CN110011068A - 一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器及其制造方法，该吸波器包括底层结构、中间介质层以及顶层谐振结构。底层结构包括至少一层金属薄膜，中间介质层固定在底层结构上。顶层谐振结构固定在中间介质层上，顶层谐振结构包括呈阵列排布的多个金属谐振结构。多个金属谐振结构均固定在中间介质层远离底层结构的同一端面上。每个金属谐振结构内部设置谐振腔，谐振腔与金属谐振结构均呈十字形且中心重合。金属薄膜和金属谐振结构均由铜制得，中间介质层由柔性PDMS材料制得，谐振腔内填充SrTiO3材料。本发明的吸波器实现了对入射电磁波的有效控制，实现了超材料吸波频率的大幅度调谐，克服了超材料吸波特性被动调谐方法的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及吸波器技术领域的一种超材料吸波器，尤其涉及一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，还涉及该频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器的制造方法。
背景技术
吸波器通常有着较小的物理尺寸，且可以在目标频域内有特定的吸收能力，近年来被广泛的应用于防止电磁干扰、电磁隐身等各种民用、军事领域。在军事领域，可以用吸波器作为武器装备的涂层，使武器拥有电磁隐身的能力，对方无法通过武器侦测到我方人员，可以在战争中获取先机，也可以用来降低导弹等各类飞行单位的RCS。吸波器在具体生活中的应用主要体现在大部分电子产品在工作的过程中需要预防电磁干扰的吸波应用，小型的吸波器可以有效的解决保健、医疗等方面的这类需求，同时它在通讯领域也有着越来越多的应用。
一般情况下，超材料吸波器的结构、尺寸和材料等确定之后，其吸波特性(吸收峰频率、吸波带宽、吸波强度等)便确定了。因而为了更好的满足实际需求，迫切需要设计谐振频率、吸波强度、带宽等可调谐的超材料吸波器，不仅可以对特定频率的电磁波实现针对性吸波，而且还可以对电磁场的吸波幅度进行控制，从而实现对电磁场的开关功能。但是，通过改变谐振结构单元的尺寸、中间介质层的厚度和材料等，可以实现超材料吸波器吸波特性的调谐，但是这种被动式的调谐方法在实际应用中具有很大的局限性，不能满足实际调谐的需要。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明提供一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器及其制造方法，解决了现有的吸波器通过被动式的调谐方法进行应用具有局限性，不能满足主动调谐的问题。
本发明采用以下技术方案实现：一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其包括：
底层结构，其包括至少一层金属薄膜；
中间介质层，其固定在底层结构上；中间介质层与底层结构相连的两个端面重合；以及
顶层谐振结构，其固定在中间介质层上；
其中，顶层谐振结构包括呈阵列排布的多个金属谐振结构；多个金属谐振结构均固定在中间介质层远离底层结构的同一端面上；每个金属谐振结构内部设置谐振腔，谐振腔与对应的金属谐振结构均呈十字形且中心重合；
所述金属薄膜和金属谐振结构均由铜制得，中间介质层由柔性PDMS材料制得，谐振腔内填充SrTiO3材料。
作为上述方案的进一步改进，底层结构和中间介质层均呈矩形，中间介质层的厚度大于底层结构的厚度。
进一步地，多个金属谐振结构等间距分布，每个金属谐振结构的相对两端沿着中间介质层的长度方向或宽度方向设置。
作为上述方案的进一步改进，每个金属谐振结构的四个端部位于同一个圆周一上，每个谐振腔的四个端部位于同一个圆周二上。
进一步地，每个金属谐振结构相对两端之间的距离为35um，每个谐振腔相对两端之间的距离为25um；金属谐振结构端部的宽度为11um，谐振腔端部的宽度为8um。
再进一步地，底层结构的厚度为0.3um，中间介质层的厚度为40um，金属谐振结构的厚度为0.3um。
作为上述方案的进一步改进，多个金属谐振结构排列成正方形矩阵，相邻的两个金属谐振结构之间的距离为55um。
作为上述方案的进一步改进，所述太赫兹超材料吸波器还包括：
温控单元，其用于调节顶层谐振结构的温度。
作为上述方案的进一步改进，所述太赫兹超材料吸波器应用于隐身装置、太赫兹成像装置、微型天线、电磁波探测及调控装置以及太阳能电池中的一种或多种装置中。
本发明还提供了一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器的制造方法，其用于制造上述任意所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其包括以下步骤：
根据底层结构的形状，在基底材料上开挖深度不小于底层结构、中间介质层以及顶层谐振结构的厚度之和的定位槽；
从所述定位槽的底部开始，镀上至少一层金属薄膜，并在金属薄膜定型后，向所述定位槽内灌入呈液态的柔性PDMS材料，以形成中间介质层；
在每个金属谐振结构内开设对应的谐振腔，将SrTiO3材料填满谐振腔中；
在中间介质层上划出呈阵列排布的多个定位区域，多个定位区域分别与多个金属谐振结构对应；
先依次将多个金属谐振结构固定至对应的多个定位区域上，再对底层结构、中间介质层以及顶层谐振结构进行老化处理。
相较于现有的吸波器，本发明的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器及其制造方法具有以下优点：
1、本发明的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其顶层谐振结构中的金属谐振结构内设置呈十字形的谐振腔，而谐振腔内填充SrTiO3材料，从而使得吸波器的频率特性能够根据SrTiO3材料的材料特性进行调控。由于SrTiO3材料相对介电常数和损耗角正切可随外界温度的改变，对于SrTiO3材料来说，环境温度越高，其对应的介电常数的实部越小，则SrTiO3材料内部的载流子浓度越高，并且越靠近金属特性。当环境温度越高时，金属谐振结构的谐振腔位置处的电场分布就越强。这样，当升高金属谐振结构的环境温度时，吸波器的吸波频带的位置会随着外界温度的上升发生蓝移，即向高频方向偏移，同时，吸波率却始终大于99％，可以实现对入射电磁波充分的吸波，从而在太赫兹频段内实现对入射电磁波的有效控制，克服了超材料吸波特性被动调谐方法的局限性，促进了太赫兹科学与技术的发展和应用。
2、当外界环境温度从200K变化到400K时，本发明的超材料吸波器的吸波频带的中心频率从1.11THz移至1.58THz处，吸波频带的频率偏移达到了470GHz，实现了超材料吸波频率的大幅度调谐。
附图说明
图1为本发明实施例1的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器的俯视图；
图2为图1中的吸波器的一个结构单元的侧视图；
图3为图1中的吸波器的侧视图；
图4为图1中的吸波器的顶层谐振结构中金属谐振结构内填充的SrTiO3材料的复值介电常数的实部与外界温度及入射波频率之间的对应曲线图；
图5为图1中的吸波器的顶层谐振结构中金属谐振结构内填充的SrTiO3材料的复值介电常数的虚部与外界温度及入射波频率之间的对应曲线图；
图6为图1中的吸波器的顶层谐振结构中金属谐振结构内填充的SrTiO3材料的损耗角正切与外界温度及入射波频率之间的对应曲线图；
图7为图1中的吸波器在环境温度为300K时的吸波曲线图；
图8为图1中的吸波器在不同环境温度时的吸波曲线图；
图9为图1中的吸波器在不同环境温度时的电场分布图。
符号说明：
1 底层结构 4 谐振腔
2 中间介质层 5 金属谐振结构
3 顶层谐振结构
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1、图2以及图3，本实施例提供了一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其包括底层结构1、中间介质层2以及顶层谐振结构3。本实施例的吸波器应用于隐身装置、太赫兹成像装置、微型天线、电磁波探测及调控装置以及太阳能电池中的一种或多种装置中，还可以应用在其他需要调谐的多种设备或装置中。
底层结构1包括至少一层金属薄膜，而金属薄膜为连续的薄膜。金属薄膜由电导率为5.8×107S/m的铜制得，其厚度可以大于电磁波在该金属中的趋肤深度。在本实施例中，底层结构1的厚度hm为0.3um，并且呈矩形。底层结构1可以通过多层金属薄膜进行堆叠而成，其长宽的尺寸可以根据实际的需要进行设定，可以扩大吸波器的应用范围。
中间介质层2固定在底层结构1上，而且中间介质层2与底层结构1相连的两个端面重合。在本实施例中，中间介质层2也呈矩形，而且厚度大于底层结构1的厚度，并且中间介质层2的厚度hd为40um。中间介质层2由柔性PDMS材料制得，柔性PDMS材料具有损耗，中间介质层2可通过液态的二甲基硅氧烷在限定的区域加热成型。在其他一些实施例中，中间介质层2的相对两面可以为圆形或者正多边形，其可以根据实际的设计需求进行设置，而且中间介质层2整体外轮廓可为块状，具体为棱柱状，并且可通过多层介质堆叠而成，也可为一体成型结构。
顶层谐振结构3固定在中间介质层2上。顶层谐振结构3包括多个金属谐振结构5，并且多个金属谐振结构5呈阵列排布。多个金属谐振结构5均固定在中间介质层2远离底层结构1的同一端面上，并且位于同一平面上。每个金属谐振结构5内部设置谐振腔4，谐振腔4与对应的金属谐振结构5均呈十字形且中心重合。其中，谐振腔4内填充SrTiO3材料。
在本实施例中，定义一个金属谐振结构5所在部分为吸波器的一个结构单元。多个金属谐振结构5等间距分布，每个金属谐振结构5的相对两端沿着中间介质层2的长度方向或宽度方向设置。并且，每个金属谐振结构5的四个端部位于同一个圆周一上，每个谐振腔4的四个端部位于同一个圆周二上。每个金属谐振结构5相对两端之间的距离为35um，金属谐振结构5端部的宽度W1为11um，金属谐振结构5的厚度hs为0.3um。每个谐振腔4相对两端之间的距离L2为25um，谐振腔4端部的宽度W2为8um。其中，多个金属谐振结构5排列成正方形矩阵，并且定义相邻的两个金属谐振结构5之间的距离为结构单元周期，且结构单元周期P为55um。
请参阅图4、图5以及图6，图中显示了SrTiO3材料的复值介电常数的实部Re(ε)、虚部Im(ε)及损耗角正切tgδ＝Im(ε)/Re(ε)与外界温度和入射太赫兹波的频率之间的依赖关系。SrTiO3复值介电常数的实部和虚部不仅与入射电磁波的频率有关，还会随着外界温度的变化而发生改变，因此，通过改变外界温度可实现对SrTiO3复值介电常数的调控，进而实现SrTiO3对入射太赫兹波的电磁响应特性的调谐。
请参阅图7，图中T＝300K，显示了环境温度为t＝27℃(室温)时超材料吸波器的吸波曲线的变化情况。从图7中可以看出，本实施例的超材料吸波器在1.38THz处产生了一个吸波率为99.6％的吸收峰，可实现一个单频带吸波器。
请参阅图8，该图描述了当外界温度变化时，本实施例的超材料吸波器吸波频带的位置与吸波强度的变化情况。从图8中可以清楚的看到，在外界温度从200K变化到400K的过程中，该超材料吸波器的吸波率几乎保持不变(均大于99％)，可以对入射电磁波实现“完美”吸波，然而，其吸波频带的位置会随着外界温度的上升发生蓝移，即向高频方向偏移。当外界温度为T＝200K时，该超材料吸波器在1.11THz处产生了一个吸收峰，当外界温度上升至室温，即T＝300K时，该超材料吸波器产生的吸收峰位于1.38THz处，当环境温度继续上升至T＝400K时，吸收峰移至1.58THz处。因此，当环境温度从200K变化到400K时，超材料吸波器吸波频带的中心频率从1.11THz移至1.58THz处，吸波频带的频率偏移达到了470GHz，实现了超材料吸波频率的大幅度调谐。
请参阅图9，本实施例仿真研究了在不同环境温度下(即T＝200K，300K，400K)谐振吸收峰(即f＝1.11THz，1.38THz，1.58THz)所对应的电场分布，图9中的三个电场分布的环境温度从左至右依次为T＝200K，300K，400K。通过图9可以发现，当环境温度T＝200K时，电场几乎全部分布在金属谐振结构5的边缘处，当环境温度上升到T＝300K时，分布于金属谐振结构5的边缘处的电场有所减弱，而金属谐振结构5中间填充SrTiO3材料的位置处电场分布有所增强，而当环境温度继续上升至T＝400K时，分布于金属谐振结构5的边缘处的电场明显减弱，而金属谐振结构5中间填充SrTiO3材料的位置电场明显增强，甚至可以说大部分电场分布在金属谐振结构5中间填充SrTiO3材料的位置。
通过前面的分析可知，对于SrTiO3材料来说，环境温度越高，其对应的介电常数的实部越小，则SrTiO3材料内部的载流子浓度越高，其越靠近金属特性，因此当环境温度从T＝200K上升到400K时，金属谐振结构5中间填充SrTiO3材料的位置处的电场分布越强。总之，外界环境温度的升高会使得SrTiO3材料内部的电场分布发生变化，最终导致金属谐振结构5中间填充SrTiO3材料的超材料吸波器所对应的谐振频率发生偏移。
综上所述，相较于现有的吸波器，本实施例的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器具有以下优点：
1、本实施例的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其顶层谐振结构3中的金属谐振结构5内设置呈十字形的谐振腔4，而谐振腔4内填充SrTiO3材料，从而使得吸波器的频率特性能够根据SrTiO3材料的材料特性进行调控。由于SrTiO3材料相对介电常数和损耗角正切可随外界温度的改变，对于SrTiO3材料来说，环境温度越高，其对应的介电常数的实部越小，则SrTiO3材料内部的载流子浓度越高，并且越靠近金属特性。当环境温度越高时，金属谐振结构5的谐振腔4位置处的电场分布就越强。这样，当升高金属谐振结构5的环境温度时，吸波器的吸波频带的位置会随着外界温度的上升发生蓝移，即向高频方向偏移，同时，吸波率却始终大于99％，可以实现对入射电磁波充分的吸波，从而在太赫兹频段内实现对入射电磁波的有效控制，克服了超材料吸波特性被动调谐方法的局限性，促进了太赫兹科学与技术的发展和应用。
2、当外界环境温度从200K变化到400K时，本实施例的超材料吸波器的吸波频带的中心频率从1.11THz移至1.58THz处，吸波频带的频率偏移达到了470GHz，实现了超材料吸波频率的大幅度调谐。
实施例2
本实施例提供了一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其在实施例1的基础上增加了温控单元。温控单元用于调节顶层谐振结构3的温度，其可对顶层谐振结构3进行升温和降温。这样，当实际应用中需要调节吸波器的吸波频带时，可以通过温控单元调节顶层谐振结构3所处的温度，使SrTiO3材料的环境温度发生改变，从而改变吸波器的吸波频带。因而，当其他装置或设备本实施例的吸波器时，该装备或设备只需要控制温控单元就可以实现吸波器吸波频带的自动化调节，方便快捷。
实施例3
本实施例提供了一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器的制造方法，其用于制造实施例1或实施例2中的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，制造方法包括以下步骤：
1、根据底层结构1的形状，在基底材料上开挖深度不小于底层结构1、中间介质层2以及顶层谐振结构3的厚度之和的定位槽；
2、从所述定位槽的底部开始，镀上至少一层金属薄膜，并在金属薄膜定型后，向所述定位槽内灌入呈液态的柔性PDMS材料，以形成中间介质层2；
3、在每个金属谐振结构5内开设对应的谐振腔4，将SrTiO3材料填满谐振腔4中；
4、在中间介质层2上划出呈阵列排布的多个定位区域，多个定位区域分别与多个金属谐振结构5对应；
5、先依次将多个金属谐振结构5固定至对应的多个定位区域上，再对底层结构1、中间介质层2以及顶层谐振结构3进行老化处理。
实施例4
本实施例提供了一种吸波贴，其包括贴片以及均匀设置在贴片的同一面上的多个吸波件。贴片可采用柔性材料制成，以便于粘贴在各种结构上，而吸波件采用实施例1中的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器。其中，底层结构1固定在贴片上。这里需要说明的是，本实施例提供的这种吸波贴可作为一个整体的产品进行应用，并且可贴在各种装置或设备的表面或者内部，以吸收电磁波，可贴在军事领域的各种军事设备上，还可贴在电子产品中，以预防电磁干扰。
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 (10)
1.一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其包括：
底层结构(1)，其包括至少一层金属薄膜；
中间介质层(2)，其固定在底层结构(1)上；中间介质层(2)与底层结构(1)相连的两个端面重合；以及
顶层谐振结构(3)，其固定在中间介质层(2)上；
其特征在于，顶层谐振结构(3)包括呈阵列排布的多个金属谐振结构(5)；多个金属谐振结构(5)均固定在中间介质层(2)远离底层结构(1)的同一端面上；每个金属谐振结构(5)内部设置谐振腔(4)，谐振腔(4)与对应的金属谐振结构(5)均呈十字形且中心重合；
所述金属薄膜和金属谐振结构(5)均由铜制得，中间介质层(2)由柔性PDMS材料制得，谐振腔(4)内填充SrTiO3材料。
2.如权利要求1所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，底层结构(1)和中间介质层(2)均呈矩形，中间介质层(2)的厚度大于底层结构(1)的厚度。
3.如权利要求2所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，多个金属谐振结构(5)等间距分布，每个金属谐振结构(5)的相对两端沿着中间介质层(2)的长度方向或宽度方向设置。
4.如权利要求1所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，每个金属谐振结构(5)的四个端部位于同一个圆周一上，每个谐振腔(4)的四个端部位于同一个圆周二上。
5.如权利要求4所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，每个金属谐振结构(5)相对两端之间的距离为35um，每个谐振腔(4)相对两端之间的距离为25um；金属谐振结构(5)端部的宽度为11um，谐振腔(4)端部的宽度为8um。
6.如权利要求5所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，底层结构(1)的厚度为0.3um，中间介质层(2)的厚度为40um，金属谐振结构(5)的厚度为0.3um。
7.如权利要求1所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，多个金属谐振结构(5)排列成正方形矩阵，相邻的两个金属谐振结构(5)之间的距离为55um。
8.如权利要求1所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，所述太赫兹超材料吸波器还包括：
温控单元，其用于调节顶层谐振结构(3)的温度。
9.如权利要求1所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，所述太赫兹超材料吸波器应用于隐身装置、太赫兹成像装置、微型天线、电磁波探测及调控装置以及太阳能电池中的一种或多种装置中。
10.一种频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器的制造方法，其用于制造如权利要求1-9中任意一项所述的频率可主动调谐的太赫兹超材料吸波器，其特征在于，其包括以下步骤：
根据底层结构(1)的形状，在基底材料上开挖深度不小于底层结构(1)、中间介质层(2)以及顶层谐振结构(3)的厚度之和的定位槽；
从所述定位槽的底部开始，镀上至少一层金属薄膜，并在金属薄膜定型后，向所述定位槽内灌入呈液态的柔性PDMS材料，以形成中间介质层(2)；
在每个金属谐振结构(5)内开设对应的谐振腔(4)，将SrTiO3材料填满谐振腔(4)中；
在中间介质层(2)上划出呈阵列排布的多个定位区域，多个定位区域分别与多个金属谐振结构(5)对应；
先依次将多个金属谐振结构(5)固定至对应的多个定位区域上，再对底层结构(1)、中间介质层(2)以及顶层谐振结构(3)进行老化处理。
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