畢 科，王旭瑩，蘭楚文，郝亞楠，周 濟(jì)

(1.北京郵電大學(xué)理學(xué)院，北京 100876)(2.清華大學(xué)材料學(xué)院，北京 100084)

1 前 言

超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過結(jié)構(gòu)基元的人工設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)的調(diào)控，這為電磁波的控制提供了無(wú)限遐想[1-5]。超材料設(shè)計(jì)具有很大的自由度，通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使其工作在不同的頻帶范圍。因此，超材料在射頻微波領(lǐng)域(包括吸波材料、天線等)、太赫茲領(lǐng)域(包括太赫茲傳感、探測(cè)等)、光學(xué)領(lǐng)域(包括如完美透鏡、隱身斗篷、超分辨率成像等)都有著十分廣泛的應(yīng)用前景。超材料的超常電磁特性是通過特定結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。然而超材料的結(jié)構(gòu)確定性導(dǎo)致這些電磁特性都有特定的頻帶范圍，超出這個(gè)范圍，奇異的電磁特性便會(huì)減弱甚至消失。這意味著一旦工作頻率發(fā)生改變，必須重新設(shè)計(jì)超材料的結(jié)構(gòu)才能獲得同樣的電磁特性，因而限制了其實(shí)用性。顯然，如果不用改變超材料結(jié)構(gòu)而僅僅通過改變外部場(chǎng)就可以調(diào)控超材料的性能，則將極大地增加超材料的實(shí)用性。

由某些介質(zhì)單元組成的介質(zhì)超材料的電磁參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度等外場(chǎng)具有很高的敏感度，通過合理引入外場(chǎng)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)控超材料的電磁特性，這種可調(diào)介質(zhì)超材料在現(xiàn)代通信和雷達(dá)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景，如吸波材料、微波器件、智能天線等。為了實(shí)現(xiàn)介質(zhì)超材料的可調(diào)性能，各種超材料外場(chǎng)調(diào)控方法也被廣泛研究，其中主要有磁可調(diào)[6-8]、電可調(diào)[9-11]以及溫度可調(diào)[12-14]等。作為一個(gè)典型的可調(diào)超材料，磁可調(diào)介質(zhì)超材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)可以通過外加磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。相比于其他的可調(diào)介質(zhì)超材料，磁可調(diào)介質(zhì)超材料具有更寬的調(diào)諧范圍、更快的響應(yīng)速度等優(yōu)勢(shì)[15-17]。電可調(diào)介質(zhì)超材料可以使用偏置電壓調(diào)控單元材料特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料性能的調(diào)控[18-20]。此外，溫度可調(diào)介質(zhì)超材料主要基于材料介電常數(shù)對(duì)溫度的依賴性來(lái)實(shí)現(xiàn)[21-23]。本文針對(duì)可調(diào)介質(zhì)超材料，從外場(chǎng)調(diào)控的角度對(duì)調(diào)控方法進(jìn)行分類，重點(diǎn)綜述了磁可調(diào)、電可調(diào)和溫度可調(diào)介質(zhì)超材料的主要研究進(jìn)展、相關(guān)調(diào)諧機(jī)制以及未來(lái)應(yīng)用展望。

2 磁可調(diào)介質(zhì)超材料

鐵氧體作為一種亞鐵磁性的金屬氧化物，在外加偏置磁場(chǎng)的作用下可以發(fā)生鐵磁共振，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以調(diào)控負(fù)磁導(dǎo)率出現(xiàn)的頻域，因此，鐵氧體材料已廣泛應(yīng)用于負(fù)折射超材料、超材料天線、超材料帶阻濾波器等器件[24-31]。

2.1 鐵氧體/金屬線復(fù)合結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)磁可調(diào)的負(fù)折射特性，Zhao等[24]在國(guó)際上較早提出了利用釔鐵石榴石(YIG)鐵氧體棒與金屬線復(fù)合構(gòu)成鐵氧體基超材料，其示意圖和電磁特性如圖1a和1b所示。該結(jié)構(gòu)由YIG鐵氧體和Cu金屬線組成周期陣列結(jié)構(gòu)，外加磁場(chǎng)沿著鐵氧體棒的長(zhǎng)軸方向。隨著外加磁場(chǎng)由1600 Oe增加到2300 Oe，中心頻率由8.2 GHz增加到了10.7 GHz，響應(yīng)速度達(dá)到了3.5 GHz/kOe。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶范圍內(nèi)左手通帶的動(dòng)態(tài)、連續(xù)、可逆的磁可調(diào)行為，表明通過改變外部磁場(chǎng)可方便地調(diào)節(jié)工作頻率。隨后，在上述結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步引入不同尺寸的鐵氧體實(shí)現(xiàn)了雙通帶效果[25]，其示意圖和電磁特性如圖1c和1d所示。該結(jié)構(gòu)在圖1a所示的印制電路板(printed circuit board, PCB)板兩側(cè)引入了不同尺寸的YIG片。隨著外加磁場(chǎng)由1900 Oe增加到2300 Oe，第一個(gè)通帶頻率由9.1 GHz增加到了10.2 GHz，同時(shí)，第二個(gè)通帶頻率由9.5 GHz增加到了10.6 GHz。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有磁可調(diào)特性。

圖1 YIG棒和金屬線組成的可調(diào)左手超材料示意圖(a)，復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同外加磁場(chǎng)下的實(shí)測(cè)S參數(shù)譜(b)，雙頻段負(fù)折射率鐵氧體基超材料示意圖(c)，雙頻段負(fù)折射率鐵氧體基超材料的模擬透射光譜(d)[24]Fig.1 Schematic of tunable left-handed material (LHM) consisting of YIG rods and copper wires (a), measured transmission for the combination under different applied magnetic fields (b), shematic diagram of dual-band negative refraction index (NRI) ferrite-based metamaterials (c), simulated transmission spectra for the dual-band NRI ferrite-based metamaterials (d)[24]

在一定的外加磁場(chǎng)下，鐵氧體與電磁波作用產(chǎn)生鐵磁共振，其有效磁導(dǎo)率可以表示為式(1)[26]：

(1)

(2)

(3)

其中，α是鐵磁進(jìn)動(dòng)的阻尼系數(shù)，γ是回磁比，F(xiàn)=ωm/ωr，ωm=4πMsγ，F(xiàn)是鐵氧體的特征頻率，Ms是飽和磁化強(qiáng)度。鐵磁共振頻率可以被表示為式(4)[27]：

(4)

其中，H0是外加磁場(chǎng)，Nx，Ny和Nz分別是x，y和z方向的退磁因子。由表達(dá)式(1)～式(4)可以推測(cè)出，鐵氧體的磁導(dǎo)率強(qiáng)烈依賴于共振頻率。由于存在兩種不同尺寸的鐵氧體棒，那么在兩個(gè)鐵磁共振頻率附近將會(huì)分別出現(xiàn)兩個(gè)負(fù)磁導(dǎo)率區(qū)域，在金屬線陣列提供負(fù)介電常數(shù)的情況下，形成兩個(gè)左手通帶。

鐵氧體/金屬線結(jié)構(gòu)是左手超材料中的典型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了低損耗的磁場(chǎng)可調(diào)左手特性，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單，在器件小型化方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 鐵氧體超材料濾波器結(jié)構(gòu)

利用鐵磁共振可以產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率，Bi等[28]提出了一種基于鐵氧體/鐵氧體單元的帶阻濾波器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖和電磁特性如圖2a和2b所示。該結(jié)構(gòu)由兩種僅在尺寸上存在差異的鐵氧體陣列組成，測(cè)試結(jié)果表明其具有500 MHz的-3 dB阻帶帶寬、-1.5 dB的插入損耗。在一系列的外加磁場(chǎng)作用下，阻帶中心頻率也在隨之改變，這表明了該結(jié)構(gòu)具有磁可調(diào)特性。

圖2 基于鐵氧體基超材料的可調(diào)微波帶阻濾波器示意圖(a)，磁可調(diào)微波帶阻濾波器在一系列磁場(chǎng)H0下的實(shí)測(cè)S參數(shù)譜(b)，基于鐵氧體基超材料結(jié)構(gòu)的可調(diào)微波帶通濾波器示意圖(c)，磁可調(diào)微波帶通濾波器在一系列H0下的實(shí)測(cè)透射光譜(d)[28]Fig.2 Schematic diagram of the tunable microwave bandstop filter using ferrite-based metamaterial structure (a), measured transmission spectra for the magnetically tunable microwave bandstop filter with a series of H0 (b), schematic diagram of the magnetically tunable microwave bandpass filter using ferrite-based metamaterial structure (c), measured transmission spectra for the magnetically tunable microwave bandpass filter with a series of H0 (d)[28]

此外，作者團(tuán)隊(duì)還提出了一種帶通濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩種飽和磁化強(qiáng)度不同的YIG鐵氧體陣列組成[29]，其結(jié)構(gòu)示意圖和傳輸特性如圖2c和2d所示。兩種YIG鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度分別為1200和1950 Oe，其他參數(shù)完全相同。由表達(dá)式(4)可知，鐵氧體的鐵磁共振頻率不僅受到外加磁場(chǎng)的影響，而且受到飽和磁化強(qiáng)度的影響，其隨著飽和磁化強(qiáng)度的增加而增加。因此，由于兩種鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度不同，其鐵磁共振頻率也不同，并分別對(duì)應(yīng)圖2d中的兩個(gè)分離的阻帶，在兩個(gè)阻帶中間形成了一個(gè)插入損耗約為-2 dB的通帶，該通帶的中心頻率可由外部磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控。

基于鐵氧體超材料的微波帶阻和帶通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異，為通信系統(tǒng)中的濾波器設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

2.3 鐵氧體/電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)

根據(jù)Bethe理論，電磁波無(wú)法通過刻有亞波長(zhǎng)小孔的金屬板。如果能夠設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)，可以使電磁波能夠有效穿過刻有亞波長(zhǎng)小孔的金屬板，實(shí)現(xiàn)超常透射，則有望在微波和光學(xué)器件中得到實(shí)際應(yīng)用。作者團(tuán)隊(duì)基于鐵氧體/電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了雙頻帶磁可調(diào)超常透射傳輸結(jié)構(gòu)[30]，其結(jié)構(gòu)示意圖和透射參數(shù)曲線如圖3a和3b所示。兩對(duì)電介質(zhì)立方體和鐵氧體塊對(duì)稱地放置在亞波長(zhǎng)孔徑的兩側(cè)，第一個(gè)透射通帶是由電介質(zhì)塊的Mie諧振引起的，第二個(gè)透射通帶是由鐵氧體塊的鐵磁諧振引起的。由Mie諧振產(chǎn)生的透射通帶幾乎不隨外磁場(chǎng)變化，而由鐵磁諧振產(chǎn)生的透射通帶可動(dòng)態(tài)地由外加磁場(chǎng)調(diào)節(jié)。當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到2000 Oe時(shí)，兩個(gè)透射通帶的峰值分別達(dá)到了-1.3和-2 dB。圖3c和3d更加形象地展示出電磁波通過亞波長(zhǎng)小孔的透射過程，當(dāng)沒有鐵氧體和電介質(zhì)立方體時(shí)，電磁波無(wú)法通過金屬板；當(dāng)金屬板兩側(cè)放置有鐵氧體與電介質(zhì)塊，外加磁場(chǎng)為0 Oe時(shí)，電磁波在10.76 GHz處可以傳播，這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)立方體產(chǎn)生Mie諧振，實(shí)現(xiàn)了超常透射；當(dāng)外加磁場(chǎng)為1500 Oe時(shí)，鐵氧體發(fā)生鐵磁共振，在鐵磁諧振頻率處也實(shí)現(xiàn)了超常透射傳輸，如圖3d所示。

圖3 磁可調(diào)雙頻帶透射的結(jié)構(gòu)示意圖(a)，鐵氧體電介質(zhì)諧振器在一系列磁場(chǎng)H下的實(shí)測(cè)透射光譜(b)，xy平面內(nèi)僅有孔徑和鐵氧體電介質(zhì)諧振器耦合在10.76 GHz處的模擬電能密度分布(c)，xy平面內(nèi)鐵氧體電介質(zhì)諧振器耦合在11.31 GHz處H=0和1500 Oe時(shí)的模擬電能密度分布(d)[30]Fig.3 Schematic diagram of the magnetically tunable dual-band transmission (a), measured transmission spectra for ferrites-dielectrics resonators under a series of H(b), simulated electric energy density distribution in the xy-plane for aperture-only coupling at 10.76 GHz (c), simulated electric energy density distribution in the xy-plane for resonators-resonators coupling with H=0 Oe and H=1500 Oe at 11.31 GHz (d)[30]

此外，Wang等[31]基于鐵氧體/電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了一種非互易性的Fano共振超分子結(jié)構(gòu)，其示意圖和電磁特性如圖4a和4b所示，一個(gè)電介質(zhì)塊放置在鐵氧體塊的中心之上。只有鐵氧體塊的情況下，電磁波譜中沒有觀察到明顯的損耗峰。只有介質(zhì)立方體的情況下，在14.17 GHz處顯示強(qiáng)諧振，對(duì)應(yīng)于二階Mie諧振模式。由鐵氧體和電介質(zhì)構(gòu)成的超分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的損耗峰。圖4c說(shuō)明了結(jié)構(gòu)的S21和S12光譜的大小，F(xiàn)ano型光譜形狀在S12光譜中幾乎消失，表明該系統(tǒng)在Fano共振處具有強(qiáng)的非互易性。圖4d展示了外加磁場(chǎng)對(duì)Fano共振的影響，諧振頻率隨著外加磁場(chǎng)的增加而增加，體現(xiàn)了磁可調(diào)特性。

基于鐵氧體/電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的可調(diào)超材料可以利用鐵氧體的鐵磁諧振和電介質(zhì)的Mie諧振實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性，該設(shè)計(jì)思路有望應(yīng)用于調(diào)制器和隔離器等器件。

此外，Huang等[32]還提出將鐵氧體作為基板或覆板整合到傳統(tǒng)的無(wú)源超材料吸波器(MA)中，并系統(tǒng)地分析了兩種基于鐵氧體的可調(diào)諧MA。金屬諧振環(huán)陣列蝕刻在FR4印刷電路板的一側(cè)，而金屬接地平面覆蓋在另一側(cè)。在第一種MA中，鐵氧體層插入FR4層和接地平面之間，鐵氧體和FR4層一起作為基板。在第二種MA中，鐵氧體覆蓋在無(wú)源MA上，同時(shí)用另一個(gè)FR4間隔放置在鐵氧體和無(wú)源MA之間，以避免鐵氧體和金屬諧振器之間相互作用。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，未施加磁場(chǎng)時(shí)，兩種MA都展現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸收峰，且?guī)缀鯙橥昝牢眨恢饾u增加磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，兩個(gè)MA的吸收峰值均逐漸向高頻區(qū)域移動(dòng)，且兩個(gè)MA的響應(yīng)速度分別為0.36和0.18 MHz/Oe，該結(jié)果證實(shí)了所設(shè)計(jì)的基于鐵氧體的MA具有磁可調(diào)特性。Li等[33]也對(duì)鐵氧體基超材料進(jìn)行了研究，提出了一種基于金屬/鐵氧體/金屬結(jié)構(gòu)的超材料吸波器。與普通的金屬/電介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)不同，鐵氧體的引入使得該結(jié)構(gòu)在一定的頻帶范圍內(nèi)具有可調(diào)的吸收峰。模擬結(jié)果表明，隨著外加磁場(chǎng)從10增加到2600 Oe，對(duì)應(yīng)的吸收頻率從0.2增加到7.6 GHz，且吸收峰值均在0.9以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的吸波性能，隨著外加磁場(chǎng)從600增加到1000 Oe，吸收峰從2.2增加到3.2 GHz。作者課題組也設(shè)計(jì)了一種磁可調(diào)鐵氧體基超材料完美吸波器結(jié)構(gòu)[34]，該結(jié)構(gòu)由鐵氧體棒陣列和金屬板組成，鐵氧體等間距放置在金屬板中。模擬和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了在特定磁場(chǎng)下，由鐵磁共振產(chǎn)生的吸收峰出現(xiàn)在8～12 GHz頻帶范圍內(nèi)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為2000 Oe時(shí)，吸收率達(dá)到了99.2%，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度由2000增加到2400 Oe，吸收峰由8.97移向10.02 GHz，表現(xiàn)出了磁可調(diào)行為。

圖4 超分子結(jié)構(gòu)示意圖(a)；單個(gè)電介質(zhì)立方體(藍(lán)色)、單個(gè)鐵氧體塊(綠色)、分子結(jié)構(gòu)(黑色)的實(shí)測(cè)傳輸響應(yīng)，紅色為分子結(jié)構(gòu)的模擬光譜(b)；分子結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)S21和S12光譜(c)；Fano共振頻率對(duì)外加磁場(chǎng)依賴性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(d)[31]Fig.4 Schematic diagram of the metamolecule (a); Measured transmission response of a single dielectric cube (blue), a single ferrite cuboid (green), and the metamolecule (black) (b); The simulated spectra of the metamolecule are illustrated in red color, measured S21 and S12 spectra of the metamolecule (c); Experimental results of dependence of Fano resonance frequency on the applied magnetic field (d)[31]

3 電可調(diào)介質(zhì)超材料

由于能夠與實(shí)際電子信息技術(shù)兼容，電可調(diào)介質(zhì)超材料已經(jīng)受到了材料和電子領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。根據(jù)材料的不同，本文主要介紹基于石墨烯、變?nèi)荻O管和液晶材料3類電可調(diào)介質(zhì)超材料的研究情況。

3.1 石墨烯

近年來(lái)，石墨烯由于具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)特性而受到了研究者的關(guān)注。Zhu等[35]提出了基于石墨烯周期結(jié)構(gòu)的電可調(diào)偏振器，模擬結(jié)果表明，由于石墨烯的等離子體響應(yīng)，在THz范圍內(nèi)垂直入射時(shí)，可以獲得一個(gè)0.75%TM偏振的吸收，另一個(gè)TE偏振的吸收率為99.86%。通過改變電場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，TM偏振的吸收對(duì)電場(chǎng)變化不敏感，然而，TE偏振對(duì)電場(chǎng)的變化具有很強(qiáng)的依賴性，隨著電場(chǎng)的增加，吸收頻率快速增加。

Yao等[36]設(shè)計(jì)了由石墨烯基光學(xué)天線組成的可調(diào)諧超表面，該超表面可以結(jié)合到亞波長(zhǎng)厚光學(xué)腔中，以產(chǎn)生電可調(diào)的完美吸波器。通過施加在石墨烯上的柵極電壓將吸波器切換到臨界耦合條件和從臨界耦合條件中切換出來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100%的調(diào)制深度。而且，在寬波長(zhǎng)范圍(5～7 μm)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超薄(厚度<λ0/10)高速(高達(dá)20 GHz)光學(xué)調(diào)制器。該結(jié)構(gòu)由金屬薄膜、電介質(zhì)層和石墨烯等離子結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5a所示。圖5b和5c給出了模擬和實(shí)測(cè)的反射率。根據(jù)石墨烯樣品的電傳輸特性可以確定電荷中性點(diǎn)VCNP=0 V(其中，石墨烯中的電子和空穴的濃度是相同的)和載流子遷移率，并用于獲得模擬反射率。隨著柵極電壓遠(yuǎn)離電荷中性點(diǎn)，石墨烯片中的電荷載流子濃度增加，且超表面共振頻率發(fā)生藍(lán)移，如圖5c所示。當(dāng)柵極電壓增加到40 V，實(shí)測(cè)的反射最小值出現(xiàn)在6.3 μm附近，之后隨柵極電壓進(jìn)一步增加而增加。圖5d顯示在6 μm處的調(diào)制深度超過了95%，且在5.4 μm到7.3 μm的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)超過50%。

圖5 基于可調(diào)超表面吸波器的光調(diào)制器示意圖(a)；超表面吸波器在不同柵極電壓下的反射光譜模擬結(jié)果，超表面吸波器在不同柵極電壓下的VG-VCNP(VCNP是柵極電壓)(b)；當(dāng)石墨烯片中電子和空穴的濃度相等時(shí)，VG-VCNP的反射光譜實(shí)測(cè)結(jié)果(c)；不同波長(zhǎng)下的實(shí)測(cè)調(diào)制深度和插入損耗(d)[36]Fig.5 Schematic of the ultrathin optical modulator based on a tunable metasurface absorber (a); simulation results of the reflection spectra from a fabricated metasurface absorbers for different gate voltages (b); measured reflection spectra from the metasurface absorber for different gate voltages(c) (VG-VCNP, VCNP is the gate voltage when the concentrations of electrons and holes in the graphene sheet are equal); the modulation depth achieved experimentally at different wavelength and corresponding insertion loss (d)[36]

Yao等[37]提出了基于電磁誘導(dǎo)透明石墨烯的動(dòng)態(tài)電可調(diào)寬帶超表面吸波器，該結(jié)構(gòu)由石墨烯、金屬板和SiO2隔離層組成。模擬結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)，改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，可以在寬帶吸收和窄帶吸收之間動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)工作帶寬。Wang等[38]也提出了一種與單層石墨烯集成的低成本等離子體超表面，用于動(dòng)態(tài)調(diào)制中紅外光。等離子體超表面由分裂磁共振器(MR)陣列組成。通過激發(fā)分裂MR中的磁等離子體來(lái)觀察超常光學(xué)透射(EOT)。此外，納米狹縫的引入在石墨烯層周圍提供增強(qiáng)的場(chǎng)，通過改變石墨烯的費(fèi)米能量可以對(duì)EOT進(jìn)行調(diào)諧。

基于石墨烯的電可調(diào)超材料具有極高的調(diào)制深度和調(diào)制寬度，有望在光調(diào)制和光開關(guān)中得到應(yīng)用。

3.2 變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管又稱“可變電抗二極管”，是利用PN結(jié)之間電容可變的原理制成的半導(dǎo)體器件。Zhu等[39]提出了一種將變?nèi)荻O管放置在開口諧振環(huán)開口處的電可調(diào)超材料結(jié)構(gòu)，其示意圖和電磁特性如圖6a和6b所示。該吸波器具有緊湊的平面結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化的背饋網(wǎng)絡(luò)，且被證實(shí)在5～6 GHz范圍內(nèi)具有靈活的可調(diào)性。圖6b顯示，當(dāng)電壓由0 V增加到12 V時(shí)，相應(yīng)的諧振頻率由5.18 GHz增加到5.68 GHz。在增加高于10 V的電壓時(shí)，反射光譜變化較小，因?yàn)檫M(jìn)一步增加施加電壓使得變?nèi)荻O管的電容值幾乎沒有變化。此外，當(dāng)通過提高所施加的電壓來(lái)減小電容值時(shí)，反射系數(shù)變小(從-8.90 dB到-19.57 dB)，這意味著高品質(zhì)因數(shù)吸波器的實(shí)現(xiàn)。

Fu等[40]從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了加載變?nèi)荻O管的非對(duì)稱金屬線對(duì)的電可調(diào)Fano型共振現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)示意圖和電磁特性如圖6c和6d所示。具有高品質(zhì)因子Q的Fano型透射光譜由于偶極子和四極子模式之間的耦合而出現(xiàn)。變?nèi)荻O管中串聯(lián)電阻的歐姆損耗對(duì)吸收起主要作用。在Fano型共振頻率下，兩條金屬線同時(shí)表現(xiàn)出最強(qiáng)的電共振，并且Fano型共振表現(xiàn)出大的群延遲。當(dāng)偏置電壓范圍從0至8 V變化時(shí)，F(xiàn)ano型共振頻率從3.11移向3.27 GHz，顯示出0.16 GHz的藍(lán)移，同時(shí)，較低和較高的共振頻率分別顯示出0.19和0.23 GHz的藍(lán)移，且傳輸達(dá)到了了97%的調(diào)制深度。

圖6 TE波照射下結(jié)合由變?nèi)荻O管的超材料單元結(jié)構(gòu)(a)，饋電網(wǎng)絡(luò)不同電壓下的實(shí)測(cè)和模擬反射系數(shù)(b)，非對(duì)稱金屬線對(duì)的示意圖(c)，非對(duì)稱線對(duì)在偏置電壓0到8 V范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)透射光譜(d)[39]Fig.6 Proposed unit cell with two varactors under TE wave illumination (a), measured and simulated reflection coefficients for various voltages on the feeding network (b), schematic view of the asymmetric metal wire pair (c) and transmission spectra of asymmetric wire pair acquired with experiment under the bias voltage ranging from 0 to 8 V (d)[39]

Fan等[41]提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種用于多頻電磁調(diào)制的電可調(diào)介質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括單根導(dǎo)線與成對(duì)導(dǎo)線相耦合，PIN二極管作為可調(diào)介質(zhì)加載在成對(duì)導(dǎo)線的間隙中。該超材料調(diào)制器的物理機(jī)制是通過電控制單線的電諧振模式和成對(duì)導(dǎo)線的磁諧振模式之間的耦合來(lái)操縱超材料的類EIT(electromagnetically induced transparency)光譜。通過調(diào)節(jié)成對(duì)導(dǎo)線的“開/關(guān)”狀態(tài)和磁諧振模式的諧振強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)電控電磁耦合。實(shí)驗(yàn)測(cè)量證實(shí)，通過超材料實(shí)現(xiàn)了在類EIT光譜上的3個(gè)窄帶中的電磁調(diào)制，以及高達(dá)31 dB的調(diào)制對(duì)比度。

將變?nèi)荻O管引入到超材料的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了超材料超常特性的電場(chǎng)調(diào)節(jié)，這一設(shè)計(jì)思路為超材料吸波器、調(diào)制器等器件在微波電路中實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)指引。

3.3 液晶

液晶是一種介于晶體狀態(tài)和液態(tài)狀態(tài)之間的中間物質(zhì)。通電時(shí)排列變得有秩序；不通電時(shí)排列混亂，從而表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。Zhao等[42]2007年將向列液晶(NLC)引入到電可調(diào)超材料設(shè)計(jì)。開口諧振環(huán)(SRR)陣列浸入到NLC中，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，NLC的排列趨向有序，該超材料的負(fù)磁導(dǎo)率頻域向低頻移動(dòng)。近年來(lái)，Kowerdziej等[43]同樣通過對(duì)NLC取向的電控制，在太赫茲頻率下實(shí)現(xiàn)了基于棒-開口諧振環(huán)超材料結(jié)構(gòu)的可調(diào)性。用作探測(cè)光的非偏振太赫茲電磁波通常從SRR陣列側(cè)面入射到超材料器件。為了對(duì)準(zhǔn)液晶分子，需施加調(diào)制頻率為1 kHz的電場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過將交流偏壓的幅度從0變化到300 V，可以有效地調(diào)整超材料器件的電磁參數(shù)(透射率變化高達(dá)19%)。Isic等[44]也基于NLC提出了一種電可調(diào)太赫茲超材料吸波器，其結(jié)構(gòu)示意圖和電磁特性如圖7所示。該結(jié)構(gòu)包括接地電極，該接地電極承載由聚合物膜封頂?shù)囊壕卧?，聚合物膜的作用是支撐頂部電極并將液晶封裝在器件中。將沉積在聚合物膜上的金層刻蝕成由細(xì)線連接的圓形貼片組成的三角形晶格樣式，如圖7b所示。當(dāng)沒有施加偏壓時(shí)，NLC分子沿著沉積在頂部和底部電極上的薄聚合物水平取向，因此，沿z軸的介電常數(shù)等于ε0；增加電壓時(shí)，液晶分子開始對(duì)齊z軸，介電常數(shù)增加到εe，導(dǎo)致共振紅移，如圖7c所示。圖7d中顯示出目標(biāo)頻率f0處的反射率從U=0 V時(shí)的0.4%以下上升到了U=7 V時(shí)的93%以上，對(duì)應(yīng)于23 dB以上的調(diào)制深度。p極化和s極化(電場(chǎng)分別沿著x軸和y軸)入射波的反射光譜幾乎是相同的，證實(shí)了該器件具有極化不敏感特性。

圖7 可調(diào)吸波器的橫截面視圖(a)，六角形單元格及6個(gè)最鄰近的具有可擴(kuò)展特征的結(jié)構(gòu)鳥瞰圖(b)，分別假設(shè)U=0時(shí)εLC=ε0和U>0時(shí)εLC=εe而計(jì)算得到的通過U調(diào)制的反射光譜(c)，s極化和p極化入射波在偏壓U下的可調(diào)反射光譜(d)[44]Fig.7 The proposed tunable absorber: cross section (a), bird’s-eye view of the hexagonal unit cell and its six nearest neighbors with scalable features (b), modulation of the reflectance spectra by U, calculated assuming εLC=ε0,εefor U=0 and U>0, respectively (c)， tuning the reflectance spectra with bias U for s- and p-polarized incident waves (d)[44]

Hokmabadi等[45]研究了基于各向異性液晶的可調(diào)太赫茲超材料吸波器，該結(jié)構(gòu)使用互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)作為結(jié)構(gòu)單元。CSRR和Cu背板之間填充有液晶，無(wú)需蝕刻和支撐介電層。結(jié)果表明，隨著偏置電壓從0 V增大到5 V，諧振頻率改變了5 GHz，且半峰全寬(FWHM)和吸收率分別保持在0.025 THz和90%。通過使用液晶的單軸模型模擬的吸收光譜完美匹配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并證明了液晶的有效折射率在1.5和1.7之間變化。Cao等[46]利用零折射率超材料(ZIM)和液晶設(shè)計(jì)了一種新型異質(zhì)結(jié)，其折射率取決于所施加的電場(chǎng)。通過控制施加到各向異性電介質(zhì)的直流電壓，實(shí)現(xiàn)了電調(diào)諧完美透射和接近完美反射的效果。該結(jié)構(gòu)可用作波導(dǎo)系統(tǒng)中的電可調(diào)開關(guān)，具有良好的可調(diào)性能和高靈敏度。

除了以上3種類型的電可調(diào)超材料，Li等[47]設(shè)計(jì)了一種電可調(diào)的超導(dǎo)體氮化鈮(NbN)超材料器件，并采用混合耦合模型分析了其光傳輸特性。在4.5 K、0.507 THz處的最大透射系數(shù)為0.98，當(dāng)施加的電壓增加到0.9 V時(shí)，最大透射系數(shù)降至0.19，相對(duì)透射率變化了80.6%，使得該器件成為有效的窄帶THz開關(guān)。而且，峰值頻率從0.507 THz紅移到0.425 THz，這意味著該器件可用于頻率選擇。為了實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制，Li等[48]對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種能夠動(dòng)態(tài)調(diào)制太赫茲波的電可調(diào)超導(dǎo)超材料。該結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元由方環(huán)諧振器和開口環(huán)諧振器組成，每排方形環(huán)諧振器通過連續(xù)的NbN線連接到芯片左側(cè)和右側(cè)的電極。該超材料器件傳輸窗口的最大調(diào)制深度達(dá)到了79.8%。受外部電正弦信號(hào)控制，這種器件在0.345 THz時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大約1 MHz的調(diào)制速度。

4 溫度可調(diào)介質(zhì)超材料

除了磁場(chǎng)和電場(chǎng)外，溫度場(chǎng)也是常用來(lái)調(diào)節(jié)材料和器件性能的外場(chǎng)之一。通過溫度或者說(shuō)熱量來(lái)調(diào)節(jié)超材料及其器件的性能已經(jīng)成為可調(diào)超材料的重要實(shí)現(xiàn)方式。

4.1 二氧化釩

二氧化釩(VO2)是一種具有相變性質(zhì)的金屬氧化物，它較低的相變溫度(341 K)使其在光器件、電子裝置和光電設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用潛力。Wang等[49]提出了一種基于VO2的溫度可調(diào)紅外超材料，數(shù)值模擬顯示，當(dāng)VO2是金屬時(shí)，在波長(zhǎng)10.9 μm處有寬的吸收峰，但當(dāng)VO2在341 K的相變溫度以下變?yōu)殡娊橘|(zhì)相時(shí)，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)?5.1 μm，導(dǎo)致峰值波長(zhǎng)相對(duì)移動(dòng)38.5%。其物理機(jī)制在于金屬VO2中等離子體和電介質(zhì)VO2中光學(xué)聲子產(chǎn)生的磁諧振，并由此具有不同的響應(yīng)頻率。Wen等[50]提出了一種基于VO2薄膜的混合超材料吸波器，其示意圖和電磁特性如圖8a和8b所示。從圖8a中可以看出，該結(jié)構(gòu)包括電開口諧振環(huán)(eSRR)，其中eSRR分為外部和內(nèi)部?jī)煞N結(jié)構(gòu)，VO2薄膜僅放置在內(nèi)環(huán)和基板之間。實(shí)測(cè)VO2薄膜的相變溫度為340 K，圖8b展示了混合MA在不同溫度下的吸收曲線。在室溫下，吸收峰值分別出現(xiàn)在9.36和18.6 GHz，最大吸收率為87.0%和93.0%。當(dāng)器件溫度從室溫增加到345 K時(shí)，吸收特性發(fā)生了明顯的變化。對(duì)于低頻響應(yīng)，峰值吸收率從9.36 GHz處的87.0%略微下降至9.98 GHz處的71.7%，而在高頻情況下，最大吸收率從18.6 GHz處的93.0%顯著降低至19.1 GHz處的39.4%。因此，在基于VO2的微波MA中實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波吸收的約57.6%的相對(duì)幅度調(diào)制?？紤]到頻移，該調(diào)制深度在18.6 GHz時(shí)甚至達(dá)到63.3%。

Naorem等[51]提出了VO2作為接地板的溫度可調(diào)超材料吸波器，其結(jié)構(gòu)示意圖和電磁特性曲線如圖8c和8d所示。超材料結(jié)構(gòu)單元由頂部的Au、中間的ZnS介質(zhì)層和底部的VO2接地板三層結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)VO2處于低溫電介質(zhì)狀態(tài)時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)形成金屬/電介質(zhì)/電介質(zhì)三層諧振器，此時(shí)的超材料如同一個(gè)頻率選擇表面。當(dāng)?shù)撞康腣O2被外部加熱至341 K，VO2將會(huì)轉(zhuǎn)至金屬相，此時(shí)，超材料就形成了就是典型的MA結(jié)構(gòu)，頂部的金層和底部VO2層可以同時(shí)保持電諧振和磁諧振模式。具有VO2的三層結(jié)構(gòu)超材料的實(shí)測(cè)反射率展示在圖8d中，在22.5 THz時(shí)，隨著VO2從絕緣相變?yōu)榻饘傧?，超材料從低?低于341 K)的高反射狀態(tài)切換到高溫(高于341 K)的低反射狀態(tài)。超材料結(jié)構(gòu)在313 K約為35%的反射率高于超材料結(jié)構(gòu)在353 K約為8%的反射率值。在34 THz時(shí)，它反而從低溫下的低反射率(R≈15%)切換到高溫下的高反射率狀態(tài)(R≈55%)。很顯然，將VO2與超材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超材料電磁性能的溫度可調(diào)特性，這一研究思路為新型電子、光學(xué)、熱學(xué)器件的動(dòng)態(tài)熱輻射調(diào)控提供了新的思路。

圖8 加有VO2貼片的吸波器示意圖(a)；不同溫度下的VO2基MA的實(shí)測(cè)吸收曲線(b)[50]；上部：可切換超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖，下部：在反射模式下制造的三層結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖像(c)；不同溫度下具有絕緣和金屬相的VO2超材料的實(shí)測(cè)反射率(d)[51]Fig.8 Schematic of the absorber sheet with VO2 patches (a); Measured absorption curves of the VO2-based MA with respect to the device temperature. Inset is the image of the fabricated device (b)[50]; Schematic of unit cell of a switchable metamaterial (c); Measured reflectance of the metamaterial with insulating and metallic VO2 phases at different temperatures (d)[51]

4.2 銻化銦

Zhu等[52]提出了一種由加載半導(dǎo)體銻化銦(InSb)的金屬開口諧振環(huán)陣列溫度可調(diào)超材料。隨著溫度的升高，由于InSb的介電常數(shù)對(duì)溫度具有較強(qiáng)的依賴性，因此，超材料的諧振頻率在太赫茲頻段連續(xù)可調(diào)，并且可以實(shí)現(xiàn)大約65%的諧振頻率藍(lán)移。

Li等[53]提出了一種將InSb半導(dǎo)體條嵌入到亞波長(zhǎng)金屬孔陣列的超材料濾波器結(jié)構(gòu)，其示意圖和電磁特性如圖9a和9b所示。通過控制InSb的溫度，可以調(diào)節(jié)該濾波器的諧振頻率。在160 K的低溫下，InSb顯示典型的介電特性。最大透射峰值為91.0%，F(xiàn)WHM約為235 GHz，光譜中的最大透射峰值位于0.74 THz。在290 K時(shí)，InSb具有典型的金屬特征，透射峰值移至1.71 THz，最大值減小84.5%；隨著溫度進(jìn)一步升高到350 K，透射峰值急劇地轉(zhuǎn)移到2.02 THz，最大值為89.1%。Li等[54]從理論上研究了在THz區(qū)域內(nèi)具有負(fù)折射特性的寬帶溫度可調(diào)超材料，其示意圖和電磁特性如圖9c和9d所示。在石英基板上設(shè)置兩個(gè)直立相對(duì)的L形金屬結(jié)構(gòu)，兩個(gè)L形結(jié)構(gòu)的底部間隙中填充InSb。隨著溫度的變化，間隙處的電容由于InSb性質(zhì)的變化而產(chǎn)生改變。當(dāng)溫度從250 K增加到400 K時(shí)，諧振頻率從0.45 THz藍(lán)移到1.07 THz，并且諧振頻率下的傳輸幅度從57%降低到7%。此外，當(dāng)溫度升高到400 K時(shí)，超材料在0.4～0.9 THz和1.06～1.15 THz的波段范圍內(nèi)表現(xiàn)出負(fù)折射特性。

圖9 超材料濾波器器件示意圖(a)，器件在不同溫度下的時(shí)域有限差分(FDTD)方法模擬透射率(b)[53]，所提出超材料結(jié)構(gòu)的示意圖(c)，以及在不同溫度下的THz波透射光譜(d)[54]Fig.9 Schematic view of the device (a), simulated transmission of the device at various temperatures with the FDTD method (b)[53], schematic illustration of the proposed metamaterials (c), THz wave transmission spectra at different temperatures (d)[54]

在太赫茲頻段、160 K到350 K的溫度范圍內(nèi)，InSb的復(fù)介電常數(shù)可以通過簡(jiǎn)單的Drude模型近似給出[55]：

(5)

N=5.76×1014T3/2exp(-0.26/2κBT)

(6)

其中κB是玻爾茲曼常數(shù)。溫度的變化將會(huì)導(dǎo)致載流子濃度N的變化，進(jìn)而改變了ωp。因此，在太赫茲區(qū)域的遠(yuǎn)紅外部分中，InSb的ε(ω)對(duì)溫度非常敏感。

4.3 鈦酸鍶

Zhao等[23]在2008年利用氧化鎂摻雜的鈦酸鍶鋇(Ba1-xSrxTiO3)對(duì)溫度的敏感性，制備出了溫度可調(diào)介質(zhì)超材料。隨著溫度從258 K增加到308 K，Mie諧振磁響應(yīng)頻率從13.65 GHz增加到19.28 GHz。與鈦酸鍶鋇性質(zhì)類似，鈦酸鍶(SrTiO3，STO)具有典型的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，具有介電常數(shù)高、介電損耗低等特點(diǎn)，是一種用途廣泛的電子功能陶瓷材料，并且，通過合理的摻雜工藝可以提高其溫度敏感性。近年來(lái)，Luo等[57]基于STO設(shè)計(jì)了一種熱可調(diào)雙頻段太赫茲吸波器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)嵌套的閉合方環(huán)諧振器、STO電介質(zhì)基底以及金屬層組成。結(jié)果表明，吸波器在0.096 THz和0.137 THz處具有兩個(gè)明顯的吸收峰，其峰值分別達(dá)到97%和75%。由于STO基板的介電常數(shù)隨溫度變化而改變，將吸波器從400 K冷卻到250 K時(shí)，諧振頻率大約偏移25%和27%；當(dāng)溫度冷卻到150 K時(shí)，達(dá)到了超過53%的調(diào)節(jié)變化。隨后，Luo等[58]在原來(lái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將嵌套的兩個(gè)方形環(huán)的外環(huán)削去四角，實(shí)現(xiàn)了三頻段吸波。結(jié)果表明，在0.05～0.35 THz的頻率范圍內(nèi)，吸波器在0.129、0.198和0.316 THz頻率下具有3個(gè)獨(dú)特的吸收峰，其峰值分別達(dá)到99.3%、99.1%和94.6%。通過提高溫度，吸波器的諧振頻率在太赫茲狀態(tài)下連續(xù)可調(diào)，并且當(dāng)溫度從400 K變化到200 K時(shí)，達(dá)到67.3%的寬帶調(diào)諧。

Zhao等[59]提出了一種Si/STO復(fù)合的全介質(zhì)超材料，并實(shí)驗(yàn)證明了電磁參數(shù)的溫度調(diào)節(jié)特性，其示意圖和電磁特性如圖10所示。模擬結(jié)果表明，Si/STO全電介質(zhì)超材料的第一個(gè)和第二個(gè)諧振頻率均低于沒有STO(紅色箭頭標(biāo)記)時(shí)的諧振頻率。由于STO的介電常數(shù)隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度從250增加到400 K時(shí)，第一個(gè)諧振頻率從0.657變?yōu)?.665 THz，第二個(gè)諧振頻率從0.853變?yōu)?.870 THz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度從250增加到400 K時(shí)，第一個(gè)諧振頻率從0.662變?yōu)?.695 THz，第二個(gè)諧振頻率從0.769變?yōu)?.801 THz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致，證實(shí)了所提出的超材料結(jié)構(gòu)具有溫度可調(diào)性能。

圖10 太赫茲范圍的可調(diào)Si/STO全介質(zhì)超材料(a)，可調(diào)Si/STO全介質(zhì)超材料在不同溫度下的模擬透射光譜(b)、樣品圖(c)以及可調(diào)Si/STO全介質(zhì)超材料在不同溫度下的實(shí)測(cè)透射光譜(d)[59]Fig.10 Tunable Si/STO all-dielectric metamaterial in THz ranges (a), transmission spectrum of tunable Si/STO all-dielectric metamaterial at different temperatures (b), photograph of the fabricated SAMs (c), and measured transmission spectrum of tunable Si/STO all-dielectric metamaterial at different temperatures (d)[59]

基于STO介電常數(shù)的溫度敏感特性設(shè)計(jì)的介質(zhì)超材料在太赫茲吸波器中已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，由于具有良好的溫度可調(diào)性、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，使其有望在可調(diào)太赫茲探測(cè)、傳感等器件得到應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

帶寬問題一直是限制電磁超材料推廣應(yīng)用的主要因素之一。介質(zhì)超材料的出現(xiàn)不僅僅是拓寬了超材料的設(shè)計(jì)范圍、降低了損耗，更為重要的是經(jīng)過對(duì)介質(zhì)超材料適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)超常物理特性隨外場(chǎng)可調(diào)的特性。這從一定程度上解決了超材料帶寬窄的問題，并賦予了超材料新的應(yīng)用契機(jī)。本文在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了可調(diào)介質(zhì)超材料的主要調(diào)諧方法，重點(diǎn)闡述了磁可調(diào)、電可調(diào)和溫度可調(diào)3種調(diào)諧模式的研究進(jìn)展以及相關(guān)物理機(jī)制。除了本文介紹的3種調(diào)諧機(jī)制之外，還存在如機(jī)械調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)等幾種調(diào)諧方法。但是，相對(duì)于磁可調(diào)、電可調(diào)和溫度可調(diào)方式，這幾種可調(diào)超材料較難于實(shí)現(xiàn)微波器件集成，因此，本文并沒有詳細(xì)介紹。與自然材料特性相融合的可調(diào)介質(zhì)超材料的設(shè)計(jì)思想不僅為后續(xù)超材料的設(shè)計(jì)提供新的思路，更有望在濾波器、吸波器、調(diào)制器等微波通信器件中得到廣泛的應(yīng)用。