CN102820512B - 可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可用于实现太赫兹特异介质的三种电磁谐振单元结构及方法，其特征在于所述的单元结构为SR1、SR2和SR3中的任一种；其中，SR1由一个“工”字形封闭的金属环组成；SR2是在两个嵌套的闭合金属环之间加两个“T”形金属条组成；SR3将两个开口金属环用金属条相连，内环与相邻单元的外环相连。在砷化镓衬底上，按一定的尺寸分别周期性的排列本发明涉及的三种以金属金为材料的微米级电磁谐振单元，金属金和衬底之间连接采用肖特基接触，使得物质的性质由周期性排列的电磁谐振单元决定，当太赫兹电磁波垂直入射时，介质表现出负的介电常数或磁导率，从而得到三种可用于太赫兹波段的特异介质。从而成功的实现太赫兹特异介质，结构简单，制作成本低，具有宽频带的优点，可有效地应用于太赫兹功能器件的设计。

Description

可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构及方法

技术领域

本发明涉及可用于实现太赫兹波段的特异介质的三种电磁谐振单元的亚波长结构及方法，属于太赫兹特异介质领域。 

背景技术

按照国际通行定义：特异介质的特殊性就在于——它的性质不是由它的化学组成而决定，而是由它的亚波长结构决定（Metamaterials are materials which owe their properties to sub-wavelength details of structure rather than to their chemical composition。）所述的亚波长结构通常是周期排列的谐振结构。特异介质有三个重要特征：具有新奇的人工结构；具有超常的物理性质（负介电常数、负磁导率、负折射率等）；其性质决定于其中的人工结构而与材料的本征性质无关。 

因此，特异介质是一种特殊的人造结构，并不存在于自然界中。也正因为特异介质的特殊性，它表现出很多不同于通常介质的特殊性能。通常介质的介电常数ε和磁导率μ都大于等于1，但是特异介质的介电常数ε和磁导率μ却能够小于1甚至小于0。按照ε和μ所在区间，能进一步把特异介质分为隐形介质（ε或μ小于1）和手性介质（ε或μ小于0）。 

通过在材料的关键尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。由于介电常数和磁导率可以为负值，特异介质具有很多反常的奇特性能，如负折射率效应、逆Doppler效应、逆Cerenkov效应，可用于制作超级透镜、隐身衣、天线罩以及各种微波毫米波功能器件。 

早在1968年，俄罗斯科学家Veselago就提出了负介电常数和负磁导率的假想，并从理论上论证了特异介质的存在。然而，由于缺乏存在天然的特异介质，Veselago的工作在当时并没有引起人们的重视。直到1996年，Pendry等人提出利用金属线周期结构获得负介电常数材料的构想。该结构的等效介 电特征类似于等离子体，其等效等离子体频率在GHz范围内，在低于等离子体频率时，金属线阵列的等效介电常数为负值。1999年，英国物理学家Pendry等人又提出利用开口谐振环阵列（SRRs）可以实现负的磁导率。2000年，Smith等人在微波频段制作出开口谐振环和金属线复合结构构成左手材料（介电常数和磁导率都为负值）。 

近年来，在微波毫米波频段，各种特异介质的设计层出不穷。而长期以来，在太赫兹波段，天然材料表现出较弱的电磁响应，一些功能器件（如滤波器、调制器、移相器和智能开关等）的设计遇到了很大的困难，相对于各种有源和无源器件发展较好的微波毫米波而言，太赫兹领域的技术相对落后。由于特异介质的特殊性能，近年来关于太赫兹特异介质的实现和应用开始引起人们的注意。2004年Science杂志上报道了T.J.Yen等人首次实现了由两个开口谐振环周期性排列组成的太赫兹波段的特异介质。 

在现有技术的基础上，本发明拟提出可实现太赫兹特异介质的三种电磁谐振单元结构及方法，所述的三种单频点特异介质（SR1、SR2、SR3）。具有结构简单、制作成本低、频带宽的优点。可用于实现太赫兹波段各种功能器件（滤波器、移相器、调制器、智能开关等）的设计。 

发明内容

本发明的目的在于提出可用于实现太赫兹特异介质的三种电磁谐振单元结构及方法。 

本发明所述的可用于实现太赫兹特异介质的三种电磁谐振单元结构如图1所示，第一种单元结构SR1由一个“工”字形封闭的金属环组成，位于两侧的长方形结构表现出电感特性，连接两侧长方形结构的平行金属可表现出电容特性；第二种单元结构SR2是在两个嵌套的闭合金属环之间加两个“T”形金属条组成，两个闭合金属环可表现出电感特性，“T”形金属条的一端和内部闭合金属环的一边可表现出电容特性；第三种单元结构SR3将两个开口金属环用金属条相连，内环与相邻单元的外环相连，开口环的裂口处可表现为电容特性，其他部分可表现为电感特性，内环与相邻单元的外环连接可增强电磁相互作用。在和太赫兹波发生相互作用的时候，在特征金属单元结构上感应出电流，等效的电感、电容发生LC谐振。当谐振单元结构的特征尺寸 和工作波长相当或更小时，通过适当的结构设计，可以使谐振单元和电磁波发生强烈的相互作用。通过改变电磁谐振单元尺寸的大小可以改变发生谐振的频点以及谐振类型（电谐振和磁谐振）。三个电磁谐振单元尺寸在60μm~120μm之间，经周期性排列后得到的样品尺寸为2mm×2mm。当太赫兹电磁波垂直入射时，三种单元结构表现出负的介电常数或负的磁导率，从而得到三种可用于太赫兹波段的特异介质。 

本发明所述的单元结构是在砷化镓（GaAs）衬底上，按一定的尺寸分别周期性排列SR1、SR2和SR3三种以金属为材料的微米级电磁谐振单元，具体是电磁谐振单元周期性的排列在厚度为50-600μm的砷化镓（GaAs）衬底上，谐振单元采用钛/铂/金层金实现，其中金属钛层厚度为5-30nm、金属铂层厚度为5-30nm、金属金层厚度为200-400nm。电磁谐振单元与衬底形成肖特基接触。 

通过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真，并在太赫兹时域光谱（THz-TDS）实验装置上对样品进行测试，实现并验证了三种单频太赫兹波段的特异介质。 

本发明的优点在于：采用本发明提出的三种电磁谐振结构单元，可以成功实现THz波段的特异介质，并且具有结构简单、成本低、频带宽等优点。 

附图说明

图1为本发明提供的三种电磁谐振单元结构示意图； 

图2为使用本发明的工艺方法实现样品局部图； 

图3为本发明单频带样品（SR1、SR2、SR3）对太赫兹波的透射率示意图； 

图4为本发明单频点试样的介电常数示意图，曲线1表示介电常数实部，曲线2表示介电常数虚部。 

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式。 

图1为本发明提供的三种电磁谐振单元结构示意图。 

图2为用扫描电镜拍摄的各个电磁谐振单元周期性排列的样品局部图， 三个电磁谐振单元大小在60μm~120μm之间，经周期性排列后得到的实际样品大小为2mm×2mm。利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）实验装置将在砷化镓工艺线上实现的样品进行测试，验证其物理特性。 

图3分别为单频带样品对THz波的透射率示意图。可以看出SR1、SR2、SR3对THz波各有一个透射禁带。其中SR1透射禁带在0.73THz附近；SR2透射禁带在0.53附近；SR3透射禁带在0.55THz和0.8THz附近各有一个窄带透射禁区。 

电磁波的传播应满足色散方程： 

k²=ω²εμ 

其中k为波矢，ω为角频率，ε和μ分别表示相对介电常数和相对磁导率。当εμ<0时， 电磁波将指数衰减而不能传播。表现出特异介质特性的频段，将会出现电磁波传输禁带，因此可通过实验得到传输禁带，验证特异介质特性。根据Smith等人的研究，均质介质中S参数与阻抗z，折射系数n关系式可用下式表示： 

$S_{21}=S_{12}=\frac{1}{\cos \left(\mathrm{nkd}\right)-\frac{i}{2}(z+\frac{1}{z})\sin \left(\mathrm{nkd}\right)}$

$S_{11}=S_{22}=\frac{i}{2}(\frac{1}{z}-z)\sin \left(\mathrm{nkd}\right)$

由以上两式，可得到： 

$n=\frac{1}{\mathrm{kd}}{\cos }^{-1}\left[\frac{1}{{2S}_{21}}(1-S_{11}^2+S_{21}^2)\right]$

$z=\sqrt{\frac{{(1+S_{11})}^2-{S^2}_{21}}{{(1-S_{11})}^2+{S^2}_{21}}}$

于是可得到： 

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{n}{z}={\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}+i{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;},$ μ=nz=μ′+iμ" 

其中S₂₁、S₁₂表示两个端口之间的投射，S₁₁和S₂₂表示两端口的反射，ε为介电常数实部、ε″为介电常数虚部、μ′为磁导率实部、μ″为磁导率虚部，d为特异介质在电磁波传播方向上的尺寸。 

利用THz-TDS实验装置可以得到太赫兹波透过样品的时域信号，利用傅里叶变换可将时域信号转换成频域信号，利用Matlab工具按公式计算可得到 有效介电常数和磁导率。 

图4显示了各个样品的相关有效介质参数，在各自谐振的频段实现了负介电常数实部，与图3所示的相应的透射禁带相对应，从而验证并实现了THz波段的特异介质（Metamaterials）。SR1单元结构在0.73THz附近与THz波发生强烈磁谐振，在频率范围0.715THz~0.835THz实现负介电常数（ε′<0）。SR2单元结构在0.5THz附近与THz波发生强烈的电谐振，在频率范围0.522THz~0.61THz实现了负介电常数（ε′<0）。SR3单元结构均在0.55THz和0.8THz附近与THz波发生强烈的电谐振，在频率范围0.529THz~0.745THz和0.788~0.88THz实现了负介电常数（ε′<0）。 

由此可见，采用本发明提出的三种电磁谐振结构单元，可以实现THz波段的特异介质，并且具有结构简单、成本低、频带宽等优点。 

Claims (2)

1.可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构，所述的单元结构为SR1、SR2和SR3中的任一种；其中，SR1由一个“工”字形封闭的金属环组成；SR2是在两个嵌套的闭合金属环之间加两个“T”形金属条组成；SR3将两个开口金属环用金属条相连，内环与相邻单元的外环相连，

其特征在于SR1、SR2、SR3单元结构对THz各有一个透射禁带，其中，

①SR1单元结构的透射禁带在0.73THz；SR1单元结构中位于两侧结构表现出电感特性，连接两侧结构的平行金属表现出电容特性；

②SR2单元结构的透射禁带在0.53THz；SR2单元结构中两个闭合金属换表现出电感特性，“T”形金属条的一段和内部闭合金属环的一边表现出电容特性；

③SR3单元结构的透射禁带在0.55THz和0.8THz处各有一个窄带透射禁区；SR3单元结构开口环的裂口处表现为电容特性，其他部位表现为电感；

所述的SR1、SR2和SR3分别为第一单频结构、第二单频结构和第三单频结构。

2.按权利要求1所述的单元结构，其特征在于SR1单元结构在0.73THz处与THz波发生强烈磁谐振，在频率范围0.715THz～0.835THz实现负介电常数；SR2单元结构在0.5THz处与THz波发生强烈的电谐振，在频率范围0.522THz～0.61THz实现了负介电常数；SR3单元结构在0.55THz和0.8THz处与THz波发生强烈的电谐振，在频率范围0.529THz～0.745THz和0.788～0.88THz实现了负介电常数。