可调谐负磁导率材料研究进展

王连胜，汪 源，宋书建

（海南大学三亚学院 电子工程系，海南 三亚 572022）

可调谐负磁导率材料研究进展

王连胜，汪 源，宋书建

（海南大学三亚学院 电子工程系，海南 三亚 572022）

从三个方面对目前的负磁导率材料谐振频率和谐振强度的调节方法进行了总结：1）改变组成材料的性质实现其谐振频率的可调；2）在SRR开口缝和内外环之间加载电容器实现谐振频率的可调；3）电激励或光照调节基底介质的介电性质实现谐振幅度的调节.展望微波段及未来红外和可见光波段可调谐负磁导率材料的研究将极大推动智能化左手材料的实现.

负磁导率材料；谐振频率；谐振强度

左手材料是通过组合大量次波长散射单元而组成的周期性结构复合材料.假如左手材料单元的不均匀尺度远小于波长，在电磁波的作用下左手材料结构单元之间的相互作用可以用宏观量—介电常数ε，磁导率μ来描述［1］.仔细设计结构单元，这种材料能够表现出自然界材料所不存在的电磁行为—介电常数ε，磁导率μ同时为负.1968年前苏联物理学家V.G.Veselag首次从理论上提出磁导率和介电常数同时为负的材料［2］称为左手材料，由于在自然界中并未观察到这种物质的存在，而且没有找到实现负磁导率材料的方法，左手材料在其概念提出以后几十年间一直因无法验证而成为一种假说.1999年Pendry J B提出以周期排列的金属开口环谐振器（SRR：Split-Ring Resonator）构造等效磁导率为负值的介质的方法—引起了左手材料的研究热潮［3］.2001年美国加州大学San Diego分校的Smith D R等人将SRR陈列和金属杆陈列结合起来，使得介电常数和磁导率在某个频段同时为负值，并在《science》杂志上发表了著名的棱镜实验文章，首次通过实验观察负折射效应证明了左手材料的存在［4］.由于左手材料有自然材料所不存在的成像和散射特性并可以突破衍射极限的限制［5］，这使得左手材料在成像中有极大的应用［6-7］；左手材料另外一个重要的应用是倾斜率介质［8］，因为其结构内任意一点的介电常数和磁导率可以通过调整每一个结构单元的散射特性来改变［9-10］.最近，左手材料的主要应用是在一定的频段内可以实现“隐身”［11］.

传统方法制作的SRR的性质都是固定的，因此限制了它的应用.通过各种途径实现负磁导率材料谐振频率和谐振强度的可调性问题显得越来越重要.文献[12]和[13]从SRR和基底两方面出发实现了负磁导率材料谐振频率和谐振强度的可调.本文拟就负磁导率材料谐振频率及谐振强度的调节方法做一详细叙述.

1 负磁导率材料谐振频率的调节方法

1.1 改变内嵌介质或基底介质的介电常数

负磁导率材料谐振频率受内嵌介质的介电常数的影响比较大，通过改变内嵌介质的介电常数可以实现负磁导率材料谐振频率的可调.Qian，Zhao［12］等以此为出发点利用液晶实现了其谐振频率的可调.液晶在外电场的作用下其光学性质会发生明显的变化的性质使其广泛应用于光频段内的可调谐光子晶体和毫米波段的相移器，因此液晶可以用来动态调节负磁导率材料的谐振频率进而调节其电磁行为.作者将SRR阵列放置在充满液晶的由特氟龙材料制成的容器盒中，其中两个氧化铟锡电极连接到外加电源上，用来对液晶施加电场.整个容器盒放在两个波导口之间进行透射测量.在外加电场的作用下液晶的有效介电常数增加导致谐振频率往低频发生了移动.

液晶的恢复性比较好，可以用来实现负磁导率材料谐振频率的实时调控，但同时由于液晶在电场作用下介电常数变换非常少，所以谐振频率调节的幅度在MHz数量级，幅度不大.

香港科技大学的Bo Hou［13］等利用电流变液实现了PBG材料谐振频率的可调性.众所周知电流变液在外加电场的作用下会从流体变为固体，液体中的颗粒也会在电场的作用下排列成柱状结构，因此电流变液可调的流变性质可用来实现可调谐PBG材料和左手材料.

上述方法是通过改变内嵌介质的介电常数调节SRR的谐振频率，在一定程度上实现了可调谐负磁导率材料，但实验结果表明调节的范围很小并且单位距离上施加的电压较大，不宜在实际中获得较大应用.

Sheng Zhongyan［14］通过理论分析表明改变SRR基底介质的介电常数也可以调节其谐振频率.随着基底介质介电常数的增加，SRR的谐振频率逐渐往低频发生移动，但是到目前为止还没见到实验方面的报道.

1.2施加可调磁场改变负磁导率材料的谐振频率

Zhao Hongjie［15］以钇铁石榴石为负磁导率材料，以金属杆为负介电材料，通过对其施加外磁场实现了谐振频率和左手通带可调的负磁导率材料以及左手材料.

实验现明在不同外加磁场下，负磁导率材料钇铁石榴石的谐振频率以及由钇铁石榴石和金属杆组成的左手材料的左手通带发生了明显的移动，虽然钇铁石榴石可以用来实现负磁导率材料，但由于其微波损耗比较大，实现较困难，作者的实验结果显示由钇铁石榴石和金属杆组成的左手材料的左手通带峰值只有-40 dB，也说明了这一点.

1.3 在SRR的开口缝和内外环之间加载电容器

SRR是由两个同心的开口金属环组成，SRR在入射电磁波的作用下可以等效成一个LC电路.当谐磁场垂直于SRR时，SRR内部产生感应电流，从而引入了电感，而电容C则主要来源于两个方面：一方面来源于内外环之间产生的电容，另一方面来源于SRR开口缝处产生的电容，其中SRR开口缝处的电容阻止了感应电流在单个环内的流动，而内外环之间的电容则使得感应电流在整个结构内流动.因此通过改变SRR谐振器的电容和电感可以实现负磁导率材料谐振频率的可调.Gil I，Aydin K和Ilya V.Shadrivov分别利用电容器和变容二极管实现了谐振频率可调的负磁导率材料［16-18］.

1.3.1 在内外环之间加载变容二极管

在Gil I［16］的研究中，作者在SRR的内外环之间加载了一个变容二极管，并利用这种可控的VLSRR（Varactor-loaded split ring resonator）构造了一种窄频的滤波器（见图1）.

对这种窄频滤波器器件进行传输测量，在不同的二极管偏压下，器件的禁带位置往高频发生了移动.由于这种VLSRR的尺寸较小并且可控性较好，它将在微波工程中发挥重要的应用.

1.3.2 在外环的开口缝间加载变容二极管

在Ilya V.Shadrivov［17］的研究中，作者在SRR的外环开口缝处加载一个变容二极管，这种方法与上述Gil I的方法有显著的区别，Gil I是通过改变环间的电容以实现内外环之间的边缘偶合进而调节其谐振频率，而此方法则是通过改变开口缝处的电容实现谐振频率的可调.通过对二极管施加不同的电压改变电容器的容值，SRR的谐振频率发生了明显的变化.通过提高材料的性能、二极管的掺杂比以及二极管与SRR之间更高的集成性可以实现更大范围内的调节.

1.3.3 在内外环之间、外环开口缝处和内环开口缝处加载电容

在Aydin K［18］的研究中，作者将不同电容值的电容器放置在3个不同的电容区域内：1）内外环之间的缝隙间；2）外环的开口缝间；3）内环的开口缝间.测量结果表明内外环之间、外环开口缝和内环开口处电容值的改变影响到了整个结构的电容值，随着电容值的增加，SRR的谐振频率逐渐往低频发生移动.

由此可见，在SRR中加载电容器可以实现负磁导率材料谐振频率的可调，进一步可以调节其负折射率范围和有效参数.此方法恢复性很好，并且随着集成电路技术的发展，此方法也可以用于更高频段的可调谐负磁导率材料中.

2 负磁导率材料谐振强度的调节

2.1 电光调节基底的介电性质

SRR的谐振强度强烈依靠开口缝之间的电导率，在完全绝缘的情况下，SRR的谐振强度最强；而当开口缝之间完全导电时SRR的谐振将完全消失.因此通过选择适当的基底材料或者在开口缝之间加载电导率可调的材料将可实现SRR谐振强度的可调.文献[19]和[20]报道了利用半导体材料通过电激励和光照实现了负磁导率材料谐振频率处谐振强度的可调.

文献[19]利用肖特基二极管的工作原理，选择砷化镓半导体作基底介质同时也作为肖特基二极管的欧姆电极，而肖特基电极则是刻蚀在基底材料上的金SRR阵列.通过在欧姆电极和肖特基电极之间施加不同的电压就可以调节开口缝处基底材料的电导率进而调节SRR阵列谐振频率处（THz）的谐振强度.作者对此SRR阵列进行THz频段的透射测量，测量结果表明在不同的偏压下，SRR阵列的谐振强度发生了明显的变化，因此此SRR阵列可应用于THz频段内的电磁波调节器.

此调节器较以前THz频段的电磁调节器有以下几个优点：1）调节范围比较高，可达50％.2）克服了以往THz调节器需要低温环境的缺点.3）实现方法简单，并且施加的电压较小，适宜在实际中较大范围内应用.

在Padilla WJ［20］的研究中，同样使用砷化镓半导体做基底介质，通过对其进行光照，激发砷化镓基底介质中自由电子数的增加，进而同样实现了THz频段内SRR谐振强度的可调.

2.2 光照调节SRR开口缝之间的电导率

Smith D R［21］实现SRR谐振频率处谐振强度可调的方法与上述方法不同，在SRR的开口缝处放置了一个0.2mm×0.2mm的硅片.通过激光照射硅片可以调节SRR开口缝处硅片的电导率从而实现调节SRR谐振强度的目的.

对硅片进行激光照射将会改变硅片的电导率进而实现SRR谐振强度的可调，不同强度激光照射下SRR谐振频率处的谐振强度发生了明显的变化.此方法实现简单并且可控性较好，但是构造的SRR谐振强度及调节幅度都很小，当激光强度在0.00～4.35mW之间变化时，谐振强度只发生了1.5dB的变化.

3 展望

1）可调谐红外波段左手材料：红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、可视度极低的天气条件下的导航、微型谐振腔、可调谐透镜、隔离器等参考.但以前可调谐左手材料的研究主要集中在微波和THz波段，研究可调谐红外波段左手材料将具有更广泛的应用前景.

2）可调谐可见光波段左手材料：利用左手材料能突破衍射极限的原理，可制成超灵敏单分子探测器，用来探测微量污染、极微量危险性生物化学药剂、以及血液中表征早期疾病的蛋白质分子和医学领域诊断成像等.利用其负折射和倏逝波放大特性，可以用以制做集成光路里的引导元件，有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜，左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，可能制作出存储容量比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统.因此研究可调谐可见光波段左手材料将对微量污染、极微量危险性生物化学药剂、医学领域诊断成像以及新型光学存储系统等产生革命性的影响.

3）可调谐增强性天线：右手材料的衰减场进入左手材料后就会变成增强场，以指数级数衰减的倏逝波进入左手材料中将变为指数增强场，相当于对倏逝波进行了放大.可以利用其对倏逝波的放大效应，将较弱的电磁波信号放大，进而增强天线的灵敏度，改善天线的性能.但由于左手材料的频段比较窄，天线的增强频段将十分有限，将可调谐左手材料应用于宽频段增强性天线中将是未来的发展趋势.

4 结语

负磁导率材料谐振频率和谐振强度的可调性问题是目前左手材料研究中的一个热点，虽然它的研究目前还处于初级阶段，还有很多的应用工作需要深入，但它独特的性质在新型材料器件中有着巨大的应用潜力.

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责任编辑：黄 澜

The Research Progress of Tunable Negative Permeability Metamaterials

WANG Liansheng，WANG Yuan，SONG Shujian
（Sanya College，Hainan university，Sanya 572022，China）

The tunablity of resonance frequency and resonance strength of negative permeability metamaterials is a hot research probleMat present.This paper summarizes the tuning ways froMthe following aspects：（1）Changing the property of composing medium；（2）Loading capacitors in the gap region between concentric rings and in the split region of SRR；（3）Tuning the resonance strength by changing the property of the substrate using electricity and laser.The research of negative permeability metamaterials with tunable resonance frequency and resonance strength at microwave frequency nowadays and at infrared and visible frequency in the future will push the achievement of intelligent metamaterials soon.

negative permeability metamaterials；resonance frequency；resonance strength

O 441.6

A

1674-4942（2010）02-0168-04

2010-03-09