太赫茲環偶極子超材料研究與展望

王 爽，李 泉

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

太赫茲波（Terahertz waves）是指頻率在 0.1～10 THz，對應波長為0.03～3 mm范圍內的電磁波段，也被稱為亞毫米波。太赫茲波的發現填補了現有物理學電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的空白。太赫茲技術在生物醫學、電子通訊、安檢識別、航天軍事等領域均有重要的應用。然而，自然界中能在太赫茲波段應用的材料不多，超材料（metamaterials）的出現有效地解決了這一問題。利用超材料可以實現自然界中不存在的物理現象，如左手材料（負折射率、負磁導率）、隱身斗篷、超級透鏡、完美吸波材料等，因此超材料受到越來越多學者的關注[1-20]。環偶極子作為環形多極子家族的一員，展現出了許多獨特的電磁特性，具有潛在的理論和應用價值，已在世界科研領域內引起廣泛關注。環偶極子在太赫茲波段下的產生機理尚未被完全揭示，超材料為揭示環偶極子在太赫茲頻段下的內在機理提供了重要手段。本文對超材料發展歷程進行回顧，在總結不同波段環偶極子超材料的研究成果及經驗的基礎上，提出一系列實現太赫茲環偶極子超材料的方案，為進一步探索環偶極子產生機制和獨特電磁特性提供了參考。

1 超材料研究與發展

超材料是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構成的一種人工材料。超材料和傳統材料的區別在于用宏觀尺寸單元代替了原有微觀尺寸單元（原子或分子）。盡管二者的單元尺寸相差很大，但是對外加電磁波的響應都是通過基本單元諧振系統對外加場的響應來體現的。材料的介電常數ε反映了單元結構對外加電場的響應，而磁導率μ則反映了單元結構對外加磁場的響應。人為設計諧振單元，通過控制其對外場的響應來實現范圍更廣的ε和μ值，即可通過剪裁超材料單元的基本結構來任意控制其電磁特性，實現自然界不存在電磁特性的特殊材料，進而實現一批新概念或者新型的微波、太赫茲波及光波器件和系統。超材料內涵更深、更寬廣，蘊含著豐富的理論、關鍵技術和重要的工程應用[1-15]。

超材料概念的提出可追溯到20世紀60年代。前蘇聯科學家Veselago[1]假想了一種ε和μ均為負數的物質，并指出該物質里有許多奇特的電磁現象，例如：電場、磁場和波矢之間構成左手關系、電磁波負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應等。超材料的研究始于1990年，英國帝國理工的Pendry教授等[2]于1996年首次利用一種周期排列的金屬短線陣列結構在微波波段實現了負的介電常數。隨后，該課題組設計了經典超材料結構——金屬開口諧振環結構（split ring resonator，SRR），通過結構優化可在微波波段呈現出負磁導率特性[3]。隨之負介電常數和負磁導率均為負值的左手材料相應地被研發出來。超材料的提出和人工實現為研究人員提供了另一種處理問題的思路以及按照意愿設計材料的全新途徑。隨著研究的深入，研究人員不滿足于被動結構固定的超材料，通過在超材料中嵌入可調控、非線性介質或者半導體部件，在不改變超材料結構的前提下，實現對超材料電磁特性的調節，極大地擴展了超材料的應用范圍。根據不同的調控方式，超材料可以分為溫度調控超材料[10-11]、電壓調控超材料[12-13]、機械調控超材料[14-16]、光調控超材料[5，17-18]以及混合調控超材料[19-22]。不同調控機制超材料如圖1所示。

圖1 不同調控機制超材料

溫度調控超材料可將高溫超導體如釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O7，YBCO）或紅外溫控材料二氧化釩（VO2）植入超材料中。高溫超導體或紅外溫控材料二氧化釩（VO2）電導率隨溫度變化急劇變化，進而超材料電磁特性可在很大范圍內進行調控。電壓調控超材料利用電壓調控載流子密度影響介質基底電導率，進而實現透射譜幅度調控。機械調控超材料利用微機械系統（MEMS）構成超材料，通過結構變化調整結構與入射電磁波角度，進而影響輸出電磁特性。光調控超材料通常將金屬圖案層制備在寶石硅（silicon on sapphire，SOS）基片上，并移除部分硅層，利用光泵引起硅層中載流子變化，進而影響超材料透射譜電磁特性[5]。除上述單一調控方式超材料外，混合調控超材料還可以通過2種調控方式改變超材料電磁特性，如在超材料中嵌入二維材料石墨烯。將石墨烯覆蓋到超材料結構表面或嵌入到超材料結構中，這種方式構成的超材料是當前研究的熱點。石墨烯性能優異，其電子遷移率遠遠超過常規導體中的電子運動速度，具有高電流密度的特點[6-7]。石墨烯通過外加電壓和光泵能有效改變其電導率，制備可調控超材料。采用電控和光泵結合實現基于石墨烯的太赫茲調控器的主要原理是通過外加激勵（電+光）來調控石墨烯的費米能級（fermi level），使石墨烯的光學電導率發生改變，進而實現對太赫茲透過系數的主動調控。因為采用光泵激勵的前提是使用半導體基底，該基底在光泵的條件下激發出光生載流子，成為石墨烯的載流子“供給源”，所以這種光電結合的調制方法往往采用半導體作為基底，且半導體和石墨烯薄膜之間沒有任何絕緣層。由于基底能為石墨烯提供大量載流子，因此用該方法實現的調制深度比較高。

2 環偶極子超材料

環偶極子是環形多極子家族最基本的成員，環偶極子是由電流j沿著圓環體的徑向方向流動，在圓環體的子午面上形成等效的磁偶極子m，多個磁偶極子首尾相連，形成了一個軸向的環偶極子T，因此環偶極子可以理解為由磁偶極子首尾相連組成閉合環的一個大的磁偶極子[8-10]。環偶極子具有與傳統電極子與磁極子不同的獨特電磁響應特性，如具有較高的品質因數Q、諧振透明、非線性旋光性、模式轉換特性、光學特性各向異性、負折射率等特性[23-32]，環偶極子除具有獨特的基礎理論研究價值外，還有廣闊的應用前景，可用于制備傳感器、調節器、切倫科夫計數器等器件[33-37]。

自然界中環偶極子的電磁響應比較微弱，通常被電偶極子或磁偶極子所掩蓋，因此在很長的一段時間里都被人們所忽視。超材料為不同波段實現環偶極子現象提供了可靠的技術手段，研究人員針對環偶極子在不同頻段下的電磁特性開展了系列研究。首先，針對微波波段環偶極子電磁響應特性開展一系列研究。Kaelberer等[34]通過理論研究和實驗驗證在微波頻段（14.5～17 GHz）首次觀察到環偶極子，并與其他多極子區分開。隨后針對環偶極子電磁響應特性研究也延伸到光波波段。Huang等[35]研究了光波波段環偶極子與電偶極子及磁偶極子之間的關系，探究環偶極子產生機制并建立物理模型。Dong等[36]通過光波波段環偶極子超材料分析環偶極子諧振產生的原理。

長期以來，研究人員對于太赫茲波段電磁輻射性質的了解非常有限且具有局限性，以致于該波段被稱為電磁波譜中的“空隙”，成為電磁波譜中有待進行全面研究的最后一個頻率窗口[8]。20世紀90年代，發明了穩定的太赫茲時域光譜測量系統，半導體天線通過飛秒激光激勵獲得穩定太赫茲輻射，是目前使用最廣泛的太赫茲輻射源。但是，由于天線的限制，其探測頻帶寬度被限制在4 THz之內。太赫茲輻射是自然界中同其他相干輻射一樣的、非常重要且實用的電磁波資源。太赫茲波波長處于微波與紅外光之間，相對于微波和X射線等，具有非常強的互補特征。太赫茲波輻射波長在幾十到幾百微米范圍內，典型脈寬在亞皮秒量級，具有高時間和空間相干性、光子能量低等獨特電磁性能[8-9，23-31]。在過去一段時間內隨著太赫茲技術的不斷發展，在諸如生物分子、材料特性光譜檢測、半導體材料特性研究、安全檢查、醫藥、醫學檢測等領域已取得了一系列重要的應用，其獨特的優越性已逐步被研究人員所認識。在國家安全和軍事運用方面，太赫茲雷達技術以及太赫茲信息對抗技術也正受到越來越廣泛的關注。因此，太赫茲波的獨特性能使其在多個領域展現出重要的科研價值以及廣闊的應用前景。隨著太赫茲測試手段的完善，針對環偶極子在太赫茲頻段下電磁特性開展了一系列研究。Gupta等[37]設計并制備太赫茲頻段下環偶極子超材料，該超材料有望應用于介質和生物傳感器中。太赫茲波獨特性能與環偶極子電磁響應特性相結合必將產生新的電磁學特征和新現象，因此研究環偶極子在太赫茲頻段的電磁響應特性具有重要理論意義和應用前景。

為了獲得高Q值環偶極子超材料，針對超材料的單元結構開展了一系列研究，環偶極子超材料單元結構如圖2所示。微波、光學波段環偶極子超材料單元結構多為3D立體結構，該3D結構多為開口環SRR以及開口環的衍生模型。微波波段通常采用帶狀線等加工方法，在覆銅板上腐蝕空隙或纏繞金屬線制備。光波段通常采用“金屬-介質-金屬”結構，采用e-beam光刻配合高精度對準方法逐層制備[38-40]。太赫茲波段利用傳統光刻工藝可制備二維結構環偶極子超材料，由于光刻工藝具有可重復性，可簡化制備過程，獲得高Q值環偶極子超材料，有利于相關器件的實現[37]。研究表明，超材料單元結構設計中需充分體現時間反轉非對稱性和空間反轉非對稱性，它們是形成環偶極子現象的關鍵因素。

圖2 環偶極子超材料單元結構

環偶極子超材料制備基底可分為硬性基底材料和柔性基底材料。硬性基底超材料多見于微波波段和光波波段，采用覆銅板、硅或玻璃作為基底；柔性基底超材料采用聚酯薄膜（Mylar）或聚酰亞胺（Polyimide）等作為基底，可在太赫茲頻段實現，其具有形狀可彎曲、柔韌性強等特點，極大地擴大了超材料應用范圍。

研究人員逐步揭示環偶極子產生機理，指出環偶極子是由電極子及磁極子之間相互作用破壞近場電環境平衡而產生的，非對稱電流能增強環偶極子強度，是產生高Q值的原因[25，28]。可依據單元結構建立基于耦合LC電路的物理模型進行定量分析。為了定量分析環偶極矩強度，根據體積電流密度分布，利用多極散射理論得到多極子的散射強度，如電偶極矩、磁偶極矩和環偶極矩。該方法已成功應用于微波、太赫茲和光學波段環偶極矩的計算，計算公式為：

電偶極矩：

磁偶極矩：

環偶極矩：

3 太赫茲環偶極子超材料研究與展望

研究組設計在太赫茲頻段基于雙U型SRR（USRR）結構、雙C型結構、雙SRR型結構以及雙金屬條結構的環偶極子超材料，超材料設計在Mylar或Polyimide等柔性基底上，對其內在機理進行分析，驗證多極散射理論計算在太赫茲頻段的正確性，同時分別構建等效電路模型。雙USRR環偶極子超材料單元結構如圖3所示。

圖3 雙USRR環偶極子超材料單元結構

基于雙USRR結構的超材料制備在Polyimide上，它由2個聚酰亞胺層隔開的金屬圖案層組成，其中每個金屬圖案層由2個USRR組成。研究2個共面USRR之間的距離g、金屬線寬度w、周期p等對諧振點頻率、透射率及Q值變化的影響，在所有樣品中觀察到2個諧振，約0.35 THz的低頻諧振和約0.75 THz的高頻諧振。低頻諧振頻率先隨g的增加而減小，然后隨g的增加而增加。高頻諧振頻率的變化規律與低頻諧振頻率的變化規律具有相同的趨勢。測量和模擬結果擬合良好。通過調整g=10 μm，在超材料中的2個不同頻率分別獲得低Q值（約為1.82）和高Q值（約為10.31）環偶極子諧振，高頻諧振Q值幾乎是低頻諧振Q值的6倍。USRR的能級分為由電感電容（LC）誘導的低頻環偶極子諧振和偶極子誘導的高頻環偶極子諧振。電多極子相互作用在確定環偶極子諧振的能級中起重要作用。該雙環偶極子諧振超材料將在功能太赫茲器件中具有潛在的應用價值。可調控太赫茲環偶極子超材料具有廣闊的應用前景，是今后研究發展方向。通過嵌入功能材料、石墨烯等二維材料實現環偶極子現象，但是目前仍有一定的難度，如三維結構向二維結構轉變，可調控因素對環偶極子電磁特性影響的定性定量分析等。

4 結語

本文探討了環偶極子超材料的研究和發展現狀，環偶極子獨特電磁特性能與太赫茲波特性相結合，必產生一系列獨特的物理現象。太赫茲頻段環偶極子超材料可以緩解太赫茲波段器件缺少的現象，可實現對太赫茲波進行調控、濾波、開關和延時等操控，可用于制備傳感器、調節器、切倫科夫計數器等太赫茲先進器件。