基于超材料的單頻層狀吸波體仿真

中南大學物理與電子學院 黃治涵

1 引言

人工復合材料的超材料與常規介質不同，具有三個重要的特征（1）是由人工微結構單元構成的復合材料。（2）具有超常的物理性質（3）其性質與結構主要來源與人工結構而非構成材料本身的材質。超材料所具有的超常物理特性往往各有不同，這取決于設計者的設計想法，而如今應用最廣泛的還是超材料對于各類電磁波乃至光波的強吸收特性。

2 仿真原理

由于超材料的亞波長特性，我們可以通過微結構的設計可以實現電磁參數ε和μ的調控，從而實現超材料與電磁波作用方式的調控。通過調整使材料的電磁特性成復數，實部是對電磁場能量的轉換特性，而虛部是材料介質對波的損耗特性。而本次仿真所利用的則是利用多層狀結構材料的電磁參數虛部對波的損耗，實現材料對某一頻率波的吸收特性。

3 吸波效果仿真

3.1 仿真模型

平面電磁波沿z軸垂直入射電磁場區域中，建立仿真模型如圖1、2所示。計算區域是一個8×8×16的長方體，材料中的微元結構是一個由樹脂材料做的8×8×0.5的長方體，長方體上表面同心處附上一個半徑為3的銅質圓片，底面是一個邊長為8的正方形銅片，設置邊界條件無窮大，則這樣的微元結構在z軸上無窮連續。求解范圍是16GHZ。

圖1 仿真模型圖

圖2 仿真模型圖

3.2 仿真效果

可以從仿真的結果的繪圖以及導出的數據表格可以看出來，該材料對于12.5GHZ頻率的波具有強吸收特性。不同材料的諧振頻率不同，通過調節結構參數吸收特性還會更加明顯。這里的仿真其實強吸收特性一般要做到-10dB，但也足以模擬這種超材料結構的吸波特性。

圖3

4 超材料的制備

4.1 SRRs制備工藝

如前文所述，Pendry從電磁場理論入手，提出了以SRRs方法為代表的具體化的超材料設計方法。

通過SRRs制備工藝的相關內容進行分析，我們可以發現，Drude-Lorentz具有在經典的電磁場理論中，描述材料性質的作用。開環共振器(SRRs)和細金屬導線構成的復合微結構是超材料制備過程中的常用結構，根據該理論的相關內容，介磁導率與介電常數的之間存在著一定的相似性，與之相關的計算公式如下所述：

其中ωm代的內容為體系的磁共振頻率，F用于表述金屬占據格子的體積分數，i為虛數單位，Γ為損耗頻率(遠小于ωm)。其中ωp為電子的等離子體共振頻率，而γ為損耗頻率。由上式可推知，SRRs體系在大于共振頻率ωm的情況下，會產生負的磁導率；當ω＜ωp時，系統之中會出現負的介電常數。就上級SRRs制備原理而言。除了SRRs之外，介質材料周期排列工藝也需要得到人們的關注。介質材料周期排列工藝建立在周期性的結構的基礎之上。晶格點陣的Bragg散射在這些周期性結構中發揮著重要的作用。與之相關的負折射效應可以說是非均勻媒質對電磁波的復雜集體響應行為的等效表觀現象。

4.2 非SRRs制備

關鍵尺寸上層次的有序排列，是超材料制作過程中所遵循的重要設計思想。超材料設計思想建立在材料關鍵物理尺度結構基礎之上，它可以借助關鍵物理尺度上的結構有序設計。發揮出突破某些表觀自然規律的限制的作用。SRRs就是建立在材料關鍵物理尺度結構基礎之上的超材料制備工藝。除了SRRS技術以外，基于電子束曝光系統的超材料制備工藝也是一種較為常用的“超材料”制作方法。根據光子晶體材料研究工作的實際情況，光頻段的完全光子帶隙的實現，是人們在實驗方面所追求的主要目標。在光子晶體材料研究工作開展過程中，一些研究者選擇了銀作為介電背景的設計方案。這一設計方案可以在利用化學過程將銀引入到聚乙烯微球晶體的基礎上，獲取具有接近完全帶隙的光子晶體。在利用斜角沉積技術開展研究的基礎上，一些研究人員已經研制出了為光學工業界所接受的，規模化光學超材料生產技術。一些研究人員利用這一技術這種技術在硅基板上制作了銀納米柱構成的薄膜，該可以利用特殊方式操控光的薄膜在光電產業上具有較為廣泛的應用前景。但是通過對這一技術的研究現狀進行分析，我們可以發現，現階段利用這一技術制作而成的超材料的工作頻率相對有限頻率范圍內工作，也難以在實際環境下開展批量生產。為克服這個問題，任貽均等(Yi-Jun Jen)等采用了基于斜角沉積法的超材料制作技術。根據其提出的超材料制作技術的內容，人們首先需要借助電子轟擊手段，對銀塊材料進行氣化處理，并要讓銀蒸氣沉積在2英寸厚的硅基板上。在氣化處理環節結束以后，人們可以通過調整基板的傾斜角度的方式，讓銀產生自我遮蔽效應作用。此時朝蒸氣注入的方向生長成納米柱長成的銀薄膜厚度為240nm，銀納米柱長650nm、寬80nm，并與基板法線夾66度角。在波長介于300至850nm的光照射樣品以測量其光學特性，以后，研究人員發現，此類超材料可以在波長介于532至690nm間會產生負折射。

5 結論

毫無疑問，超材料已經變成了一個振奮人心的研究領域。超材料獨特的研究工作對趨勢超材料的迅猛發展有著積極推動作用。由于其性質基本不受其材質影響，因此在開發用量和普及上就完全成了可能。負折射率、超級透鏡、隱身斗篷已及零折射率等在這一領域一系列的突破與進展，超材料未來一定能有更大的發展和應用空間。