一种具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料

摘要

一种具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料，属于电磁功能材料技术领域。包括衬底基片和衬底基片表面周期性排列的金属谐振单元；金属谐振单元包括中间由两个相同的单开口金属环相向连接而成的电开口环共振器，还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环。金属谐振单元中，中心电开口环共振器是一个对称封闭结构的谐振器，两侧开口环为非对称开放结构的谐振器，以此来实现三谐振结构。本发明所提供的太赫兹波段三谐振吸收峰超颖材料在太赫兹波段具有三个非常明显的吸收峰，且三个谐振峰之间区分明显。本发明可利用微电子加工工艺进行加工、价格低廉，在太赫兹波段通信领域(包括开关、调制解调器、滤波器等方面)具有很大的潜在应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于电磁功能材料技术领域，涉及太赫兹波段超颖材料。 

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。从频率上看，该波段位于毫米波和红外光之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间。由于其独特的频率与能量特性，太赫兹电磁波在材料分析、生物大分子的测定、雷达、遥感、国土安全以及高密度数据通讯与传输、大气与环境监测、医学诊断等领域显示出了广阔的应用潜力与价值。 

超颖材料(Metamaterials)是指将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的一种人工媒质，且具有特殊的电磁本构参数。其特性取决于其基本单元结构。通过人为地设计谐振单元，控制它对外场的响应来实现范围更广的ε和μ值，实现自然界不存在的特殊媒质。Metamaterials中的谐振单元是通过对外加电磁波的响应来体现其结构特有的电磁特性，其中主要对电磁波中电场部分做出响应的谐振结构称为ELC。本发明所采用的谐振结构为ELC结构，电磁波对金属谐振单元的垂直入射，电场方向平行于金属谐振单元，每个谐振环在外加电场的激励下形成对开口处等效电容的充放电过程，从而实现LC震荡，产生出多个谐振峰。 

由于Metamaterials可实现负的电导率与磁导率，许多人利用它来制作左手介质、完美透镜、隐身材料等多种新型人工材料。而用Metamaterials来制作多通器件还是在2004年3月，W.J.Padilla等人在文献中首次涉及到太赫兹频段的多谐振Metamaterial结构，属于ELC结构，为双谐振，该结构较为简单，易于制作，但是双谐振幅度的一致性较差。本发明首次实现了利用Metamaterials制作太赫兹波段的三谐振器件，且一致性较好，谐振频率区分明显。 

发明内容

本发明提供了一种在太赫兹波段具有三个谐振吸收峰的超颖材料，该材料在0.38、0.58和0.74THz具有三个区分明显且吸收强烈的吸收峰。该发明在未来太赫兹通信的开关、滤波器、调制解调器等领域具有巨大的潜在应用价值。 

本发明详细技术方案为 

一种具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料，如图1、3所示，包括衬底基片和位于衬底基片表面周期性排列的金属谐振单元。所述金属谐振单元是由线宽为d的金属薄膜线条形成的非对称图形结构；该非对称图形结构包括中间由两个相同的单开口金属环相向连接而成的电开口环共振器，电开口环共振器的开口处宽度为w₂、间距为g₂；该非对称图形结构还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环，其中一个单开口金属环开口处宽度为(d+w₁)、开口间距为g₁，另一个单开口金属环开口处宽度为金属薄膜线条宽度d、开口间距为g₃，且g₃＞g₁；整体金属谐振单元长为Ax、宽为Ay，相邻两个金属谐振单元长度方向上间距为(Lx-Ax)、宽度方向上间距为(Ly-Ay)。 

上述技术方案中，所述衬底基片材料可以是有机介质材料、陶瓷介质材料或半导体材料；所述金属薄膜线条材料可以是Au、Ag、Cu、Al等金属材料。 

由于金属谐振单元的尺寸与电磁波的频率成反比，所以设计的金属谐振单元均为几十微米的数量级。由于每个金属谐振单元对电磁波的响应都是相同的，若忽略每个金属谐振单元之间的耦合，则它们之间彼此独立，所以周期性排列之后整体上对电磁波具有同样的频率响应。每个金属谐振单元都是由三个谐振环回路构成且三个谐振回路各不相同，若将金属杆等效为电感，开口等效为电容，则可得到如图2所示的等效电路。通过理论计算或仿真可以得出其的确具有三个谐振频点。 

由于太赫兹电磁波具有很高的频率，因而设计此波段的多通器件难度很高。目前已知的对太赫兹电磁波具有多通带特性的材料只有电光晶体，而使用电光晶体制成的器件效果很差而且价格非常昂贵。本发明所提供的太赫兹波段三谐振吸收峰超颖材料在太赫兹波段具有三个非常明显的吸收峰，且三个谐振峰之间区分明显。本发明可利用微电子加工工艺进行加工、价格低廉，在太赫兹波段通信领域具有很大的潜在应用价值。 

附图说明

图1为本发明提供的具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料的结构示意图。 

图2为本发明提供的具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料的金属谐振单元的等效电路图。 

图3为本发明提供的标注了尺寸标记的超颖材料结构示意图。 

图4为本发明提供的具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料的透射系数的仿真与实测结果。 

具体实施方式

一种具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料，如图1、3所示，包括衬底基片和位于衬底基片表面周期性排列的金属谐振单元。所述金属谐振单元是由线宽为d的金属薄膜线条形成的非对称图形结构；该非对称图形结构包括中间由两个相同的单开口金属环相向连接而成的电开口环共振器，电开口环共振器的开口处宽度为w₂、间距为g₂；该非对称图形结构还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环，其中一个单开口金属环开口处宽度为(d+w₁)、开口间距为g₁，另一个单开口金属环开口处宽度为金属薄膜线条宽度d、开口间距为g₃，且g₃＞g₁；整体金属谐振单元长为Ax、宽为Ay，相邻两个金属谐振单元长度方向上间距为(Lx-Ax)、宽度方向上间距为(Ly-Ay)。 

所述衬底基片采用0.5mm厚、100晶向的单晶硅(单晶硅对THz电磁波透过性较好，电导率大于2000Ωgcm、实介电常数为11.9、磁导率为1)；所述金属薄膜线条采用500nm厚、电导率为3.72×10⁷S/m的金属铝。 

如图3所示，各个器件具体参数为：a₁＝14μm、a₂＝a₃＝10μm、a₄＝8μm、g₁＝4μm、g₂＝8μm、g₃＝24μm、w₁＝8μm、w₂＝15μm、d＝4μm、Ax＝62μm、Ay＝66μm、Lx＝76μm、Ly＝80μm。 

上述具有三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料经CST模拟软件仿真得到其透射谱如图3所示，在0.36、0.55和0.76THz具有三个区分明显的吸收峰，且三个吸收峰的吸收强度接近于90％；采用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)系统，对实际制作的三谐振吸收峰的太赫兹波段超颖材料进行反复测试，通过快速傅立叶变换得出其频域谱如图3所示，其谐振频率分别为0.38、0.58和0.74THz，与设计相比误差分别为5.3％、5.2％和2.7％。吸收系数分别为77％、75％和58％。吸收系数误差较大，其原因与基底的介电常数、金属的电导率、实验测量设备等带来的误差有关。