制和超材料偏振相关性的改变，还可以实现超材料单元结构内部耦合引起的其他效应的动态调制，如类EIT现象[43⁃44]。
图4 微机械可重组超材料[47] Fig.4 Micromachined reconfigurable metamaterials
3 结构设计
3.1 平面结构
超材料的亚波长结构和单元结构的排列方式对其电磁响应的实现起着重要的作用。亚波长结构的设计
灵活多样，图5给出了一些平面结构[22,33⁃36,40⁃44,63]，中间为基本结构，四周为实现多频共振、宽频共振和类EIT响应的组合结构。
超材料基本结构包含金属线、线对、十字结构、渔网结构、矩形环、SRRs等[52]。其中,SRRs 是最常用的结构，并可以作为基本单元组成复杂的结构来获得特定的电磁响应。SRRs本身也有不同的结构形式[52,64]，不同的对称性使其具有不同的电磁响应特性。最常用的是双环SRRs和简单的单环SRRs。图5给出的基本结构分别为金属线、十字结构、矩形环、双环SRRs、单环SRRs、电SRRs(eSRRs)和各向同性的SRRs。双环SRRs 的提出是为了获得负的磁导率，入射电磁场垂直于SRRs平面的磁场或者平行于开口所在边的电场都可以激发环形电流振荡，该响应可以等效为电感L和电容C形成的LC共振。环形电流振荡还可以等效为垂直于SRRs平面的磁偶极子，磁偶极子辐射与入射电磁波的相位延迟导致了SRRs的反磁性，从而产生了负的等效磁导率[65]。同时,SRRs
中电场分量和磁场分量之间的耦合使
图5 THz超材料的一些单元结构Fig.5 Some unit structures of THz metamaterials SRRs具有双各向异性，因此SRRs中等效介质的描述需要引入电磁场耦合参数[66]。即使在正入射的情况下，该电磁场耦合参数也会对超材料的电磁响应产生影响[67]。简单的单环SRRs也有相同的性质。通过对称性的增强可以消除这种电磁耦合，这种对称的SRRs通常被称为eSRRs，但是这并不意味着eSRRs不存在磁响应，例如，通过THz波的斜入射，观察到了对称eSRRs随入射角增大而增强的磁响应[68]。
不同形状和尺寸结构的组合，如不同SRRs 的组合、十字环与十字结构的组合、多个矩形环的组合、I形结构的组合、矩形环与SRRs的组合、金属短线与SRRs的组合等，是实现多频[31⁃34]响应、宽带[35⁃36]响应和类EIT现象[41⁃44]的重要方法。结构的组合有交叉排列和嵌套两种方式。交叉排列设计简单，但通常会限制组成结构的密度，同时不同结构之间的耦合较弱；嵌套结构增强了不同共振模式之间的耦合。共振模式之间的相互作用可以调制超材料的电磁响应。平面超材料实现的宽带响应一般要求不同结构共振频率的差值较小，这就在一定程度上限制了共振带宽。如图5 (h)中的I形组合结构，中间结构的水平臂长度与两侧结构不同，不同频率的共振模式叠加可以实
782
第3期 潘学聪，等：太赫兹波段超材料的制作、设计及应用
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议