太赫兹超材料宽带吸收器

陆延通，文天龙，张怀武

（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都，610054）

0 引言

太赫兹波是位于高频红外和低频微波之间的一段电磁波，频率在0.1THz～10THz 之间。其低频波段与微波重合，高频波段与红外波重合，所以太赫兹波既有电子学的特性，也存在光学特性[1]。

在20 世纪80 年代以前，电子学与光学技术发展已经相对成熟，但由于太赫兹处于电子学与光学过渡区域，这两种技术对太赫兹波的产生和检测效果都不理想，因此相当长一段时间内，人们对太赫兹波的认识仍相对有限，故此波段通常被称为“太赫兹间隙”[2]。近些年来，随着高功率波源与高灵敏探测器技术的发展，太赫兹波源技术和探测技术发展逐渐成熟，而太赫兹功能器件技术的发展仍然相对缓慢，超材料的发现给太赫兹波功能器件特别是太赫兹吸收器带来了广阔的发展前景。且基于超材料的特性可以等比例放大或缩小到其他频段，实现多频段的高吸收[3,4]。

电磁波吸收器是一种把在工作频率内的入射波都吸收掉的装置，典型的超材料吸收器由三层结构组成，第一层一般是由有周期性图案结构的金属层构成；第二层由介质材料构成，底层为金属板，用来阻挡入射波的透射以提高吸收效率。由于单频带吸收器带宽较窄[5]，单频带和多频带太赫兹超材料吸收器在类似领域的应用受到限制。因此，如何有效、切实地扩展带宽是当前太赫兹超材料吸收器研究的热点[6]。传统宽带吸收器的设计思想来源于窄带吸收器，通过调整多频带吸收器单元尺寸，使得他们的吸收频率紧邻，使其相互叠加就可以得到宽带吸收器。但这种方式设计的吸收器带宽不高，且制作复杂，很难在实际应用中实现。

基于此，本文设计了一种结构且简单容易制作的柔性极化不敏感的太赫兹超材料宽带吸收器。在超材料层使用厚度低于趋肤深度的金属结构代替传统的超材料，此时金属电导率远小于其体电阻，对太赫兹波来说就是一种高损耗的材料[7]，可以调控超材料对电磁波的透射率与反射率，且不影响超材料阵列的谐振。

1 器件的设计、仿真与制作

本文对所设计的太赫兹超材料吸收器做出了如下初步设计：

结构设计：本文设计的超材料吸收器使用经典的三明治结构，在超材料层使用轴对称图形的圆盘结构，由前面的调研可知，超材料基本单元结构使用对称图形即可使得吸收器对入射电磁波的极化角度不敏感；底层反射层使用连续的金属薄膜，既能减少透射率，且制作简单，不需与超材料层对准，降低制作复杂度。

材料选择：超材料层使用本身电导率较低且厚度低于趋肤深度的金属来增加欧姆损耗，例如铂、钛等金属，由于钛金属比较容易氧化，为了测试的方便，因此本文选用铂来制作超材料层；对于中间介质层，本文选用了聚酰亚胺（Polyimide PI），PI 是高分子有机材料，且有很好的绝缘性与柔韧性，利用其制成柔性的太赫兹吸收器，可以黏附在曲面物体上；对于第三层金属层，可选用多种金属，如金、银、铜、铝等材料，只要保证其厚度大于工作波长的趋肤深度，能把入射波全部反射回去即可。

使用CST 电磁仿真软件的频域求解器完成本次工作的仿真建模，观察波段设置为0.2THz～1.4THz，对超材料单个基本单元进行建模，X 方向和Y 方向设置为Unit sell 边界条件，Z 方向设置Open。Au 材料与PI 直接调用材料库中的默认材料。而对于金属Pt 材料，则需要修改材料性质与电导率。

设计的超材料结构如图1 所示：图1(a)为部分周期单元整体结构图，图1(b)为其对应俯视图，太赫兹波从垂直于超材料平面的方向入射，电场沿y 方向，磁场沿x 方向。此结构透射率为0。

图1 太赫兹材料吸收器

吸收器的结构参数如下：Pt 金属薄膜厚度为5mµ，P=172µm,R=70µm,T=50µm,D=0.2µm。

仿真完成后，使用微细加工工艺制作太赫兹超材料宽带吸收器，操作步骤如下：

（1）清洗中间介质层PI：依次使用丙酮、酒精、去离子水分别清洗并超声五分钟，放入65℃的烘箱中30min 以上以烘干备用。

（2）镀膜：使用磁控溅射镀膜法制作底层连续金属膜，厚度为200nm。

（3）制作支撑基底：将镀膜完成的样品用PI 高温胶带黏附在长宽为2cm×2cm，厚度为1mm 的二氧化硅基片上，使PI 层朝上，金属连续膜朝SiO2基底。然后使用步骤(2)进行清洗。

（4）光刻：使用负性光刻胶进行涂胶，再依次经前烘、曝光、后烘、泛曝、显影制作出超材料图案。

（5）镀膜：使用步骤(2)的方法在上一步得到的样品超材料表面镀5nm 的金属铂。

（6）去胶：将步骤(6)得到的样品依次放入丙酮、酒精、去离子水中进行清洗，得到最终结构。其光学显微镜如图2所示。

图2 样品的光学显微镜图

2 结果与讨论

■2.1 CST 仿真结果与分析

根据公式，吸收率A=1-R-T，T为透射率，在此三层吸收器结构中，T=0；R为反射率，R=，S11为反射系数，由仿真结果的S parameter 参数给出，得到此结构吸收率如图3 所示：可以清楚的看到，在0.46THz（fa）～1.07THz（fb）范围内实现了90%以上的吸收，如图3(b)灰色方框内所示。相对吸收带宽（RAB）用公式(1)所示。

图3 太赫兹超材料宽带吸收器的CST 吸收谱仿真结果

计算得到90%的相对吸收带宽为79.74%。此宽带吸收器是由频率为0.59THz 和1.02THz 处的两个吸收峰叠加得到的，在这两个频率处吸收率分别为97.34%和96.52%。

为了表征吸收器的性能，下面研究吸收光谱在不同极化角度和斜入射角度下的改变，研究对象均为TE 波。首先给出了入射波不同偏振角φ 对吸收光谱的影响，如图4 所示。由于所提出的太赫兹超材料宽带吸收器是一个在x-y 平面360°旋转对称结构，因此在观察极化敏感性时数值模拟只需要考虑从0°到45°的极化角即可。从图4 中看出可以，太赫兹波偏振角度从0°～45°变化时，吸收光谱几乎不发生变化，因此本文设计的吸收器其吸收光谱对入射波的偏振角度不敏感。

图4 入射电磁波极化角度对吸收性能的影响

接下来讨论此吸收器在斜入射角度下时其吸收性能的变化，斜入射角即入射波矢量与超材料平面法线的角度θ，如图5 所示。由图可以看出，入射波在斜入射角小于30°时，吸收性能较为稳健，当斜入射角增加到60°时，吸收率明显下降，但是仍能保持较高的吸收能力。当θ 角增加75°时，吸收率迅速下降。但总体来说，所提出的吸收器在较大的斜入射角度下还是能保持较高的吸收率，因此不仅可以工作在电磁波垂直入射的情况，还能工作在较宽范围内的斜入射角度下。

图5 入射电磁波斜入射角度对吸收性能的影响

为了进一步探究0.59THz 和1.02THz 处的两个吸收峰的来源，分别对两个频率处的电场分布进行了研究，提取了对应频率处x-y 平面的电场分布与x=0 截面的电场分布图，如图6 所示。在0.59THz 处，表面电场主要分布在铂金属圆盘的上下两端，且交替积累，这是一个典型的电偶极子谐振。而在1.02THz 处，从图中可以明显看出，电场被局限在金属圆盘和底层连续金属膜中间的介质层中，构成了一个典型的法布里-珀罗谐振腔（F-P 腔），因此，此宽带吸收器是由超材料阵列的电偶极子谐振和F-P 谐振的吸收带宽叠加而成的。

图6 超材料谐振点处和透明窗口频率处的表面电流分布图

■2.2 太赫兹超材料吸收器实验测试结果

使用Fico 太赫兹时域光谱系统对样品进行测试，获得太赫兹波的时域谱。测试温度为20℃，湿度小于15%。通过快速傅里叶变换获得太赫兹波脉冲的频域谱，并且以金属反射镜作为参照，可以获得太赫兹波的反射谱，再使用公式A(ω)=1-R(ω)计算得到吸收率，如图7 所示。可以看出，仿真吸收光谱与实验测试结果都有明显的吸收带宽，吸收率都较高，而实验测试中吸收率光谱在1.28THz 处出现一个波谷，则是由测试仪器的误差导致。因此，总体来说，实验结果与仿真结果吻合较好，此方法制作太赫兹超材料宽带吸收器是可行的。但测试结果与仿真结果相比其吸收光谱有蓝移，且吸收带宽稍小于仿真波谱，这些误差可能由如下原因导致：实验仪器测量精度有限；所制作的超材料阵列圆盘结构尺寸小于仿真参数。

图7 太赫兹超材料吸收率的测试结果

对不同角度ϕ 进行测试，测试数据如图8 所示，可以看出，在1.06THz 之前，吸收光谱随着ϕ 角的变化几乎不发生变化，这与预测结果相一致，且测试数据与图4 中的仿真数据吻合得较好。但测试数据在1.06THz 之后（图8灰色方框内）发生明显的震荡，且这种震荡是意料之外的，与实验数据发生了较大的差别。综上，可以证明，此THz-TDS 测试系统对此吸收器来说，其能较为精确的测量数据范围为0.2THz～1.06THz，1.06THz 之后数据发生较为严重的震荡，不构成参考。

图8 同极化角度下实验的吸收光谱

综上分析，文中所设计的太赫兹超材料吸收器可以在0.46THz～1.07THz 频率范围内实现90%以上的吸收率，其对应的相对吸收带宽为79.74%。且对入射波极化角度不敏感，能在0°～60°的斜入射角度下工作。

3 结束语

本文通过使用低于趋肤深度的金属铂来替代传统超材料中厚度均大于对应趋肤深度的金属，得到了宽频带太赫兹吸收器，90%的相对吸收带宽为79.74%。这种宽带吸收性能是由超材料阵列的电偶极子谐振和F-P 谐振吸收峰叠加而成的，低于趋肤深度的金属铂有高损耗特性，可以增加吸收带宽，因此用金属铂圆盘超材料设计的吸收器仅由两个吸收峰叠加就可以得到很宽范围内的高吸收。