CN108417990B - 一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料及其制备方法，属于人工电磁材料领域，其中，通过控制单元结构的微管道内是否泵入液态金属，得到两种数字状态的单元结构，实现单元的可重构。对两种数字状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料。现有技术实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料十分困难。本发明无需在电磁超材料单元内添加额外的电子器件或半导体材料，即可实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料，具有易于设计、低成本、操作简单等特点。

Description

一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料及其制备方法
技术领域
本发明属于人工电磁材料领域，更具体地，涉及一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料及其制备方法。
背景技术
太赫兹波通常是指介于微波与红外之间，频率在0.1-10THz的电磁波。面对实际应用，完整的太赫兹系统不但需要高效的辐射源及探测器，也需要各类高性能的有源/无源光学器件，从而实现对太赫兹信号的有效操控。然而，大部分天然材料在太赫兹波段具有较大的吸收率，且不具备可扩展性，导致没有合适的材料可被用于制备太赫兹频段的各类光学器件。正因如此，基于电磁超材料的结构和器件越来越多被用于太赫兹波的操控。
电磁超材料是一类基于人工设计的电磁结构。它通常由一系列亚波长量级的单元结构按照周期形式排布而成。通过改变单元结构的形状、尺寸、单元结构的间距以及排布方式来调整超材料在宏观上的电磁参数，从而获得所需要的电磁响应特性。近年来，各类基于电磁超材料的器件不断涌现，其应用频段涵盖了微波至可见光频段。
电磁超材料通常不具备可重构性，一旦设计成型，其电磁响应参数便已经固定。在太赫兹频段设计出可重构的电磁超材料可以进一步提高对太赫兹波的操控能力，使同一器件拥有不同的电磁响应特性。可重构的电磁超材料从微波至可见光波段均有报道。理论上这些方式均可用于太赫兹频段可重构电磁超材料的实现。然而不同方法在物理机制上的差异将直接影响超材料的性能、工艺复杂性、频谱可扩展性、成本及可重构度(调制深度)。现有实现太赫兹可重构超材料的方法主要包括通过额外施加偏置电压或光学方法改变结构中或衬底上半导体的载流子浓度，利用MEMS结构或具有相变性质的材料等。然而，以上各方法主要针对基于周期结构的电磁超材料阵列，无法针对单个单元进行可重构。现阶段针对非周期结构的太赫兹频段电磁超材料的实现报道较少，这主要是因为无论何种方法实现非周期结构的可重构，都意味着需要对单个的单元结构进行独立控制，大大增加了实现的复杂度。虽然微流控技术也已被用于实现可重构的电磁超材料，但在文献中只报道了微波频段内基于周期结构的谐振环，对基于非周期结构的太赫兹频段电磁超材料的设计尚未有报道。
在中国发明专利说明书CN103904436A中提出了“编码及数字电磁超材料”的概念。其核心思想是将电磁超材料的单元结构尺寸及所对应的幅度、相位特性从连续可变改为离散可变。这大大简化了单元结构的设计和制备难度。最简单的1比特编码超材料由两种最基本单元结构组成：“0”单元和“1”单元。两种单元的透射(反射)相位差为180度。通过对0和1单元进行不同的编码排序，能够组成各种类型的非周期结构，从而实现对电磁波的调控。如果能够通过某种手段改变所设计的单元结构，使其可以在0状态和1状态之间切换，这种由状态可调的数字单元组成的电磁超材料通常被称为“数字电磁超材料”。数字电磁超材料即为一种基于非周期结构的可重构电磁超材料。迄今为止，尚未有文献对太赫兹频段的数字电磁超材料进行过报道。
由此可见，现有技术存在实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料十分困难的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料及其制备方法，由此解决现有技术存在实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料十分困难的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法，包括：
通过控制单元结构的微管道内是否泵入液态金属，得到两种状态的单元结构，对两种状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料。
进一步地，单元结构的微管道内泵入液态金属，且由单元结构组成的阵列排布的形式为非周期时，实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料。
进一步地，微管道的材料为聚酰亚胺、PDMS、二氧化硅、BCB或者硅，所述微管道的厚度为5微米-40微米。
进一步地，液态金属为共晶镓铟或者含有纳米粒子的胶体银溶液。
进一步地，液态金属的电导率为3.4×104S/m至3.4×107S/m。
进一步地，单元结构还包括：反射层、衬底和封装层。
进一步地，反射层的材料为金或铜，所述反射层的的厚度为0.5微米-10微米，所述衬底的材料为聚酰亚胺、PDMS、二氧化硅、BCB或者硅，所述衬底的厚度为20微米-100微米，所述封装层的材料为聚酰亚胺、PDMS、二氧化硅、BCB或者硅，所述封装层的厚度为10微米-60微米。
进一步地，两种状态的单元结构在工作频段0.3THz时反射系数大于0.85。
进一步地，两种状态的单元结构在工作频段0.3THz时的相位差为180度。
按照本发明的另一方面，提供了一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料，其特征在于，所述数字电磁超材料由上述太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法制备得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.现有技术实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料十分困难。本发明无需在电磁超材料单元内添加额外的电子器件或半导体材料，即可实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料，具有易于设计、低成本、操作简单等特点。
2.本发明中两种单元结构，每种单元结构可以泵入或者不泵入液态金属。如果泵入的形式是非周期的，即可实现非周期。可重构的实现是通过对液态金属的泵入/泵出控制。当单元结构为泵入液态金属的状态时，利用微型泵将该液态金属泵出后，即可将其转换为另一种状态，从而实现单元结构可重构。
3.本发明普适性强，无频率依赖性，具有很好的可扩展性，能够被推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。本发明加工方便，易于实现。在本发明中的数字电磁超材料单元所采用的材料加工简单，便于大规模生产。
附图说明
图1(a)是本发明实施例提供的太赫兹数字电磁超材料阵列示意图；
图1(b)是本发明实施例提供的太赫兹数字电磁超材料阵列中的子阵；
图2是本发明实施例提供的基于微流控系统的太赫兹数字电磁超材料的基本单元结构；
图3(a)是本发明实施例提供的太赫兹波垂直入射时‘0’和‘1’单元的反射幅度；
图3(b)是本发明实施例提供的太赫兹波垂直入射时‘0’和‘1’单元的相位响应特性；
图4(a)是本发明实施例提供的考虑泵入液态金属具有不同电导率时‘1’单元的反射幅度；
图4(b)是本发明实施例提供的考虑泵入液态金属具有不同电导率时‘1’单元的相位响应；
图5(a)是本发明实施例提供的编码方式为0000…/0000…的数字电磁超材料及全波仿真获得的上半平面反射方向图；
图5(b)是本发明实施例提供的编码方式为1111…/1111…的数字电磁超材料及全波仿真获得的上半平面反射方向图；
图5(c)是本发明实施例提供的编码方式为0101…/0101…的数字电磁超材料及全波仿真获得的上半平面反射方向图；
图5(d)是本发明实施例提供的编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料及全波仿真获得的上半平面反射方向图；
图5(e)是本发明实施例提供的同样大小金属平板的上半平面反射方向图；
图5(f)是本发明实施例提供的编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料与金属平板在上半平面反射方向图对比；
图6(a)是本发明实施例提供的入射波为0.1THz，编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料对垂直入射电磁波的反射波形的全波仿真结果；
图6(b)是本发明实施例提供的入射波为0.2THz，编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料对垂直入射电磁波的反射波形的全波仿真结果；
图6(c)是本发明实施例提供的入射波为0.3THz，编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料对垂直入射电磁波的反射波形的全波仿真结果；
图6(d)是本发明实施例提供的入射波为0.4THz，编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料对垂直入射电磁波的反射波形的全波仿真结果；
图6(e)是本发明实施例提供的入射波为0.5THz，编码方式为0101…/1010…的数字电磁超材料对垂直入射电磁波的反射波形的全波仿真结果；
图7(a)是本发明实施例提供的利用微流控系统对太赫兹数字电磁超材料的重构示意图；
图7(b)是本发明实施例提供的利用微流控系统对太赫兹数字电磁超材料的重构结果图；
图7(c)是本发明实施例提供的利用微流控系统对太赫兹数字电磁超材料的重构在‘0’状态的示意图；
图7(d)是本发明实施例提供的利用微流控系统对太赫兹数字电磁超材料的重构在‘1’状态的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中，通过设计合理的基本单元结构，使该单元结构的中心频率在0.3THz，并且在是否泵入液态金属时分别处于‘0’及‘1’状态。设计目标为在较宽频带内保持高反射系数，以及180度左右的反射相位差。利用微流控系统对获得的两个基本单元状态进行编码组合，构成具有特定功能的数字电磁超材料，从而实现对电磁波不同形式的操控。下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
如图1(a)和图1(b)所示，该阵列由N×N个子阵构成，每个子阵有4×4个‘0’状态下的单元结构或‘1’状态下的单元结构组成，以模拟单元结构的周期边界条件。本发明的一个实例中，每个基本单元边长为300微米，我们选取N＝8。整个超表面尺寸为9.6×9.6mm2。
单元结构及具体参数如图2所示。该单元结构的由反射层(金属地板)，衬底(聚酰亚胺，厚度86微米)，微管道(聚酰亚胺，厚度30微米)及封装层(聚酰亚胺，厚度50微米)构成。聚酰亚胺在0.3THz时折射率为1.75，正切损耗为0.05。中间的“Ω”型微管道宽度及厚度均为30微米，圆环外径为110微米。其中，“Ω”型微管道在无液体泵入时为‘0’单元，在泵入液态金属后形成‘1’单元。由图3(a)和图3(b)可知，在0.3THz附近，两种状态下的反射系数均大于0.85，接近于1，且相位差为180度，满足1比特反射型数字电磁超材料的设计需求。
泵入的液态金属为共晶镓铟(Eutectic Gallium Indium，EGaIn)，电导率为3.4×106S/m。对本设计来说，泵入的液态金属或其他导电溶液的电导率决定了‘1’单元的电磁响应特性，因此首先研究了不同电导率时‘1’单元的反射系数及其与‘0’单元的相位差。由图4(a)和图4(b)可知，当电导率达到3.4×104至3.4×105S/m这一范围，‘1’单元的反射系数幅度均大于0.85，且在0.3THz处的相位差基本保持不变。这一电导率能够被很多导电溶液所满足，从而说明了该设计对泵入液体的电导率不敏感，因此对泵入溶液的选择具有较好的普适性。
实施例1
通过控制单元结构的微管道内是否泵入共晶镓铟，得到两种状态的单元结构，对两种状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料。微管道的材料为PDMS，所述微管道的厚度为5微米。单元结构还包括：反射层、衬底和封装层。反射层的材料为金，所述反射层的的厚度为0.5微米，所述衬底的材料为PDMS，所述衬底的厚度为20微米，所述封装层的材料为PDMS，所述封装层的厚度为10微米。
实施例2
通过控制单元结构的微管道内是否泵入含有纳米粒子的胶体银溶液，得到两种状态的单元结构，对两种状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料。微管道的材料为二氧化硅，所述微管道的厚度为40微米。单元结构还包括：反射层、衬底和封装层。反射层的材料为铜，所述反射层的的厚度为10微米，所述衬底的材料为二氧化硅，所述衬底的厚度为20微米，所述封装层的材料为二氧化硅，所述封装层的厚度为60微米。
实施例3
通过控制单元结构的微管道内是否泵入共晶镓铟，得到两种状态的单元结构，对两种状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料。微管道的材料为BCB，所述微管道的厚度为50微米。单元结构还包括：反射层、衬底和封装层。反射层的材料为金，所述反射层的的厚度为5微米，所述衬底的材料为BCB，所述衬底的厚度为50微米，所述封装层的材料为BCB，所述封装层的厚度为10微米。
实施例4
通过控制单元结构的微管道内是否泵入共晶镓铟，得到两种状态的单元结构，对两种状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料。微管道的材料为硅，所述微管道的厚度为5微米。单元结构还包括：反射层、衬底和封装层。反射层的材料为金，所述反射层的的厚度为0.5微米，所述衬底的材料为硅，所述衬底的厚度为20微米，所述封装层的材料为硅，所述封装层的厚度为10微米。
图5(a)-图5(f)展示了不同编码方式下，所设计的1比特反射型数字电磁超材料对频率为0.3THz垂直入射电磁波的反射波形的调控结果，并与同样大小金属平板的散射场进行了比较。根据编码方式的不同，反射波形具有不同的散射特性。在0101.../1010...的编码(chessboard)时，该电磁超材料在上半平面尤其是主波束的回波方向获得了较大的RCS缩减，整体缩减量达到了9.3dB。
图6(a)-图6(e)对编码方式为0101.../1010...的数字电磁超材料进行仿真，获得了不同频率电磁波垂直入射情况下上半平面内的反射方向图。在0.1THz时，两种单元的反射相位差约为0度，因此构成的0101.../1010...编码在此频率无法满足数字超材料的设计需求，其电磁散射特性也与同样电尺寸的金属平板接近。而在0.3THz时，该编码方式在主波束的回波方向能够达到-17dB衰减，进一步证明了所设计的‘0’和‘1’单元在这一频段的有效性。
图7(a)-图7(d)展示了利用微型泵对基于微流控系统的1比特反射型太赫兹数字电磁超材料进行重构的实验示意图。可以看出本发明无需在电磁超材料单元内添加额外的电子器件或半导体材料，即可实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料，具有易于设计、低成本、操作简单等特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法，其特征在于，包括：
通过控制单元结构的微管道内是否泵入液态金属，得到两种状态的单元结构，对两种状态的单元结构进行编码组合，得到数字电磁超材料；
所述单元结构的微管道内泵入液态金属，且由单元结构组成的阵列排布形式为非周期时，实现非周期的太赫兹可重构数字电磁超材料；
所述微管道为Ω型，所述微管道的材料为聚酰亚胺、PDMS、二氧化硅、BCB或者硅，所述微管道的厚度为5微米-40微米；微管道在无液体泵入时为0单元，在泵入液态金属后形成1单元；
所述单元结构还包括：反射层、衬底和封装层，所述反射层的材料为金或铜，所述反射层的厚度为0.5微米-10微米，所述衬底的材料为聚酰亚胺、PDMS、二氧化硅、BCB或者硅，所述衬底的厚度为20微米-100微米，所述封装层的材料为聚酰亚胺、PDMS、二氧化硅、BCB或者硅，所述封装层的厚度为10微米-60微米。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属为共晶镓铟或者含有纳米粒子的胶体银溶液。
3.如权利要求1或2所述的一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属的电导率为3.4×104S/m至3.4×107S/m。
4.如权利要求1或2所述的一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法，其特征在于，所述两种状态的单元结构在工作频段0.3THz时反射系数大于0.85。
5.如权利要求1或2所述的一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法，其特征在于，所述两种状态的单元结构在工作频段0.3THz时的相位差为180度。
6.一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料，其特征在于，所述数字电磁超材料由权利要求1-5任一所述的一种太赫兹频段可重构数字电磁超材料的制备方法制备得到。
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