CN102800986A - 一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，包括衬底和金属层单元，所述金属层单元上设有电磁谐振单元；所述电磁谐振单元包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上。本发明结构简单，制作成本低，具有强谐振、宽频带、双频点的优点，可以有效地应用于各种要求宽带设计的太赫兹功能器件。

Description

一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料

技术领域

本发明涉及太赫兹固态电子学的功能器件，特别是涉及一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料。

背景技术

自从电磁波被发现以来，人类一直在尝试各种努力，希望可以随心所欲的控制电磁波，使其为人类服务。19世纪以来，雷达、无线电、传感网等的发展大大加快了人类社会前进的速度，同时也使得人类对电磁波控制器件的要求越发强烈。控制电磁波最直接的方法是在其传播路径加入不同的材料来改变其传播性质，但自然界中的传统材料越来越难满足对电磁波控制的需求。尤其是在太赫兹波段，传统材料表现出非常微弱的电磁响应，使得对太赫兹波的控制遇到了巨大的挑战。

另一方面，超材料的发展正推动着新一轮的技术革命。超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料是一种特殊的人造结构，其物理性质决定于人工控制的周期性亚波长结构，表现出很多不同于传统材料的特殊性能。传统材料的介电常数ε和磁导率μ都大于等于1，但是超材料的介电常数ε和磁导率μ却能够小于1甚至小于0。基于这一特性，超材料还具有负折射率效应、逆多普勒（简称“Doppler”）效应和逆切伦柯夫（简称“Cerenkov”）效应等。超材料的特殊性能使其可以和太赫兹波发生强烈地相互作用，产生电磁谐振，从而控制太赫兹波的传播。因此太赫兹（简称“THz”）波段的超材料设计成了填补太赫兹技术空白区的有效途径。

2004年，T.J.Yen等人第一次实现了THz频段的Metamaterial设计，并在同年的《科学》上发表了这一成果。T.J.Yen等人的设计是在石英衬底上制作两个开口谐振环，通过尺寸的优化和结构的设计，实现了~1THz的超材料，随后也出现了很多基于其他结构的太赫兹超材料。然而基于这些结构设计的太赫兹超材料，只能在单个频点和太赫兹波发生比较弱的相互作用，并且频带非常的窄，大概只有几十个GHz。而对于很多要求宽带的太赫兹应用来说，这无疑成了一个技术壁垒。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，具有强谐振、宽频带、双频点的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，包括衬底和金属层单元，所述金属层单元上设有电磁谐振单元；所述电磁谐振单元包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上。

所述闭合环与两个开口谐振环之间的间距相等。

所述金属层单元根据所述超材料特性和特征频率以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上。

所述闭合环与两个开口谐振环之间的间距为3-10μm。

所述金属层单元由上而下依次为金层、铂层和钛层。

所述金层的厚度为100-500nm、铂层的厚度为5-50nm、钛层的厚度为5-50nm。

所述衬底采用厚度为200-1000μm的砷化镓材料制成，有效介电常数为12.9，损耗角正切为0.006。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明经过太赫兹时域光谱实验平台测试，将时域信号利用傅里叶变换转化成频域信号，得到的透射率频谱图出现了两个明显的衰减峰，通过参数抽取计算得到介电常数显示，在对应于透射禁带的两个衰减峰附近很宽的两个频带内介电常数实部表现为负值，并且绝对值很大，最低值小于-900。本发明结构简单，制作成本低，具有强谐振、宽频带、双频点的优点，可以有效地应用于各种要求宽带设计的太赫兹功能器件。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是用扫描电镜拍摄的本发明的工艺制作样品局部图；

图3是本发明涉及的太赫兹双频带超材料对太赫兹电磁波透射率的模拟仿真和实验测试结果图。

图4是本发明涉及的基于电谐振的太赫兹双频带超材料介电常数示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，如图1所示，包括衬底1和金属层单元2。所述金属层单元2上设有电磁谐振单元3，所述电磁谐振单元3包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元2以周期性阵列的方式铺设在所述衬底1上。

本发明提出了具有特征尺寸的新型亚波长结构，该新型结构由两个开口谐振环和一个闭合环组成。如图1所示，将闭合环至于两开口谐振环之间，并且使闭合环和两开口谐振环的间距相等，闭合环和两开口谐振环的间距在3-10μm之间，最好使得闭合环和两开口谐振环的间距为6μm。该新型亚波长结构成为一个可以和太赫兹电磁波发生相互作用的电磁谐振单元。

所述金属层单元以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上，由于电磁谐振单元设置在金属层单元上，因此电磁谐振单元也按周期性阵列的方式在衬底上排成亚波长结构电磁单元阵列。各个电磁谐振单元之间的间距可以根据所要设计的超材料特性和谐振频率决定。将提出的新型亚波长结构按一定周期性排列，其平面的两个维度周期性晶格常数分别定为103μm和78μm，图2为用扫描电镜拍摄的本发明涉及的工艺实现样品局部图。

金属层单元是将钛、铂、金在垂直于阵列平面上依次排列，金层的厚度为100-500nm、铂层的厚度为5-50nm、钛层的厚度为5-50nm。本实施例中各金属的厚度分别为钛（Ti）：20nm，铂（Pt）：20nm，金（Au）：300nm。钛金属层和衬底接触，作为吸附层；铂金属层是中间层，用来防止金属间化合物的扩散；金属金层是为了实现亚波长结构电磁谐振单元。

衬底的材料可采用厚度为200-1000μm的砷化镓材料（GaAs），有效介电常数为12.9，损耗角正切为0.006。GaAs衬底对太赫兹波的损耗比较小，比较适合用作各种太赫兹波功能器件的衬底材料。

本发明的制作方法如下：基于GaAs平台工艺线，利用甩胶、曝光、显影等光刻刻蚀技术，在光刻胶上开出图形窗口，图形为周期性排布的阵列结构。为了方便后续的剥离工艺，在曝光后显影前需要将样品浸泡在氯苯中，使光刻胶不均匀膨胀，或者易剥离的倒八字结构。通过磁控溅射技术，在样品表面生长设计好厚度的钛/铂/金金属层，形成金属与半导体的肖特基接触。通过剥离方法，去除覆盖在光刻胶上的金属，留下阵列图形上的金属，制备成功实验样品。在剥离过程中，还需要不断在显微镜下观察，监控剥离的进度，减少剥离造成的样品损伤，提高成品率。

太赫兹时域光谱（THz-TDS）装置用于验证本发明涉及的太赫兹双频带超材料设计。在室温、干燥的环境下，将实验样品置于测试点，为避免空气中其它成分的影响，在实验装置中通入氮气，封闭实验装置。通过和探测装置相连的终端机观察实验样品对太赫兹波的相互作用。

利用傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，可以观察到本发明涉及的超材料对太赫兹波的透射率。图3为本发明涉及的太赫兹双频带超材料对太赫兹电磁波透射率的仿真和实验测试结果图。可以看出，在~0.375和~0.59出现了透射率禁带，仿真和测试结果吻合较好。正是由于经过特殊设计亚波长结构在这两个频点和太赫兹波发生强烈相互作用，导致了透射禁带的出现。

由于电磁波的传播应满足色散方程：

k²=ω²εμ                 公式（1）

其中k为波矢，ω为角频率，ε和μ分别表示相对介电常数和相对磁导率。当εμ<0时，

电磁波将指数衰减而不能传播。根据Smith等人的研究，均质介质中S参数与阻抗z，折射系数n关系式可用下式表示：

$S_{21}=S_{12}=\frac{1}{\cos \left(\mathrm{nkd}\right)-\frac{i}{2}(z+\frac{1}{z})\sin \left(\mathrm{nkd}\right)}$ 公式（2）

$S_{11}=S_{22}=\frac{i}{2}(\frac{1}{z}-z)\sin \left(\mathrm{nkd}\right)$ 公式（3）

其中，d为谐振单元之间的周期性间距。

由以上两式，可得到：

$n=\frac{1}{\mathrm{kd}}{\cos }^{-1}\left[\frac{1}{{2S}_{21}}(1-S_{11}^2+S_{21}^2)\right]$ 公式（4）

$z=\sqrt{\frac{{(1+S_{11})}^2-{S^2}_{21}}{{(1-S_{11})}^2+{S^2}_{21}}}$ 公式（5）

于是可得到：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{n}{z}={\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}+i{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;}\mathrm{\&mu;}=\mathrm{nz}={\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}+i{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;\&prime;}$ 公式（6）

其中，ε′为介电常数实部、ε″为介电常数虚部、μ′为磁导率实部、μ″为磁导率虚部。

将得到的频域信号，利用上述公式在Matlab中计算可计算出有效介电常数。图4是本发明涉及的基于电谐振的太赫兹双频带超材料介电常数示意图，图中显示，在0.325-0.476THz和0.59-0.725THz频带内，介电常数实部表现为负值。其中在0.375THz频点附近，介电常数实部小于-900；在0.6THz频点附近，介电常数实部小于-310。相比于其他THz超材料设计，表现出更强烈地谐振强度。两个负介电常数实部的频带正好对应于透射率的两个禁带，理论和实验得到了很好的验证和吻合。其中两个介电常数实部为负值的频带，绝对带宽分别为151GHz和135GHz，相对带宽为37.7%和20.5%，相比于其他报道的超材料设计，表现出更宽的带宽。本发明涉及的太赫兹双频带超材料特性是由于在两个频带内，GaAs衬底上的亚波长结构和太赫兹波发生强烈电谐振引起的，模拟仿真和实验测试结果验证了双频点、强谐振和宽带宽的特性。

Claims (7)

1.一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，包括衬底（1）和金属层单元（2），其特征在于，所述金属层单元（2）上设有电磁谐振单元（3）；所述电磁谐振单元（3）包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元（2）以周期性阵列的方式铺设在所述衬底（1）上。

2.根据权利要求1所述的基于电谐振的太赫兹双频带超材料，其特征在于，所述闭合环与两个开口谐振环之间的间距相等。

3.根据权利要求1所述的基于电谐振的太赫兹双频带超材料，其特征在于，所述金属层单元（2）根据所述超材料特性和特征频率以周期性阵列的方式铺设在所述衬底（1）上。

4.根据权利要求2所述的基于电谐振的太赫兹双频带超材料，其特征在于，所述闭合环与两个开口谐振环之间的间距为3-50μm。

5.根据权利要求1所述的基于电谐振的太赫兹双频带超材料，其特征在于，所述金属层单元（2）由上而下依次为金层、铂层和钛层。

6.根据权利要求5所述的基于电谐振的太赫兹双频带超材料，其特征在于，所述金层的厚度为100-500nm、铂层的厚度为5-50nm、钛层的厚度为5-50nm。

7.根据权利要求1所述的基于电谐振的太赫兹双频带超材料，其特征在于，所述衬底（1）采用厚度为200-1000μm的砷化镓材料制成，有效介电常数为12.9，损耗角正切为0.006。

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