太赫茲超材料寬帶吸收器

陸延通，文天龍，張懷武

（電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都，610054）

0 引言

太赫茲波是位于高頻紅外和低頻微波之間的一段電磁波，頻率在0.1THz～10THz 之間。其低頻波段與微波重合，高頻波段與紅外波重合，所以太赫茲波既有電子學的特性，也存在光學特性[1]。

在20 世紀80 年代以前，電子學與光學技術發(fā)展已經(jīng)相對成熟，但由于太赫茲處于電子學與光學過渡區(qū)域，這兩種技術對太赫茲波的產(chǎn)生和檢測效果都不理想，因此相當長一段時間內，人們對太赫茲波的認識仍相對有限，故此波段通常被稱為“太赫茲間隙”[2]。近些年來，隨著高功率波源與高靈敏探測器技術的發(fā)展，太赫茲波源技術和探測技術發(fā)展逐漸成熟，而太赫茲功能器件技術的發(fā)展仍然相對緩慢，超材料的發(fā)現(xiàn)給太赫茲波功能器件特別是太赫茲吸收器帶來了廣闊的發(fā)展前景。且基于超材料的特性可以等比例放大或縮小到其他頻段，實現(xiàn)多頻段的高吸收[3,4]。

電磁波吸收器是一種把在工作頻率內的入射波都吸收掉的裝置，典型的超材料吸收器由三層結構組成，第一層一般是由有周期性圖案結構的金屬層構成；第二層由介質材料構成，底層為金屬板，用來阻擋入射波的透射以提高吸收效率。由于單頻帶吸收器帶寬較窄[5]，單頻帶和多頻帶太赫茲超材料吸收器在類似領域的應用受到限制。因此，如何有效、切實地擴展帶寬是當前太赫茲超材料吸收器研究的熱點[6]。傳統(tǒng)寬帶吸收器的設計思想來源于窄帶吸收器，通過調整多頻帶吸收器單元尺寸，使得他們的吸收頻率緊鄰，使其相互疊加就可以得到寬帶吸收器。但這種方式設計的吸收器帶寬不高，且制作復雜，很難在實際應用中實現(xiàn)。

基于此，本文設計了一種結構且簡單容易制作的柔性極化不敏感的太赫茲超材料寬帶吸收器。在超材料層使用厚度低于趨膚深度的金屬結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的超材料，此時金屬電導率遠小于其體電阻，對太赫茲波來說就是一種高損耗的材料[7]，可以調控超材料對電磁波的透射率與反射率，且不影響超材料陣列的諧振。

1 器件的設計、仿真與制作

本文對所設計的太赫茲超材料吸收器做出了如下初步設計：

結構設計：本文設計的超材料吸收器使用經(jīng)典的三明治結構，在超材料層使用軸對稱圖形的圓盤結構，由前面的調研可知，超材料基本單元結構使用對稱圖形即可使得吸收器對入射電磁波的極化角度不敏感；底層反射層使用連續(xù)的金屬薄膜，既能減少透射率，且制作簡單，不需與超材料層對準，降低制作復雜度。

材料選擇：超材料層使用本身電導率較低且厚度低于趨膚深度的金屬來增加歐姆損耗，例如鉑、鈦等金屬，由于鈦金屬比較容易氧化，為了測試的方便，因此本文選用鉑來制作超材料層；對于中間介質層，本文選用了聚酰亞胺（Polyimide PI），PI 是高分子有機材料，且有很好的絕緣性與柔韌性，利用其制成柔性的太赫茲吸收器，可以黏附在曲面物體上；對于第三層金屬層，可選用多種金屬，如金、銀、銅、鋁等材料，只要保證其厚度大于工作波長的趨膚深度，能把入射波全部反射回去即可。

使用CST 電磁仿真軟件的頻域求解器完成本次工作的仿真建模，觀察波段設置為0.2THz～1.4THz，對超材料單個基本單元進行建模，X 方向和Y 方向設置為Unit sell 邊界條件，Z 方向設置Open。Au 材料與PI 直接調用材料庫中的默認材料。而對于金屬Pt 材料，則需要修改材料性質與電導率。

設計的超材料結構如圖1 所示：圖1(a)為部分周期單元整體結構圖，圖1(b)為其對應俯視圖，太赫茲波從垂直于超材料平面的方向入射，電場沿y 方向，磁場沿x 方向。此結構透射率為0。

圖1 太赫茲材料吸收器

吸收器的結構參數(shù)如下：Pt 金屬薄膜厚度為5mμ，P=172μm,R=70μm,T=50μm,D=0.2μm。

仿真完成后，使用微細加工工藝制作太赫茲超材料寬帶吸收器，操作步驟如下：

（1）清洗中間介質層PI：依次使用丙酮、酒精、去離子水分別清洗并超聲五分鐘，放入65℃的烘箱中30min 以上以烘干備用。

（2）鍍膜：使用磁控濺射鍍膜法制作底層連續(xù)金屬膜，厚度為200nm。

（3）制作支撐基底：將鍍膜完成的樣品用PI 高溫膠帶黏附在長寬為2cm×2cm，厚度為1mm 的二氧化硅基片上，使PI 層朝上，金屬連續(xù)膜朝SiO2基底。然后使用步驟(2)進行清洗。

（4）光刻：使用負性光刻膠進行涂膠，再依次經(jīng)前烘、曝光、后烘、泛曝、顯影制作出超材料圖案。

（5）鍍膜：使用步驟(2)的方法在上一步得到的樣品超材料表面鍍5nm 的金屬鉑。

（6）去膠：將步驟(6)得到的樣品依次放入丙酮、酒精、去離子水中進行清洗，得到最終結構。其光學顯微鏡如圖2所示。

圖2 樣品的光學顯微鏡圖

2 結果與討論

■2.1 CST 仿真結果與分析

根據(jù)公式，吸收率A=1-R-T，T為透射率，在此三層吸收器結構中，T=0；R為反射率，R=，S11為反射系數(shù)，由仿真結果的S parameter 參數(shù)給出，得到此結構吸收率如圖3 所示：可以清楚的看到，在0.46THz（fa）～1.07THz（fb）范圍內實現(xiàn)了90%以上的吸收，如圖3(b)灰色方框內所示。相對吸收帶寬（RAB）用公式(1)所示。

圖3 太赫茲超材料寬帶吸收器的CST 吸收譜仿真結果

計算得到90%的相對吸收帶寬為79.74%。此寬帶吸收器是由頻率為0.59THz 和1.02THz 處的兩個吸收峰疊加得到的，在這兩個頻率處吸收率分別為97.34%和96.52%。

為了表征吸收器的性能，下面研究吸收光譜在不同極化角度和斜入射角度下的改變，研究對象均為TE 波。首先給出了入射波不同偏振角φ 對吸收光譜的影響，如圖4 所示。由于所提出的太赫茲超材料寬帶吸收器是一個在x-y 平面360°旋轉對稱結構，因此在觀察極化敏感性時數(shù)值模擬只需要考慮從0°到45°的極化角即可。從圖4 中看出可以，太赫茲波偏振角度從0°～45°變化時，吸收光譜幾乎不發(fā)生變化，因此本文設計的吸收器其吸收光譜對入射波的偏振角度不敏感。

圖4 入射電磁波極化角度對吸收性能的影響

接下來討論此吸收器在斜入射角度下時其吸收性能的變化，斜入射角即入射波矢量與超材料平面法線的角度θ，如圖5 所示。由圖可以看出，入射波在斜入射角小于30°時，吸收性能較為穩(wěn)健，當斜入射角增加到60°時，吸收率明顯下降，但是仍能保持較高的吸收能力。當θ 角增加75°時，吸收率迅速下降。但總體來說，所提出的吸收器在較大的斜入射角度下還是能保持較高的吸收率，因此不僅可以工作在電磁波垂直入射的情況，還能工作在較寬范圍內的斜入射角度下。

圖5 入射電磁波斜入射角度對吸收性能的影響

為了進一步探究0.59THz 和1.02THz 處的兩個吸收峰的來源，分別對兩個頻率處的電場分布進行了研究，提取了對應頻率處x-y 平面的電場分布與x=0 截面的電場分布圖，如圖6 所示。在0.59THz 處，表面電場主要分布在鉑金屬圓盤的上下兩端，且交替積累，這是一個典型的電偶極子諧振。而在1.02THz 處，從圖中可以明顯看出，電場被局限在金屬圓盤和底層連續(xù)金屬膜中間的介質層中，構成了一個典型的法布里-珀羅諧振腔（F-P 腔），因此，此寬帶吸收器是由超材料陣列的電偶極子諧振和F-P 諧振的吸收帶寬疊加而成的。

圖6 超材料諧振點處和透明窗口頻率處的表面電流分布圖

■2.2 太赫茲超材料吸收器實驗測試結果

使用Fico 太赫茲時域光譜系統(tǒng)對樣品進行測試，獲得太赫茲波的時域譜。測試溫度為20℃，濕度小于15%。通過快速傅里葉變換獲得太赫茲波脈沖的頻域譜，并且以金屬反射鏡作為參照，可以獲得太赫茲波的反射譜，再使用公式A(ω)=1-R(ω)計算得到吸收率，如圖7 所示。可以看出，仿真吸收光譜與實驗測試結果都有明顯的吸收帶寬，吸收率都較高，而實驗測試中吸收率光譜在1.28THz 處出現(xiàn)一個波谷，則是由測試儀器的誤差導致。因此，總體來說，實驗結果與仿真結果吻合較好，此方法制作太赫茲超材料寬帶吸收器是可行的。但測試結果與仿真結果相比其吸收光譜有藍移，且吸收帶寬稍小于仿真波譜，這些誤差可能由如下原因導致：實驗儀器測量精度有限；所制作的超材料陣列圓盤結構尺寸小于仿真參數(shù)。

圖7 太赫茲超材料吸收率的測試結果

對不同角度? 進行測試，測試數(shù)據(jù)如圖8 所示，可以看出，在1.06THz 之前，吸收光譜隨著? 角的變化幾乎不發(fā)生變化，這與預測結果相一致，且測試數(shù)據(jù)與圖4 中的仿真數(shù)據(jù)吻合得較好。但測試數(shù)據(jù)在1.06THz 之后（圖8灰色方框內）發(fā)生明顯的震蕩，且這種震蕩是意料之外的，與實驗數(shù)據(jù)發(fā)生了較大的差別。綜上，可以證明，此THz-TDS 測試系統(tǒng)對此吸收器來說，其能較為精確的測量數(shù)據(jù)范圍為0.2THz～1.06THz，1.06THz 之后數(shù)據(jù)發(fā)生較為嚴重的震蕩，不構成參考。

圖8 同極化角度下實驗的吸收光譜

綜上分析，文中所設計的太赫茲超材料吸收器可以在0.46THz～1.07THz 頻率范圍內實現(xiàn)90%以上的吸收率，其對應的相對吸收帶寬為79.74%。且對入射波極化角度不敏感，能在0°～60°的斜入射角度下工作。

3 結束語

本文通過使用低于趨膚深度的金屬鉑來替代傳統(tǒng)超材料中厚度均大于對應趨膚深度的金屬，得到了寬頻帶太赫茲吸收器，90%的相對吸收帶寬為79.74%。這種寬帶吸收性能是由超材料陣列的電偶極子諧振和F-P 諧振吸收峰疊加而成的，低于趨膚深度的金屬鉑有高損耗特性，可以增加吸收帶寬，因此用金屬鉑圓盤超材料設計的吸收器僅由兩個吸收峰疊加就可以得到很寬范圍內的高吸收。