电子科技大学许向东教授课题组：超宽频太赫兹超材料吸波器的新思路学术资讯

来源：材料科学前沿

近期，电子科技大学光电科学与工程学院许向东教授团队在美国化学学会（ACS）旗下的《ACS Applied Materials & Interfaces》刊物发表论文，揭示了实现超宽频太赫兹超材料吸波器的一种新思路。

太赫兹（THz）是电磁波谱中有待研究的最后一个频率窗口，也是近年国内外多个领域的研究热点。太赫兹波具有独特的穿透性强、辐射损伤小、光谱信息丰富、通讯频带宽等优点，广泛应用在安全检查、生化物体及环境测试、医疗诊断、文物鉴别、天文探测、无线通信等重要领域。

近年，器件小型化发展迅猛，迫切需要厚度薄、性能优的太赫兹功能器件。遗憾的是，大多数的自然和人工材料以及传统器件在太赫兹频段的电磁响应都较弱，太赫兹超材料（Metamaterials）的出现为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇。但是，传统谐振型超材料的响应频带窄，限制了其在探测、调制、成像等器件的应用。

虽然人们尝试了多种使超材料频带展宽的方法，包括在同一平面构造尺寸不同的谐振图形阵列、立体叠加多组三层夹心结构、构造高深度的立体图形等，但是目前超材料吸波器仍然存在频带展宽能力弱、厚度大、结构及制作工艺复杂等瓶颈难题，制约了超材料的应用与发展。

为此，电子科技大学光电科学与工程学院的许向东教授课题组提出了一种简单、巧妙而有效的实现超宽带超材料吸波器的新方法。该方法是在传统三层夹心超材料的表层，再加入厚度均为200nm的一层薄介质层和一层金属图形化顶层，据此构造了具有下厚上薄两层介质膜、并且顶层与中间层的金属谐振图形还存在重叠区域的一种新型的五层超材料吸波器（见图1c）。

令人惊奇的是，这种结构的改变仅使超材料的总厚度稍微增加约7%，但是却使吸收频带大幅展宽了四倍，使该五层超材料MMAs-1（图1c）表现出优良的超宽频、近乎完美的太赫兹吸波性能（图1d）。在该结构（图1c）中，利用顶层和中间金属图形之间强烈的电磁耦合及共振频率的交叠，使吸波器的响应频带大幅展宽。如果把顶层及中间金属层的图形都设计成具有旋转对称性的金属圆环，如图1c所示的顶层为单圆环、中间层为双圆环，该五层超材料MMAs-1还将具有宽角响应、极化不敏感等性能。

重要的是，这种吸波器的电场及能量损耗主要集中在厚度仅200nm的上层薄介质层中（图2），具有特殊的损耗集中性能，与传统超材料的电场及能量损耗均匀地分散在厚度达数微米的厚介质层中的现象明显不同。这种兼有厚度薄、超宽频吸收、宽角响应、极化不敏感、损耗集中、制作容易等多重优点的新型多层超材料太赫兹吸波器（图1c）有效地克服了本领域的多个瓶颈难题，有望在小型化器件中发挥重要作用，推动超材料及太赫兹技术的发展。

图1. 传统的三层超材料吸波器(a)及(b)，作者设计的具有下厚上薄两层介质膜、且顶层及中间的两层金属图形层存在重叠区域的新型五层超材料吸波器(c)的结构示意图，以及这三种结构相应的窄带、多带及宽带THz吸收光谱(d)。

图2. 新设计的五层超材料吸波器在其共振频率下的表面电流俯视图（a、e），表面电流侧视图（b、f），x=0平面电场强度分布图（c、g），及x=0平面损耗密度分布图（d、h）。根据优化的仿真结果，利用传统的微加工技术及工艺（图3左图），许教授团队还成功地制作出这种具有两层不等厚介质膜的新型五层超材料吸波器MMAs-1（图3右图）。实测太赫兹光谱结果表明，该吸波器的响应中心频率为2.19THz、半峰宽为0.92THz（约为中心频率的42%），均与理论设计值相吻合。

图3. 左图为超材料吸波器的制作工艺流程；右图为所制作的超材料吸波器阵列的金相显微镜及扫描电子显微镜实测图。在此基础上，许教授团队还设计出顶层及中间层的金属图形都为双圆环结构的另一种新型超材料吸波器MMAs-2（见图4a）。据此，可以在厚度相同的情况下，使吸波器的THz吸收频带进一步展宽2倍、高达传统三层超材料的15倍。该结果还揭示，作者提出的使超材料频带展宽的设计新思想的合理性和可拓展性。值得提及的是，该思想还可以类似地扩展至微波、红外、可见光等其它频段的器件设计。

图4. 具有更宽THz吸收频段的超材料结构示意图(a)及各THz吸收光谱比较(b)。相关成果揭示了实现损耗集中、超薄、超宽频响应的太赫兹吸波器的一种新思路，已以“BroadbandTerahertz Near-Perfect Absorbers”（宽带太赫兹近乎完美的吸波器）为题于2020年6月11日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》[12(29): 33352-33360, 2020]上。

该工作主要由电子科技大学光电科学与工程学院的许向东教授以及其指导的黄锐、成晓梦等研究生完成，其中成晓梦博士为文章第一作者、许向东教授为通讯作者，合作者还包括美国布朗大学的Jimmy Xu教授。该工作得到了国家自然科学基金(61377063)和四川省科学技术计划(2018TZDZX0008)的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c06162

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原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1NDc0NTY4OA==&mid=2247488377&idx=1&sn=55210935066829d38b3b3770ac9a9efd&chksm=e9c1de4edeb657584f4d4816c855d01908a356d3d25d76279ca9e3c0d3d6d8a8c0c89dfe08c2#rd

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