一种太赫兹波平面吸收材料制造技术

一种太赫兹波平面吸收材料，属于电磁功能材料技术领域，涉及电磁波吸收材料。包括衬底、金属反射层、介质层和人工电磁媒质层；其中，所述金属反射层为连续金属薄膜，且位于衬底表面；所述介质层位于金属反射层和人工电磁媒质层之间；所述人工电磁媒质层由周期性排列的人工电磁媒质单元构成；每个单元为一个线宽为ｔ的金属薄膜线条形成的中心对称图形，包括中间由两个单开口金属环相向连接的电开口环共振器；还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环。本发明专利技术所提出的太赫兹波平面吸收材料具有两个强吸收频段，可以提供不同频段的选择性吸收和探测。同时可以吸收更大频谱范围的太赫兹辐射，提高了太赫兹波平面吸收材料的性能和效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁功能材料
，涉及电磁波吸收材料，尤其是太赫兹波吸收材料。
技术介绍
太赫兹(THz)波是指频率从O. ITHz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波。 该频段是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物 大分子特征谱等独特优点。THz技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数 据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。因此，THz研究 对国民经济和国家安全有重大的应用价值。 人工电磁媒质(Metamaterials)是一种人工单元按一定规律排列所构成的材料， 其中人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长是一种均匀的电磁媒质。人工 电磁媒质的优点在于可以人为地调整人工单元的结构、尺寸及分布来控制材料的电磁属 性，从而获得多种新颖的性能。组成人工电磁媒质的最常用的人工单元是开口环共振器 (Split Ring Resonator, SRR)。最基本的开口环共振器如图1所示，是一类具有单开口的 金属环，对电磁波的电场和磁场分量均有响应。由基本开口环可以构成一类对称的开口环 共振器，如图2所示，他们可以看做是两个同样的基本开口环相向或者相背连接而成，这种 开口共振环只对平面内的电场有响应，又称为电开口环共振器(eSRR). 利用人工电磁媒质可以制备如左手介质，完美透镜，隐身材料等多种新型人工材 料。2008年美国波士顿大学H. Tao等人设计了第一类基于人工电磁媒质的太赫兹波平面吸 收材料(如图3所示)。该材料具有三层结构，底层为长方形金属条，第二层为聚酰亚胺介 质层，第三层即为人工电磁媒质层。第一类吸收材料在制备过程中需要两步光刻以及对准 过程，最大吸收为70%。 H. Tao随后提出了第二类太赫兹波平面吸收材料，该结构依然是一 种三层结构，但是底层为连续金属薄膜，第二层依然为聚酰亚胺介质层，第三层人工电磁媒 质层的人工单元。第二类吸收材料在制备上只需要一道光刻步骤，简化了光刻工艺和对准 过程，因而其制备更加容易。同时，这种材料对0 50度角入射的太赫兹波的均具有90% 以上的强吸收。 三层式太赫兹平面吸收材料的吸收机理如下首先，通过设计人工电磁媒质层的 折射率n(w)和阻抗z(w)，可以在让特定频段的太赫兹波完全进入吸收材料中；其次，底层 金属平面层使得太赫兹波不能透射该材料，这样，电磁波就会限制在该材料内部直至完全 损耗，理论上可以得到接近于100%的太赫兹波吸收。这种接近完美的吸收器可以应用于太 赫兹成像探测器，无损检测，以及用于光谱学和热发射器等等。 但是目前所有的平面式太赫兹吸收材料都是单频段强响应的，即只有一个较强的 太赫兹吸收频率。实际上，具有多频段的太赫兹吸收材料具有更为重要的应用价值，比如多 频吸收材料为选择性吸收及探测太赫兹波提供了可能，同时可以吸收更大频谱范围的太赫 兹辐射，提高了吸收器的性能和效率。此外，对于毒品和爆炸物，在太赫兹波段均具有多个3特征吸收峰，因此利用多频吸收器就可以对爆炸物和毒品进行探测和成像。尽管多频段太 赫兹吸收器可以具有更丰富的应用范围，但是到目前为止尚没有任何一种多频段太赫兹吸 收材料的提出。
技术实现思路
本专利技术提供一种太赫兹波平面吸收材料，该材料具有两个吸收频段，而且每个吸 收峰均具有80%以上的吸收强度。是应用于太赫兹波辐射热测定器，太赫兹隐身技术，太赫 兹成像和光谱技术，以及太赫兹热发射器的极有潜力的新型吸收材料。 本专利技术详细技术方案为 —种太赫兹波平面吸收材料，由如图3、4所示，包括衬底、金属反射层、介质层和 人工电磁媒质层。其中，所述金属反射层为连续金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤 深度(通常在200纳米以上)，且位于衬底表面。所述介质层位于金属反射层和人工电磁媒 质层之间，通常可采用有机高分子聚合物介质材料或无机陶瓷介质材料。所述人工电磁媒 质层由周期性排列的人工电磁媒质单元构成。每个人工电磁媒质单元为一个线宽为t的金 属薄膜线条形成的中心对称图形(如图4所示)，包括中间由两个单开口金属环相向连接而 成的电开口环共振器，其中两个单开口金属环的开口相互连接，形成电开口环共振器的开 口 ；还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环。整体人工电磁媒质 单元长为b，宽为a;中间电开口环共振器的长为a，宽为1 ;中间电开口环共振器的开口与 两侧单开口金属环的开口形状相同，其开口距离为d，开口宽度为w。 与其他现有的太赫兹波吸收材料相比，本专利技术具有以下优点 1、本专利技术所提出的太赫兹波平面吸收材料具有两个强吸收频段，可以提供不同频 段的选择性吸收和探测。同时可以吸收更大频谱范围的太赫兹辐射，提高了太赫兹波平面 吸收材料的性能和效率。 2、表面阻抗匹配更加容易调节。电磁波强吸收材料的基本原理在于通过调节表面 层的阻抗与空气的阻抗匹配，降低电磁波在界面上的反射，从而使得入射电磁波可以几乎 全部进入吸收材料内部而被吸收。本专利技术所提出的太核资波平面吸收材料，器件阻抗设计 的可调节性更好，使获得接近完全吸收的太赫兹器件设计更为容易。 3、本专利技术提出的太赫兹波平面吸收材料通事具有能量转换的功能，可制作相应的 能量转换器。它首先将不同方向入射的电磁波都聚集到介质层中，尤其是聚焦到共振型金 属开口的位置并大大增强。如果将介质层材料换成其他功能材料，就可能将聚集的电磁波 转换为热能，电能等不同形式的能量。附图说明 图1两种最基本的单开口金属环共振器结构示意图。 图2由两个单开口金属环相向连接而成的一种电开口环共振器结构示意图。 图3太赫兹波平面吸收材料截面示意图。 图4本专利技术提供的太赫兹波平面吸收材料中人工电磁媒质单元结构示意图。 图5由CST电磁仿真软件对本专利技术提供的太赫兹波平面吸收材料的反射和吸收谱 的仿真结果。 图6由太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)测试的本专利技术提供的一种具体的太赫兹波平 面吸收材料的反射谱。具体实施例方式设计一个在0. 2-3THz具有两个吸收频段，吸收率均达到85%以上的太赫兹波平 面吸收材料。利用CST软件，构建如图3所示的多层结构，包括衬底、金属反射层、介质层和 人工电磁媒质层。人工电磁媒质单元结构如图4所示，为一个线宽为t的金属薄膜线条形 成的中心对称图形(如图4所示)，包括中间由两个单开口金属环相向连接而成的电开口环 共振器，其中两个单开口金属环的开口相互连接，形成电开口环共振器的开口 ；还包括两个 与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环。整体人工电磁媒质单元长为b，宽为 a ;中间电开口环共振器的长为a，宽为1 ;中间电开口环共振器的开口与两侧单开口金属环 的开口形状相同，其开口距离为d，开口宽度为w。计算所用的材料和参数包括；基片为单晶 Si片。中间隔离层采用聚酰亚胺，其e =3. 5+0.011i，y =1。金属反射层和人工电磁媒 质层均采用Au，其电导为4. 09X 107S。 通过仿真设计，得到的器件参数为(单位微米)a = 60，b= 136，d = 4，l = 28.6， t = 6，w = 14。单元整列的重复周期为140X120微米。 整体结构隔离层8微米，人工电磁媒质层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹波平面吸收材料，包括衬底、金属反射层、介质层和人工电磁媒质层；其中，所述金属反射层为连续金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度，且位于衬底表面；所述介质层位于金属反射层和人工电磁媒质层之间；其特征在于，所述人工电磁媒质层由周期性排列的人工电磁媒质单元构成；每个人工电磁媒质单元为一个线宽为ｔ的金属薄膜线条形成的中心对称图形，包括中间由两个单开口金属环相向连接而成的电开口环共振器，其中两个单开口金属环的开口相互连接，形成电开口环共振器的开口；还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环；整体人工电磁媒质单元长为ｂ，宽为ａ；中间电开口环共振器的长为ａ，宽为１；中间电开口环共振器的开口与两侧单开口金属环的开口形状相同，其开口距离为ｄ，开口宽度为ｗ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：文岐业，张怀武，杨青慧，谢云松，刘颖力，李元勋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]