可調介質超材料研究進展

畢 科，王旭瑩，蘭楚文，郝亞楠，周 濟

(1.北京郵電大學理學院，北京 100876)(2.清華大學材料學院，北京 100084)

1 前 言

超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過結構基元的人工設計可實現電磁參數的調控，這為電磁波的控制提供了無限遐想[1-5]。超材料設計具有很大的自由度，通過合理設計結構參數，可以使其工作在不同的頻帶范圍。因此，超材料在射頻微波領域(包括吸波材料、天線等)、太赫茲領域(包括太赫茲傳感、探測等)、光學領域(包括如完美透鏡、隱身斗篷、超分辨率成像等)都有著十分廣泛的應用前景。超材料的超常電磁特性是通過特定結構的電磁響應實現的。然而超材料的結構確定性導致這些電磁特性都有特定的頻帶范圍，超出這個范圍，奇異的電磁特性便會減弱甚至消失。這意味著一旦工作頻率發生改變，必須重新設計超材料的結構才能獲得同樣的電磁特性，因而限制了其實用性。顯然，如果不用改變超材料結構而僅僅通過改變外部場就可以調控超材料的性能，則將極大地增加超材料的實用性。

由某些介質單元組成的介質超材料的電磁參數對磁場、電場、溫度等外場具有很高的敏感度，通過合理引入外場，可以實時動態地調控超材料的電磁特性，這種可調介質超材料在現代通信和雷達系統中具有廣泛的應用前景，如吸波材料、微波器件、智能天線等。為了實現介質超材料的可調性能，各種超材料外場調控方法也被廣泛研究，其中主要有磁可調[6-8]、電可調[9-11]以及溫度可調[12-14]等。作為一個典型的可調超材料，磁可調介質超材料的磁導率和介電常數可以通過外加磁場進行調節。相比于其他的可調介質超材料，磁可調介質超材料具有更寬的調諧范圍、更快的響應速度等優勢[15-17]。電可調介質超材料可以使用偏置電壓調控單元材料特性來實現對超材料性能的調控[18-20]。此外，溫度可調介質超材料主要基于材料介電常數對溫度的依賴性來實現[21-23]。本文針對可調介質超材料，從外場調控的角度對調控方法進行分類，重點綜述了磁可調、電可調和溫度可調介質超材料的主要研究進展、相關調諧機制以及未來應用展望。

2 磁可調介質超材料

鐵氧體作為一種亞鐵磁性的金屬氧化物，在外加偏置磁場的作用下可以發生鐵磁共振，從而實現負磁導率。通過調節外加磁場的強度可以調控負磁導率出現的頻域，因此，鐵氧體材料已廣泛應用于負折射超材料、超材料天線、超材料帶阻濾波器等器件[24-31]。

2.1 鐵氧體/金屬線復合結構

為了實現磁可調的負折射特性，Zhao等[24]在國際上較早提出了利用釔鐵石榴石(YIG)鐵氧體棒與金屬線復合構成鐵氧體基超材料，其示意圖和電磁特性如圖1a和1b所示。該結構由YIG鐵氧體和Cu金屬線組成周期陣列結構，外加磁場沿著鐵氧體棒的長軸方向。隨著外加磁場由1600 Oe增加到2300 Oe，中心頻率由8.2 GHz增加到了10.7 GHz，響應速度達到了3.5 GHz/kOe。該結構實現了寬頻帶范圍內左手通帶的動態、連續、可逆的磁可調行為，表明通過改變外部磁場可方便地調節工作頻率。隨后，在上述結構中進一步引入不同尺寸的鐵氧體實現了雙通帶效果[25]，其示意圖和電磁特性如圖1c和1d所示。該結構在圖1a所示的印制電路板(printed circuit board, PCB)板兩側引入了不同尺寸的YIG片。隨著外加磁場由1900 Oe增加到2300 Oe，第一個通帶頻率由9.1 GHz增加到了10.2 GHz，同時，第二個通帶頻率由9.5 GHz增加到了10.6 GHz。結果表明該結構具有磁可調特性。

圖1 YIG棒和金屬線組成的可調左手超材料示意圖(a)，復合結構在不同外加磁場下的實測S參數譜(b)，雙頻段負折射率鐵氧體基超材料示意圖(c)，雙頻段負折射率鐵氧體基超材料的模擬透射光譜(d)[24]Fig.1 Schematic of tunable left-handed material (LHM) consisting of YIG rods and copper wires (a), measured transmission for the combination under different applied magnetic fields (b), shematic diagram of dual-band negative refraction index (NRI) ferrite-based metamaterials (c), simulated transmission spectra for the dual-band NRI ferrite-based metamaterials (d)[24]

在一定的外加磁場下，鐵氧體與電磁波作用產生鐵磁共振，其有效磁導率可以表示為式(1)[26]：

(1)

(2)

(3)

其中，α是鐵磁進動的阻尼系數，γ是回磁比，F=ωm/ωr，ωm=4πMsγ，F是鐵氧體的特征頻率，Ms是飽和磁化強度。鐵磁共振頻率可以被表示為式(4)[27]：

(4)

其中，H0是外加磁場，Nx，Ny和Nz分別是x，y和z方向的退磁因子。由表達式(1)～式(4)可以推測出，鐵氧體的磁導率強烈依賴于共振頻率。由于存在兩種不同尺寸的鐵氧體棒，那么在兩個鐵磁共振頻率附近將會分別出現兩個負磁導率區域，在金屬線陣列提供負介電常數的情況下，形成兩個左手通帶。

鐵氧體/金屬線結構是左手超材料中的典型結構，該結構不僅實現了低損耗的磁場可調左手特性，而且構造簡單，在器件小型化方面具有一定的優勢。

2.2 鐵氧體超材料濾波器結構

利用鐵磁共振可以產生負磁導率，Bi等[28]提出了一種基于鐵氧體/鐵氧體單元的帶阻濾波器結構，其結構示意圖和電磁特性如圖2a和2b所示。該結構由兩種僅在尺寸上存在差異的鐵氧體陣列組成，測試結果表明其具有500 MHz的-3 dB阻帶帶寬、-1.5 dB的插入損耗。在一系列的外加磁場作用下，阻帶中心頻率也在隨之改變，這表明了該結構具有磁可調特性。

圖2 基于鐵氧體基超材料的可調微波帶阻濾波器示意圖(a)，磁可調微波帶阻濾波器在一系列磁場H0下的實測S參數譜(b)，基于鐵氧體基超材料結構的可調微波帶通濾波器示意圖(c)，磁可調微波帶通濾波器在一系列H0下的實測透射光譜(d)[28]Fig.2 Schematic diagram of the tunable microwave bandstop filter using ferrite-based metamaterial structure (a), measured transmission spectra for the magnetically tunable microwave bandstop filter with a series of H0 (b), schematic diagram of the magnetically tunable microwave bandpass filter using ferrite-based metamaterial structure (c), measured transmission spectra for the magnetically tunable microwave bandpass filter with a series of H0 (d)[28]

此外，作者團隊還提出了一種帶通濾波器結構，該結構由兩種飽和磁化強度不同的YIG鐵氧體陣列組成[29]，其結構示意圖和傳輸特性如圖2c和2d所示。兩種YIG鐵氧體的飽和磁化強度分別為1200和1950 Oe，其他參數完全相同。由表達式(4)可知，鐵氧體的鐵磁共振頻率不僅受到外加磁場的影響，而且受到飽和磁化強度的影響，其隨著飽和磁化強度的增加而增加。因此，由于兩種鐵氧體的飽和磁化強度不同，其鐵磁共振頻率也不同，并分別對應圖2d中的兩個分離的阻帶，在兩個阻帶中間形成了一個插入損耗約為-2 dB的通帶，該通帶的中心頻率可由外部磁場動態調控。

基于鐵氧體超材料的微波帶阻和帶通濾波器結構簡單、性能優異，為通信系統中的濾波器設計提供了一種新思路。

2.3 鐵氧體/電介質復合結構

根據Bethe理論，電磁波無法通過刻有亞波長小孔的金屬板。如果能夠設計一種結構，可以使電磁波能夠有效穿過刻有亞波長小孔的金屬板，實現超常透射，則有望在微波和光學器件中得到實際應用。作者團隊基于鐵氧體/電介質復合結構設計了雙頻帶磁可調超常透射傳輸結構[30]，其結構示意圖和透射參數曲線如圖3a和3b所示。兩對電介質立方體和鐵氧體塊對稱地放置在亞波長孔徑的兩側，第一個透射通帶是由電介質塊的Mie諧振引起的，第二個透射通帶是由鐵氧體塊的鐵磁諧振引起的。由Mie諧振產生的透射通帶幾乎不隨外磁場變化，而由鐵磁諧振產生的透射通帶可動態地由外加磁場調節。當外加磁場達到2000 Oe時，兩個透射通帶的峰值分別達到了-1.3和-2 dB。圖3c和3d更加形象地展示出電磁波通過亞波長小孔的透射過程，當沒有鐵氧體和電介質立方體時，電磁波無法通過金屬板；當金屬板兩側放置有鐵氧體與電介質塊，外加磁場為0 Oe時，電磁波在10.76 GHz處可以傳播，這是因為電介質立方體產生Mie諧振，實現了超常透射；當外加磁場為1500 Oe時，鐵氧體發生鐵磁共振，在鐵磁諧振頻率處也實現了超常透射傳輸，如圖3d所示。

圖3 磁可調雙頻帶透射的結構示意圖(a)，鐵氧體電介質諧振器在一系列磁場H下的實測透射光譜(b)，xy平面內僅有孔徑和鐵氧體電介質諧振器耦合在10.76 GHz處的模擬電能密度分布(c)，xy平面內鐵氧體電介質諧振器耦合在11.31 GHz處H=0和1500 Oe時的模擬電能密度分布(d)[30]Fig.3 Schematic diagram of the magnetically tunable dual-band transmission (a), measured transmission spectra for ferrites-dielectrics resonators under a series of H(b), simulated electric energy density distribution in the xy-plane for aperture-only coupling at 10.76 GHz (c), simulated electric energy density distribution in the xy-plane for resonators-resonators coupling with H=0 Oe and H=1500 Oe at 11.31 GHz (d)[30]

此外，Wang等[31]基于鐵氧體/電介質實現了一種非互易性的Fano共振超分子結構，其示意圖和電磁特性如圖4a和4b所示，一個電介質塊放置在鐵氧體塊的中心之上。只有鐵氧體塊的情況下，電磁波譜中沒有觀察到明顯的損耗峰。只有介質立方體的情況下，在14.17 GHz處顯示強諧振，對應于二階Mie諧振模式。由鐵氧體和電介質構成的超分子結構出現了兩個明顯的損耗峰。圖4c說明了結構的S21和S12光譜的大小，Fano型光譜形狀在S12光譜中幾乎消失，表明該系統在Fano共振處具有強的非互易性。圖4d展示了外加磁場對Fano共振的影響，諧振頻率隨著外加磁場的增加而增加，體現了磁可調特性。

基于鐵氧體/電介質復合結構的可調超材料可以利用鐵氧體的鐵磁諧振和電介質的Mie諧振實現雙頻帶特性，該設計思路有望應用于調制器和隔離器等器件。

此外，Huang等[32]還提出將鐵氧體作為基板或覆板整合到傳統的無源超材料吸波器(MA)中，并系統地分析了兩種基于鐵氧體的可調諧MA。金屬諧振環陣列蝕刻在FR4印刷電路板的一側，而金屬接地平面覆蓋在另一側。在第一種MA中，鐵氧體層插入FR4層和接地平面之間，鐵氧體和FR4層一起作為基板。在第二種MA中，鐵氧體覆蓋在無源MA上，同時用另一個FR4間隔放置在鐵氧體和無源MA之間，以避免鐵氧體和金屬諧振器之間相互作用。實驗和模擬結果表明，未施加磁場時，兩種MA都展現了一個明顯的吸收峰，且幾乎為完美吸收；逐漸增加磁場強度時，兩個MA的吸收峰值均逐漸向高頻區域移動，且兩個MA的響應速度分別為0.36和0.18 MHz/Oe，該結果證實了所設計的基于鐵氧體的MA具有磁可調特性。Li等[33]也對鐵氧體基超材料進行了研究，提出了一種基于金屬/鐵氧體/金屬結構的超材料吸波器。與普通的金屬/電介質/金屬結構不同，鐵氧體的引入使得該結構在一定的頻帶范圍內具有可調的吸收峰。模擬結果表明，隨著外加磁場從10增加到2600 Oe，對應的吸收頻率從0.2增加到7.6 GHz，且吸收峰值均在0.9以上。實驗結果進一步驗證了該結構的吸波性能，隨著外加磁場從600增加到1000 Oe，吸收峰從2.2增加到3.2 GHz。作者課題組也設計了一種磁可調鐵氧體基超材料完美吸波器結構[34]，該結構由鐵氧體棒陣列和金屬板組成，鐵氧體等間距放置在金屬板中。模擬和實驗均證實了在特定磁場下，由鐵磁共振產生的吸收峰出現在8～12 GHz頻帶范圍內，當磁場強度為2000 Oe時，吸收率達到了99.2%，且隨著磁場強度由2000增加到2400 Oe，吸收峰由8.97移向10.02 GHz，表現出了磁可調行為。

圖4 超分子結構示意圖(a)；單個電介質立方體(藍色)、單個鐵氧體塊(綠色)、分子結構(黑色)的實測傳輸響應，紅色為分子結構的模擬光譜(b)；分子結構的實測S21和S12光譜(c)；Fano共振頻率對外加磁場依賴性的實驗結果(d)[31]Fig.4 Schematic diagram of the metamolecule (a); Measured transmission response of a single dielectric cube (blue), a single ferrite cuboid (green), and the metamolecule (black) (b); The simulated spectra of the metamolecule are illustrated in red color, measured S21 and S12 spectra of the metamolecule (c); Experimental results of dependence of Fano resonance frequency on the applied magnetic field (d)[31]

3 電可調介質超材料

由于能夠與實際電子信息技術兼容，電可調介質超材料已經受到了材料和電子領域研究者的廣泛關注。根據材料的不同，本文主要介紹基于石墨烯、變容二極管和液晶材料3類電可調介質超材料的研究情況。

3.1 石墨烯

近年來，石墨烯由于具有優異的光學、電學和力學特性而受到了研究者的關注。Zhu等[35]提出了基于石墨烯周期結構的電可調偏振器，模擬結果表明，由于石墨烯的等離子體響應，在THz范圍內垂直入射時，可以獲得一個0.75%TM偏振的吸收，另一個TE偏振的吸收率為99.86%。通過改變電場發現，TM偏振的吸收對電場變化不敏感，然而，TE偏振對電場的變化具有很強的依賴性，隨著電場的增加，吸收頻率快速增加。

Yao等[36]設計了由石墨烯基光學天線組成的可調諧超表面，該超表面可以結合到亞波長厚光學腔中，以產生電可調的完美吸波器。通過施加在石墨烯上的柵極電壓將吸波器切換到臨界耦合條件和從臨界耦合條件中切換出來，可以實現高達100%的調制深度。而且，在寬波長范圍(5～7 μm)內實現了超薄(厚度<λ0/10)高速(高達20 GHz)光學調制器。該結構由金屬薄膜、電介質層和石墨烯等離子結構組成，其結構示意圖如圖5a所示。圖5b和5c給出了模擬和實測的反射率。根據石墨烯樣品的電傳輸特性可以確定電荷中性點VCNP=0 V(其中，石墨烯中的電子和空穴的濃度是相同的)和載流子遷移率，并用于獲得模擬反射率。隨著柵極電壓遠離電荷中性點，石墨烯片中的電荷載流子濃度增加，且超表面共振頻率發生藍移，如圖5c所示。當柵極電壓增加到40 V，實測的反射最小值出現在6.3 μm附近，之后隨柵極電壓進一步增加而增加。圖5d顯示在6 μm處的調制深度超過了95%，且在5.4 μm到7.3 μm的寬波長范圍內超過50%。

圖5 基于可調超表面吸波器的光調制器示意圖(a)；超表面吸波器在不同柵極電壓下的反射光譜模擬結果，超表面吸波器在不同柵極電壓下的VG-VCNP(VCNP是柵極電壓)(b)；當石墨烯片中電子和空穴的濃度相等時，VG-VCNP的反射光譜實測結果(c)；不同波長下的實測調制深度和插入損耗(d)[36]Fig.5 Schematic of the ultrathin optical modulator based on a tunable metasurface absorber (a); simulation results of the reflection spectra from a fabricated metasurface absorbers for different gate voltages (b); measured reflection spectra from the metasurface absorber for different gate voltages(c) (VG-VCNP, VCNP is the gate voltage when the concentrations of electrons and holes in the graphene sheet are equal); the modulation depth achieved experimentally at different wavelength and corresponding insertion loss (d)[36]

Yao等[37]提出了基于電磁誘導透明石墨烯的動態電可調寬帶超表面吸波器，該結構由石墨烯、金屬板和SiO2隔離層組成。模擬結果表明，通過調節電場，改變石墨烯的費米能級，可以在寬帶吸收和窄帶吸收之間動態地調節工作帶寬。Wang等[38]也提出了一種與單層石墨烯集成的低成本等離子體超表面，用于動態調制中紅外光。等離子體超表面由分裂磁共振器(MR)陣列組成。通過激發分裂MR中的磁等離子體來觀察超常光學透射(EOT)。此外，納米狹縫的引入在石墨烯層周圍提供增強的場，通過改變石墨烯的費米能量可以對EOT進行調諧。

基于石墨烯的電可調超材料具有極高的調制深度和調制寬度，有望在光調制和光開關中得到應用。

3.2 變容二極管

變容二極管又稱“可變電抗二極管”，是利用PN結之間電容可變的原理制成的半導體器件。Zhu等[39]提出了一種將變容二極管放置在開口諧振環開口處的電可調超材料結構，其示意圖和電磁特性如圖6a和6b所示。該吸波器具有緊湊的平面結構和簡化的背饋網絡，且被證實在5～6 GHz范圍內具有靈活的可調性。圖6b顯示，當電壓由0 V增加到12 V時，相應的諧振頻率由5.18 GHz增加到5.68 GHz。在增加高于10 V的電壓時，反射光譜變化較小，因為進一步增加施加電壓使得變容二極管的電容值幾乎沒有變化。此外，當通過提高所施加的電壓來減小電容值時，反射系數變小(從-8.90 dB到-19.57 dB)，這意味著高品質因數吸波器的實現。

Fu等[40]從理論和實驗上研究了加載變容二極管的非對稱金屬線對的電可調Fano型共振現象，其結構示意圖和電磁特性如圖6c和6d所示。具有高品質因子Q的Fano型透射光譜由于偶極子和四極子模式之間的耦合而出現。變容二極管中串聯電阻的歐姆損耗對吸收起主要作用。在Fano型共振頻率下，兩條金屬線同時表現出最強的電共振，并且Fano型共振表現出大的群延遲。當偏置電壓范圍從0至8 V變化時，Fano型共振頻率從3.11移向3.27 GHz，顯示出0.16 GHz的藍移，同時，較低和較高的共振頻率分別顯示出0.19和0.23 GHz的藍移，且傳輸達到了了97%的調制深度。

圖6 TE波照射下結合由變容二極管的超材料單元結構(a)，饋電網絡不同電壓下的實測和模擬反射系數(b)，非對稱金屬線對的示意圖(c)，非對稱線對在偏置電壓0到8 V范圍內的實測透射光譜(d)[39]Fig.6 Proposed unit cell with two varactors under TE wave illumination (a), measured and simulated reflection coefficients for various voltages on the feeding network (b), schematic view of the asymmetric metal wire pair (c) and transmission spectra of asymmetric wire pair acquired with experiment under the bias voltage ranging from 0 to 8 V (d)[39]

Fan等[41]提出并實驗證明了一種用于多頻電磁調制的電可調介質超材料結構，該結構包括單根導線與成對導線相耦合，PIN二極管作為可調介質加載在成對導線的間隙中。該超材料調制器的物理機制是通過電控制單線的電諧振模式和成對導線的磁諧振模式之間的耦合來操縱超材料的類EIT(electromagnetically induced transparency)光譜。通過調節成對導線的“開/關”狀態和磁諧振模式的諧振強度來實現電控電磁耦合。實驗測量證實，通過超材料實現了在類EIT光譜上的3個窄帶中的電磁調制，以及高達31 dB的調制對比度。

將變容二極管引入到超材料的設計中，實現了超材料超常特性的電場調節，這一設計思路為超材料吸波器、調制器等器件在微波電路中實際應用提供了技術指引。

3.3 液晶

液晶是一種介于晶體狀態和液態狀態之間的中間物質。通電時排列變得有秩序；不通電時排列混亂，從而表現出不同的物理性質。Zhao等[42]2007年將向列液晶(NLC)引入到電可調超材料設計。開口諧振環(SRR)陣列浸入到NLC中，隨著電場強度的增大，NLC的排列趨向有序，該超材料的負磁導率頻域向低頻移動。近年來，Kowerdziej等[43]同樣通過對NLC取向的電控制，在太赫茲頻率下實現了基于棒-開口諧振環超材料結構的可調性。用作探測光的非偏振太赫茲電磁波通常從SRR陣列側面入射到超材料器件。為了對準液晶分子，需施加調制頻率為1 kHz的電場。實驗結果表明，通過將交流偏壓的幅度從0變化到300 V，可以有效地調整超材料器件的電磁參數(透射率變化高達19%)。Isic等[44]也基于NLC提出了一種電可調太赫茲超材料吸波器，其結構示意圖和電磁特性如圖7所示。該結構包括接地電極，該接地電極承載由聚合物膜封頂的液晶單元，聚合物膜的作用是支撐頂部電極并將液晶封裝在器件中。將沉積在聚合物膜上的金層刻蝕成由細線連接的圓形貼片組成的三角形晶格樣式，如圖7b所示。當沒有施加偏壓時，NLC分子沿著沉積在頂部和底部電極上的薄聚合物水平取向，因此，沿z軸的介電常數等于ε0；增加電壓時，液晶分子開始對齊z軸，介電常數增加到εe，導致共振紅移，如圖7c所示。圖7d中顯示出目標頻率f0處的反射率從U=0 V時的0.4%以下上升到了U=7 V時的93%以上，對應于23 dB以上的調制深度。p極化和s極化(電場分別沿著x軸和y軸)入射波的反射光譜幾乎是相同的，證實了該器件具有極化不敏感特性。

圖7 可調吸波器的橫截面視圖(a)，六角形單元格及6個最鄰近的具有可擴展特征的結構鳥瞰圖(b)，分別假設U=0時εLC=ε0和U>0時εLC=εe而計算得到的通過U調制的反射光譜(c)，s極化和p極化入射波在偏壓U下的可調反射光譜(d)[44]Fig.7 The proposed tunable absorber: cross section (a), bird’s-eye view of the hexagonal unit cell and its six nearest neighbors with scalable features (b), modulation of the reflectance spectra by U, calculated assuming εLC=ε0,εefor U=0 and U>0, respectively (c)， tuning the reflectance spectra with bias U for s- and p-polarized incident waves (d)[44]

Hokmabadi等[45]研究了基于各向異性液晶的可調太赫茲超材料吸波器，該結構使用互補開口諧振環(CSRR)作為結構單元。CSRR和Cu背板之間填充有液晶，無需蝕刻和支撐介電層。結果表明，隨著偏置電壓從0 V增大到5 V，諧振頻率改變了5 GHz，且半峰全寬(FWHM)和吸收率分別保持在0.025 THz和90%。通過使用液晶的單軸模型模擬的吸收光譜完美匹配實驗數據，并證明了液晶的有效折射率在1.5和1.7之間變化。Cao等[46]利用零折射率超材料(ZIM)和液晶設計了一種新型異質結，其折射率取決于所施加的電場。通過控制施加到各向異性電介質的直流電壓，實現了電調諧完美透射和接近完美反射的效果。該結構可用作波導系統中的電可調開關，具有良好的可調性能和高靈敏度。

除了以上3種類型的電可調超材料，Li等[47]設計了一種電可調的超導體氮化鈮(NbN)超材料器件，并采用混合耦合模型分析了其光傳輸特性。在4.5 K、0.507 THz處的最大透射系數為0.98，當施加的電壓增加到0.9 V時，最大透射系數降至0.19，相對透射率變化了80.6%，使得該器件成為有效的窄帶THz開關。而且，峰值頻率從0.507 THz紅移到0.425 THz，這意味著該器件可用于頻率選擇。為了實現快速調制，Li等[48]對該結構進行優化，提出了一種能夠動態調制太赫茲波的電可調超導超材料。該結構的每個單元由方環諧振器和開口環諧振器組成，每排方形環諧振器通過連續的NbN線連接到芯片左側和右側的電極。該超材料器件傳輸窗口的最大調制深度達到了79.8%。受外部電正弦信號控制，這種器件在0.345 THz時可以實現大約1 MHz的調制速度。

4 溫度可調介質超材料

除了磁場和電場外，溫度場也是常用來調節材料和器件性能的外場之一。通過溫度或者說熱量來調節超材料及其器件的性能已經成為可調超材料的重要實現方式。

4.1 二氧化釩

二氧化釩(VO2)是一種具有相變性質的金屬氧化物，它較低的相變溫度(341 K)使其在光器件、電子裝置和光電設備中具有廣泛的應用潛力。Wang等[49]提出了一種基于VO2的溫度可調紅外超材料，數值模擬顯示，當VO2是金屬時，在波長10.9 μm處有寬的吸收峰，但當VO2在341 K的相變溫度以下變為電介質相時，波長轉變為15.1 μm，導致峰值波長相對移動38.5%。其物理機制在于金屬VO2中等離子體和電介質VO2中光學聲子產生的磁諧振，并由此具有不同的響應頻率。Wen等[50]提出了一種基于VO2薄膜的混合超材料吸波器，其示意圖和電磁特性如圖8a和8b所示。從圖8a中可以看出，該結構包括電開口諧振環(eSRR)，其中eSRR分為外部和內部兩種結構，VO2薄膜僅放置在內環和基板之間。實測VO2薄膜的相變溫度為340 K，圖8b展示了混合MA在不同溫度下的吸收曲線。在室溫下，吸收峰值分別出現在9.36和18.6 GHz，最大吸收率為87.0%和93.0%。當器件溫度從室溫增加到345 K時，吸收特性發生了明顯的變化。對于低頻響應，峰值吸收率從9.36 GHz處的87.0%略微下降至9.98 GHz處的71.7%，而在高頻情況下，最大吸收率從18.6 GHz處的93.0%顯著降低至19.1 GHz處的39.4%。因此，在基于VO2的微波MA中實現了對微波吸收的約57.6%的相對幅度調制?？紤]到頻移，該調制深度在18.6 GHz時甚至達到63.3%。

Naorem等[51]提出了VO2作為接地板的溫度可調超材料吸波器，其結構示意圖和電磁特性曲線如圖8c和8d所示。超材料結構單元由頂部的Au、中間的ZnS介質層和底部的VO2接地板三層結構組成。當VO2處于低溫電介質狀態時，復合結構形成金屬/電介質/電介質三層諧振器，此時的超材料如同一個頻率選擇表面。當底部的VO2被外部加熱至341 K，VO2將會轉至金屬相，此時，超材料就形成了就是典型的MA結構，頂部的金層和底部VO2層可以同時保持電諧振和磁諧振模式。具有VO2的三層結構超材料的實測反射率展示在圖8d中，在22.5 THz時，隨著VO2從絕緣相變為金屬相，超材料從低溫(低于341 K)的高反射狀態切換到高溫(高于341 K)的低反射狀態。超材料結構在313 K約為35%的反射率高于超材料結構在353 K約為8%的反射率值。在34 THz時，它反而從低溫下的低反射率(R≈15%)切換到高溫下的高反射率狀態(R≈55%)。很顯然，將VO2與超材料相結合，實現了超材料電磁性能的溫度可調特性，這一研究思路為新型電子、光學、熱學器件的動態熱輻射調控提供了新的思路。

圖8 加有VO2貼片的吸波器示意圖(a)；不同溫度下的VO2基MA的實測吸收曲線(b)[50]；上部：可切換超材料單元結構示意圖，下部：在反射模式下制造的三層結構的光學顯微圖像(c)；不同溫度下具有絕緣和金屬相的VO2超材料的實測反射率(d)[51]Fig.8 Schematic of the absorber sheet with VO2 patches (a); Measured absorption curves of the VO2-based MA with respect to the device temperature. Inset is the image of the fabricated device (b)[50]; Schematic of unit cell of a switchable metamaterial (c); Measured reflectance of the metamaterial with insulating and metallic VO2 phases at different temperatures (d)[51]

4.2 銻化銦

Zhu等[52]提出了一種由加載半導體銻化銦(InSb)的金屬開口諧振環陣列溫度可調超材料。隨著溫度的升高，由于InSb的介電常數對溫度具有較強的依賴性，因此，超材料的諧振頻率在太赫茲頻段連續可調，并且可以實現大約65%的諧振頻率藍移。

Li等[53]提出了一種將InSb半導體條嵌入到亞波長金屬孔陣列的超材料濾波器結構，其示意圖和電磁特性如圖9a和9b所示。通過控制InSb的溫度，可以調節該濾波器的諧振頻率。在160 K的低溫下，InSb顯示典型的介電特性。最大透射峰值為91.0%，FWHM約為235 GHz，光譜中的最大透射峰值位于0.74 THz。在290 K時，InSb具有典型的金屬特征，透射峰值移至1.71 THz，最大值減小84.5%；隨著溫度進一步升高到350 K，透射峰值急劇地轉移到2.02 THz，最大值為89.1%。Li等[54]從理論上研究了在THz區域內具有負折射特性的寬帶溫度可調超材料，其示意圖和電磁特性如圖9c和9d所示。在石英基板上設置兩個直立相對的L形金屬結構，兩個L形結構的底部間隙中填充InSb。隨著溫度的變化，間隙處的電容由于InSb性質的變化而產生改變。當溫度從250 K增加到400 K時，諧振頻率從0.45 THz藍移到1.07 THz，并且諧振頻率下的傳輸幅度從57%降低到7%。此外，當溫度升高到400 K時，超材料在0.4～0.9 THz和1.06～1.15 THz的波段范圍內表現出負折射特性。

圖9 超材料濾波器器件示意圖(a)，器件在不同溫度下的時域有限差分(FDTD)方法模擬透射率(b)[53]，所提出超材料結構的示意圖(c)，以及在不同溫度下的THz波透射光譜(d)[54]Fig.9 Schematic view of the device (a), simulated transmission of the device at various temperatures with the FDTD method (b)[53], schematic illustration of the proposed metamaterials (c), THz wave transmission spectra at different temperatures (d)[54]

在太赫茲頻段、160 K到350 K的溫度范圍內，InSb的復介電常數可以通過簡單的Drude模型近似給出[55]：

(5)

N=5.76×1014T3/2exp(-0.26/2κBT)

(6)

其中κB是玻爾茲曼常數。溫度的變化將會導致載流子濃度N的變化，進而改變了ωp。因此，在太赫茲區域的遠紅外部分中，InSb的ε(ω)對溫度非常敏感。

4.3 鈦酸鍶

Zhao等[23]在2008年利用氧化鎂摻雜的鈦酸鍶鋇(Ba1-xSrxTiO3)對溫度的敏感性，制備出了溫度可調介質超材料。隨著溫度從258 K增加到308 K，Mie諧振磁響應頻率從13.65 GHz增加到19.28 GHz。與鈦酸鍶鋇性質類似，鈦酸鍶(SrTiO3，STO)具有典型的鈣鈦礦型結構，具有介電常數高、介電損耗低等特點，是一種用途廣泛的電子功能陶瓷材料，并且，通過合理的摻雜工藝可以提高其溫度敏感性。近年來，Luo等[57]基于STO設計了一種熱可調雙頻段太赫茲吸波器結構。該結構由兩個嵌套的閉合方環諧振器、STO電介質基底以及金屬層組成。結果表明，吸波器在0.096 THz和0.137 THz處具有兩個明顯的吸收峰，其峰值分別達到97%和75%。由于STO基板的介電常數隨溫度變化而改變，將吸波器從400 K冷卻到250 K時，諧振頻率大約偏移25%和27%；當溫度冷卻到150 K時，達到了超過53%的調節變化。隨后，Luo等[58]在原來結構的基礎上，將嵌套的兩個方形環的外環削去四角，實現了三頻段吸波。結果表明，在0.05～0.35 THz的頻率范圍內，吸波器在0.129、0.198和0.316 THz頻率下具有3個獨特的吸收峰，其峰值分別達到99.3%、99.1%和94.6%。通過提高溫度，吸波器的諧振頻率在太赫茲狀態下連續可調，并且當溫度從400 K變化到200 K時，達到67.3%的寬帶調諧。

Zhao等[59]提出了一種Si/STO復合的全介質超材料，并實驗證明了電磁參數的溫度調節特性，其示意圖和電磁特性如圖10所示。模擬結果表明，Si/STO全電介質超材料的第一個和第二個諧振頻率均低于沒有STO(紅色箭頭標記)時的諧振頻率。由于STO的介電常數隨溫度升高而降低，當溫度從250增加到400 K時，第一個諧振頻率從0.657變為0.665 THz，第二個諧振頻率從0.853變為0.870 THz。實驗結果表明，當溫度從250增加到400 K時，第一個諧振頻率從0.662變為0.695 THz，第二個諧振頻率從0.769變為0.801 THz。實驗結果與模擬結果一致，證實了所提出的超材料結構具有溫度可調性能。

圖10 太赫茲范圍的可調Si/STO全介質超材料(a)，可調Si/STO全介質超材料在不同溫度下的模擬透射光譜(b)、樣品圖(c)以及可調Si/STO全介質超材料在不同溫度下的實測透射光譜(d)[59]Fig.10 Tunable Si/STO all-dielectric metamaterial in THz ranges (a), transmission spectrum of tunable Si/STO all-dielectric metamaterial at different temperatures (b), photograph of the fabricated SAMs (c), and measured transmission spectrum of tunable Si/STO all-dielectric metamaterial at different temperatures (d)[59]

基于STO介電常數的溫度敏感特性設計的介質超材料在太赫茲吸波器中已經表現出優異的性能。此外，由于具有良好的溫度可調性、低損耗等優點，使其有望在可調太赫茲探測、傳感等器件得到應用。

5 結 語

帶寬問題一直是限制電磁超材料推廣應用的主要因素之一。介質超材料的出現不僅僅是拓寬了超材料的設計范圍、降低了損耗，更為重要的是經過對介質超材料適當的設計可以實現超常物理特性隨外場可調的特性。這從一定程度上解決了超材料帶寬窄的問題，并賦予了超材料新的應用契機。本文在現有文獻的基礎上，介紹了可調介質超材料的主要調諧方法，重點闡述了磁可調、電可調和溫度可調3種調諧模式的研究進展以及相關物理機制。除了本文介紹的3種調諧機制之外，還存在如機械調節、旋轉角度調節等幾種調諧方法。但是，相對于磁可調、電可調和溫度可調方式，這幾種可調超材料較難于實現微波器件集成，因此，本文并沒有詳細介紹。與自然材料特性相融合的可調介質超材料的設計思想不僅為后續超材料的設計提供新的思路，更有望在濾波器、吸波器、調制器等微波通信器件中得到廣泛的應用。