一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法

摘要

本发明公开了一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法。本发明由多个材料单元组成，每个材料单元包括铬和光刻胶SU-8；具体的：在基底上设置有一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；材料单元周期为95μm；本发明实现了太赫兹波段的大带宽吸收效果；突破了传统超材料制作的工艺局限，完成了太赫兹波段三维人工特异介质的设计和制作。

权利要求

1.一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料，其特征在于由多个材料单元组成，每个材料单元包括铬和光刻胶SU-8；具体的：在基底上设置有一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；材料单元周期为95μm；所述的光刻胶SU-8在1THz频率附近的介电系数为2.79-0.31，金属材料铬的磁导率σ＝8×106s/m。

2.如权利要求1所述的一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料的设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.根据有效介质理论：Metamaterials的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射参数R(ω)和透射参数T(ω)取决于折射率n和波阻抗Ω，均与磁导率μ和介电系数ε相关；因此，能够通过调节Metamaterials的磁导率μ和介电系数ε来获得所需要的透射和反射效果；

通过模拟计算材料的S参数，S参数包括S21(ω)和S11(ω)，从而计算出透射参数T(ω)和反射参数R(ω)；其中T(ω)＝|S21(ω)|2,R(ω)＝|S11(ω)|2；

吸收参数A(ω)通过如下公式得到：

T(ω)+R(ω)+A(ω)＝1；

而在有金属防透射层的条件下，透射参数T(ω)为0，即：

A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11(ω)|2；

吸收参数A(ω)能通过调节磁导率μ和介电系数ε来调制的；Metamaterials能通过调节微结构的形状和尺寸来确定其在某个频率下磁导率μ和介电系数ε的；

步骤2.制作材料，具体如下：

在基底上溅射一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；每层光刻胶SU-8通过旋涂制作和加热固化完成，每层铬的方块阵列通过光刻和溅射剥离完成；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm、66μm、

62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm。

说明书

一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于太赫兹波段无线能量传输领域,尤其涉及一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法。

背景技术

[0002] 太赫兹波指的是频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波，波长约在0.03mm到3mm之间，介于微波与红外波之间。THz波具有很多微波和光波不具备的特点，例如THz光子能量低，只有几个电子伏特，不会对检测物质造成破坏；大多非金属非极性材料对THz射线吸收较小，使得它可以用于检测材料内部信息；THz脉冲源只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带能覆盖GHz到几十THz的范围，很多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体、超导材料等的声子振动能级都在THz的波段范围内。目前大多通过想干探测技术获得THz的实时功率，由于THz脉冲有很高的峰值功率，在时域光谱系统中具有很高的信噪比。由于具备上述优势，太赫兹技术可在安检、传感和成像等领域发挥巨大的作用，近年来受到了研究者们的高度关注，许多工作在太赫兹波段的新器件也应运而生。

[0003] 吸波材料是可以对某一频率或频段电磁波有强烈吸收的材料，可以用于太阳能采集或屏蔽某一特定波长或波段，应用范围广泛。已经有科学家设计出了利用超材料在太赫兹波段多角度高效窄带吸收的材料，但是受限于三维超材料的制作难度，二维超材料只能实现窄带吸收，无法实现宽带吸波的效果。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有材料不能实现太赫兹波段大宽带吸收的缺陷，提供一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法。

[0005] 一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料，由多个材料单元组成，每个材料单元包括铬和光刻胶SU-8；具体的：在基底上设置有一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；材料单元周期为95μm；

[0006] 所述的光刻胶光刻胶SU8在1THz频率附近的介电系数约为2.79-0.31i，金属材料铬（chromium）的磁导率σ=8×106 s/m。

[0007] 一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料的设计方法，具体包括如下步骤：

[0008] 步骤1.根据有效介质理论：Metamaterials（MMs）的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Ω ，均与磁导率μ和介电系数ε相关。因此，能够通过调节MMs的磁导率μ和介电系数ε来获得所需要的透射和反射效果。

[0009] 通过模拟计算材料的S参数，包括 和 ，从而计算出透射参数和反射参数 ；其中

[0010] ，

[0011] 吸收参数 通过如下公式得到：

[0012] 。

[0013] 而在有金属防透射层的条件下，透射系数 为0，即：

[0014] 。

[0015] 因此，吸收系数 能通过调节磁导率μ和介电系数ε来调制的。Metamaterials能通过调节微结构的形状和尺寸来确定其在某个频率下磁导率μ和介电系数ε的，因此在一定频率下可以实现对吸收系数 的调制。

[0016] 步骤2.制作材料，具体如下：

[0017] 在基底上溅射一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬膜的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；每层光刻胶SU-8通过旋涂制作和加热固化完成，每层铬膜的方块阵列通过光刻和溅射剥离完成；所述的铬膜的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm 、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；

[0018] 已有实验证明，单层的金属膜结构能够实现某一个频率的高吸收，通过调节金属膜结构的尺寸和周期可以调制吸收的频率，模拟设计中的金字塔形的金属膜结构从上到下尺寸渐变，它们的吸收频率邻近，叠加可以实现大宽带的高效吸收。

[0019] 本发明有益效果如下：

[0020] （1）本发明能够实现太赫兹波段下的大宽带吸收。以往太赫兹波段的吸收材料常常是窄带的，目前效果最好的宽带吸波材料的半峰全宽系数（FWHM）也只有55%，本发明对这一参数做了很大的提高，其半峰全宽系数（FWHM）超过了100%。

[0021] （2）本发明中的设计方法能够实现可调的宽带吸收效果。通过调节微结构的尺寸和周期，每个结构对应的吸收频率也会发生变化，依照本发明的设计方法，可以设计出不同频率下的宽带吸收材料。

[0022] （3）本发明中设计的吸波材料具有超薄的特点。1THz的电磁波波长约为300μm，而本发明中设计的吸波材料总厚度约为21μm，其厚度不到对应波长的十分之一。

附图说明

[0023] 图1为太赫兹宽带吸波材料的模拟俯视图（2*2单元示意图）。

[0024] 图2为单个太赫兹吸波材料单元的剖面图，其中黑色部分为金属结构，金属结构间的白色部分为光刻胶SU-8。

[0025] 图3为材料单元在模拟软件（CST Microwave studio）中不同入射角下的TE模式模拟吸收谱。

[0026] 图4为材料单元在模拟软件（CST Microwave studio）中不同入射角下的TM模式模拟吸收谱。

[0027] 图5为单层金属结构对某一固定频率（0.8THz）的吸收情况，红线和蓝线分别表示模拟和实际测量的吸收率。

[0028] 图6为模拟中不同频率下，电场和磁场在单元结构中的分布示意图。

[0029] 图7为实验样品在不同入射角度下的吸收谱。

[0030] 图8为样品在显微镜下的观测图，其中右图上下分别为焦面在顶层结构和底层结构时的图像。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0032] 如图1、图2 所示，一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料，由多个材料单元组成，每个材料单元包括铬和光刻胶SU-8；具体的：在基底上设置有一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；材料单元周期为95μm；

[0033] 所述的光刻胶光刻胶SU-8在1THz频率附近的介电系数约为2.79-0.31i，金属材料铬（chromium）的磁导率σ=8×106 s/m。

[0034] 一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料的设计方法，具体包括如下步骤：

[0035] 步骤1.根据有效介质理论：Metamaterials（MMs）的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Ω ，均与磁导率μ和介电系数ε相关。因此，能够通过调节MMs的磁导率μ和介电系数ε来获得所需要的透射和反射效果。

[0036] 通过模拟计算材料的S参数，包括  和  ，从而计算出透射参数和反射参数 ；其中

[0037] ，

[0038] 吸收参数 通过如下公式得到：

[0039] 。

[0040] 而在有金属防透射层的条件下，透射系数 为0，即：

[0041] 。

[0042] 因此，吸收系数 能通过调节磁导率μ和介电系数ε来调制的。Metamaterials能通过调节微结构的形状和尺寸来确定其在某个频率下磁导率μ和介电系数ε的，因此在一定频率下可以实现对吸收系数 的调制。

[0043] 步骤2.制作材料，具体如下：

[0044] 在基底上溅射一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；每层光刻胶SU-8通过旋涂制作和加热固化完成，每层铬的方块阵列通过光刻和溅射剥离完成；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm 、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；

[0045] 已有实验证明，单层的金属膜结构能够实现某一个频率的高吸收，通过调节金属膜结构的尺寸和周期可以调制吸收的频率，模拟设计中的金字塔形的金属膜结构从上到下尺寸渐变，它们的吸收频率邻近，叠加可以实现大宽带的高效吸收。如附图3、图4所示，单层的金属膜结构在模拟软件CST microwave studio下模拟，可以实现在0.9到1.6THz之间达到80%以上的吸收率。

[0046] 参看附图3、图4，对比TE及TM波在多角度入射时吸收强度，可以发现，本发明中设计的吸波结构不依赖入射角度和模式，最大入射角达到70度的时候，依然可以保持高吸收率和大带宽。

[0047] 实验样品在硅片（在太赫兹波段透明）上通过旋涂介质和制作金属微结构完成，材料厚度约21μm，小于1THz频率电磁波波长（300μm）的十分之一。

[0048] 实际测量结果：在中心波长，垂直入射时反射率≤-15 dB，垂直入射时吸收谱的FWHM（半峰全宽）达到100%（相对于中心波长），在0.7THz到2.3THz的频段实现了80%以上的吸收。受限于太赫兹时域系统的测量角度，样品的斜入射吸收率测量只进行到40度，在0到40度的不同角度入射情况下，样品都保持了很高的吸收带宽，且不同角度斜入射时的吸收率和垂直入射相当。

[0049] 实验设计并成功制作了太赫兹波段的宽带吸波材料，不但在设计上获得了大宽带的吸波效果，还突破了MMs微纳加工工艺的瓶颈，实现了太赫兹波段三维MMs的制备。

[0050] 实施例1

[0051] 宽带高性能人工太赫兹吸波材料的吸波效果

[0052] 根据上述设计方法，在硅片上完成了样品的制作，参看附图6、图7和图8，套刻精度较好，通过调节显微镜的焦距可以看出不同尺寸的金属结构位于不同的高度，且层与层的结构基本处在同一位置，基本可以达到设计中的金字塔的效果。

[0053] 样品在太赫兹时域系统（TDS Zomega-Z3）下的吸波性能测试结果如例图5，在0.7THz到2.3THz的频段实现了80%以上的吸收，在中心波长，垂直入射时反射率≤-15 dB，垂直入射时吸收谱的FWHM（半峰全宽）达到100%（相对于中心波长），在0到40度的入射角下都可以保持很高的吸收带宽，性能与垂直入射相当。

[0054] 此外，通过改变单元周期和金属结构的尺寸，对应的吸收频率也可以得到调节。也就是说，本发明中的设计方法不但可以实现样品已有的大带宽吸收效果，还可以通过改变参数来获得其他频率电磁波的宽带高性能吸收。