杜永好，曹曙樺，王 琦，張大偉

（1．上海理工大學 教育部光學儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093；2．上海理工大學 上海市現(xiàn)代光學系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093）

引 言

超材料奇異的電磁性質，使其在光學材料、雷達和隱身材料[1]等方面存在著廣泛的應用前景。而基于電磁超材料設計的超材料完美吸波器(PMA)是指能對位于工作波長的電磁波進行有效吸收的器件，它不僅可以應用于國防防御體系中，也可以應用到我們的日常生活中，為我們的生活提供極大的便利。超材料完美吸波器一般采用經(jīng)典的三層結構[2]，頂層為周期性金屬結構，中間層為具有一定厚度的電介質或者絕緣體材料，底層采用厚度遠大于電磁波在金屬中趨膚深度的連續(xù)金屬膜，可以起到阻擋電磁波透射的作用。通過合理優(yōu)化結構參數(shù)，可以實現(xiàn)器件工作波長的改變和吸收參數(shù)的調節(jié)。這樣優(yōu)異的特性可以使超材料完美吸波器在生物傳感器[3]、濾波器[4]、太陽能光伏[5]和光電檢測等領域得到很好的應用和發(fā)展。從電磁波吸收頻帶來看，PMA可以分為窄帶吸收和寬帶吸收，另外還有單頻帶、雙頻帶、多頻帶等多種電磁波吸收模式。從偏振敏感情況來看，可以分為入射角偏振敏感和入射角偏振不敏感PMA。本文主要對PMA的研究與發(fā)展歷程、結構特征、性能特點等進行了分類綜述，并探討了PMA發(fā)展趨勢、應用前景以及目前亟需解決的問題。

1 PMA 的研究歷程

完美吸波器的概念最早是由Landy等[6]在2008年提出來的，經(jīng)過理論和實驗研究后發(fā)現(xiàn)PMA可以完全吸收輻射到其表面的電磁波的電場分量和磁場分量，這種吸波器可以達到近100%的吸收，因此受到廣泛的關注。此后隨著國內外研究的不斷深入，PMA得到迅速的發(fā)展，從最初的單頻吸波器到雙頻吸波器[7]再到多頻吸波器[8]，由偏振敏感PMA到后來的偏振不敏感PMA[9]。過去的幾年中，由于生物傳感和化學探測的需求，中紅外吸波器的發(fā)展及應用研究得到了大家的高度重視。

1.1 單頻 PMA

常見的單頻PMA結構一般都是典型的“金屬圖案層—介質層—金屬平面層”三層三明治結構。2008年Tao等[10]利用表面微加工工藝制作的PMA在1.3 THz處可以達到70%的吸收。隨后該課題組通過優(yōu)化設計證明該結構可以在很寬的入射角范圍內對TE和TM波都有很好的吸收效果，并且在1.6 THz頻率處吸收率達到了97%[11]，如圖1所示。與之前的結構相比，不僅大幅提高了吸收率，制作工藝也相對簡單。

2016年，密歇根大學的Chang等[12]提出了基于光子超晶體的導模共振效應的PMA。結構如圖2(a)所示，由光子超晶體、介質層和金屬反射層組成。研究發(fā)現(xiàn)在TM偏振、正入射的情況下，在12.62 μm波長處可以達到99.97%的吸收，如圖2(b)所示。由于光子超晶體實際上可以看作一個超表面，所以該PMA可以等效看作Salisbury 屏。該結構的PMA可以和石墨烯結合制成光調制器，也可以用于增強石墨烯的光吸收，應用于石墨烯探測器等領域。

圖1 Tao 等[10]提出的 PMAFig.1 The PMA proposed by Tao et al[10]

圖2 Chang 等[12]提出的結構Fig.2 The structure proposed by Chang et al[12]

1.2 雙頻 PMA

2010年，Tao等[13]將兩個電場耦合諧振器(ELC)組合在一起，設計出一種雙頻吸波器，結構如圖3(a)所示，在理論計算中該PMA在1.4 THz和2.9 THz處達到了完美吸收。吸收譜圖如圖3(b)所示。通過實驗制備樣品后發(fā)現(xiàn)在1.41 THz處可以達到85%的吸收率，在3.02 THz處可以達到94%的吸收率。哈爾濱工業(yè)大學Bai等[14]提出了一種結構簡單的寬角度、極化不敏感的雙頻紅外PMA。該PMA比以前的PMA結構更簡單，制備程序也相對簡化。該團隊設計的PMA結構為三層結構，底層為基板，中間層為SiC介質層，上層為雙L形的金結構。他們的一組模擬計算結果顯示，在方位角φ=0°、入射角θ=45°時，在TE波模式下，該PMA在5.86 μm處的吸收率可以達到99.98%，在7.54 μm處吸收率可以達到99.96%；在TM波模式下，該PMA在6.03 μm處的吸收率可以達到98.34%，在7.59 μm處的吸收率可以達到98.9%，該PMA顯示出良好的偏振不敏感性能。該團隊利用電子束光刻技術(ELB)和金屬剝離的方法制備了該PMA。

圖3 Tao 等[13]提出的 PMAFig.3 The PMA proposed by Tao et al[13]

1.3 多頻 PMA

2013年Zhang等[15]通過使用多重正方形金屬等離激元結構，實驗證明可以實現(xiàn)多波段處近乎完美的紅外光吸收。在兩個獨立波長的雙波長PMA中可以實現(xiàn)在3.49 μm處99.4%和4.87 μm處98.8%的吸收；在三波長的PMA中可以實現(xiàn)超過92.5%的吸收。實驗結果表明該PMA的峰值吸收波長主要由正方形金屬的尺寸大小決定。該三波長PMA的結構及吸收光譜圖如圖4所示。2013年，Hu等[16]設計出一種極化不敏感、高吸收的四頻段的太赫茲波PMA。該吸波器的結構由金屬薄膜層、第一介質層、金屬十字架、第二介質層和金屬諧振器共五層結構組成。仿真結果顯示在0.68，1.27，2.21，3.05 THz四個頻段處其吸收率分別達到了98%，97%，98%，97%。該PMA在太赫茲頻率選擇性檢測、太赫茲傳感以及太赫茲熱成像等方面具有一定的應用價值，但是其制造加工有一定的難度。

圖4 Zhang 等[15]提出的多頻 PMAFig.4 The multi-frequency PMA proposed by Zhang et al[15]

2016年，江西師范大學Liu等[17]提出基于與金屬基板耦合的三層電介質超材料結構的PMA，在可見光波段范圍內可以實現(xiàn)四個吸收帶，其最大的吸收率可以達到98.9%，窄帶寬為2 nm。該PMA實現(xiàn)了近乎完美的偏振無關以及入射角不敏感多頻帶吸收，這些發(fā)現(xiàn)為多波段光吸收體和高集成度光電子器件的應用鋪平了道路。

1.4 寬頻帶 PMA

相對于窄帶寬PMA的應用，寬頻帶PMA的應用范圍更加廣泛。利用有效的方法實現(xiàn)寬頻吸收是當前PMA發(fā)展亟需解決的問題之一。

2010年，北京工業(yè)大學趙曉鵬課題組設計出一種基于樹枝型結構的寬頻帶PMA[18]，該結構由雙層六邊形密排的樹枝型結構、兩塊介質基板和金屬底板組成。通過改變樹枝結構的排布方式并調節(jié)幾何參數(shù)可以在工作波段內實現(xiàn)三個吸收峰，實驗測得在9.79～11.72 GHz頻率范圍內的吸收率大于90%。

2012年，Cui等[19]提出了一種鋸齒狀的非均質寬頻帶PMA，如圖5(a)所示，其中P=800 nm，T=1000 nm，Ws=150 nm，W1=600 nm，td=35 nm，tm=15 nm；通過疊加20層的金屬—電介質單元層得到了紅外波段較寬的吸收譜，吸收率大于95%的譜線覆蓋了3～3.5 μm的波長范圍，其半峰全寬(FWHM)約為吸收譜線的86%，如圖5(b)所示，而且該吸波器還具有寬入射角的特點。但是缺點也很明顯，在加工上存在很大的難度，在實驗室不容易實現(xiàn)，同時該結構對偏振角敏感。在此基礎上Liang等改進了該吸波器，采用二維錐形結構實現(xiàn)在0.2～2.6 μm波段的寬頻吸收。該器件具有寬頻帶、寬角度、偏振不敏感等特點，可以應用于太陽能光伏領域。

2017年上海交通大學Wang等[20]提出了一種基于雙曲超材料Bi2Te3的金字塔形納米結構陣列的PMA，如圖6(a)所示，其中w1=4 nm，w2=200 nm，Λ=200 nm，H=3000 nm，h=100 nm；該結構是浸入水中的。通過理論分析可知該吸收體可以對300～2400 nm寬波長范圍內的太陽光達到接近100%的吸收。吸收譜如圖6(b)所示。該種結構的PMA可以應用于水或者水溶液的光熱轉化中太陽能的有效利用。

圖5 Cui等[19] 提出的 PMAFig.5 The PMA proposed by Cui et al[19]

1.5 光調控 PMA

2011年，Chowdhury等[21]在開環(huán)諧振器(SRR)的狹縫中嵌入硅片，基底材料為藍寶石，如圖7所示。入射的太赫茲波偏振方向與開口狹縫平行，當沒有泵浦光照射器件表面時，太赫茲透射譜在0.6 THz和1.76 THz處分別出現(xiàn)基模LC諧振和三階偶極共振。當泵浦光照射到器件表面并且能量逐漸增加時，狹縫內的硅片由于導電損耗的增加導致LC諧振和三階偶極共振強度逐漸減弱，而且諧振頻率發(fā)生紅移。當泵浦光的能量增加至1200 mW時，原始的兩處諧振消失，在1.28 THz處出現(xiàn)一個新的諧振。

圖6 Wang 等[20]提出的吸波器Fig.6 The PMA proposed by Wang et al[20]

圖7 Chowdhury 等[21]提出的可調諧 PMAFig.7 The tunable PMA proposed by Chowdhury et al[21]

1.6 溫度調控 PMA

一些半導體、金屬氧化物、相變材料和超導體的光學響應對溫度的變化很敏感，所以將這些材料應用于PMA的設計可以實現(xiàn)對太赫茲波的溫度調控。

2011年，Zhu等[22]設計出一種三層結構的PMA，頂層為200 nm厚Au雙開口諧振環(huán)，底層是200 nm厚的Au基板。中間介質層是對溫度敏感的60 μm厚的銻化銦(InSb)材料。此外，2015年，Du等[23]設計的PMA以Si3N4為基底層，VO2和Si作為中間介質層，半徑為530 nm的Au圓盤陣列為頂層超表面層，整個PMA的厚度僅為185 nm，結構如圖8所示。主要工作于中遠紅外頻段。該PMA可以應用于紅外熱成像、環(huán)境檢測等領域，推動了PMA走向商業(yè)化應用。

圖8 Du 等[23] 提出的 PMAFig.8 The PMA proposed by Du et al[23]

2 PMA 工作原理

目前主流PMA 的設計思路都是要盡量減小電磁波的反射和透射，增加電磁波在超材料內的吸收。PMA的典型結構一般包括三層，為金屬—電介質—金屬(MDM)。在該結構中，每一層都會參與電磁波的吸收，只是不同層起的作用不同。對于電磁吸波材料而言，電磁波的吸收性能由該材料的反射率R(w)和透射率T(w)決定，因此，材料的吸收率可以表示為A(w)=1-R(w)-T(w)，要想得到超材料吸波器的完美吸收，就要使R(w)和T(w)接近于0。研究PMA的吸波性能時一般需要考慮其阻抗匹配特性和衰減特性。阻抗匹配特性指的是利用特殊的微結構陣列，使入射電磁波在超材料的表面形成最小反射，進而更多地進入材料內部。衰減特性是指通過提高介質材料電磁參數(shù)的虛部來耗損更多的入射電磁波。

表面等離子體激元(SPP)是光和金屬表面的自由電子相互作用引起的一種電磁模式，或者說是局域在金屬表面的一種自由電子和光子相互作用形成的混合激發(fā)態(tài)[24]。目前許多吸波器的設計都用到該原理。當 SPP 的波矢與入射電磁波的波矢相等時，能引起金屬中自由電子的集體振蕩，并產(chǎn)生近場的局域增強現(xiàn)象，使共振波長處電磁能量被結構材料所吸收。因此，在超材料電磁吸波器中，SPP 在電磁波的吸收過程中起到了非常重要的作用。除了運用SPP外，目前將導模共振效應和超材料結合設計理想的PMA也是很重要的研究方向。2015年Grande等[25]利用導模共振效應設計的基于石墨烯的PMA在0.74 μm處可以達到完美吸收，2016年Zhang等[26]設計了基于導模共振效應的可調諧PMA，通過調節(jié)入射角可以調諧PMA的吸收。

3 PMA 材料

目前用于研制PMA的材料有很多種，其中較為常用的材料有鐵氧體吸波材料、手性材料、金屬微粉吸波材料、導電高分子吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、納米吸波材料等。單層石墨烯的光吸收率只有2.3%[27]，所以利用石墨烯和其他材料相結合設計PMA具有一定的優(yōu)勢。2014年，Grande等[28]將單層石墨烯和一維介電光柵相結合，數(shù)值研究表明在幾納米的窄帶寬上，單層石墨烯可以吸收60%的垂直入射光。

2018年，深圳大學的Wang等[29]利用單層黑磷在理論上分析和證明了在太赫茲和紅外波段的相干完美吸收。他們證明單層黑磷兩側反向傳播的波導電磁能可以被完美吸收，并且通過改變兩個相干光束的相位差，可以靈活調節(jié)相干吸收。同時研究了單層黑磷的角度選擇性，說明斜入射條件下相干完美吸收的可行性。研究顯示相干吸收峰值的相干完美吸收波長呈現(xiàn)出相反的變化，并且可以分成TE和TM偏振的兩個波長分支。此外，通過調整電子摻雜，相干完美吸收波長可以從太赫茲調整到紅外波段，調制深度可以保持在104以上。這項工作對于太赫茲/紅外探測和2D材料信號處理中的相干調制具有潛在的應用價值。

4 PMA 發(fā)展趨勢

PMA最早集中在微波波段的研究，并且實現(xiàn)了窄帶吸收。早期的PMA存在對偏振敏感或入射角窄等缺點。隨著研究的深入，不同PMA結構陸續(xù)在太赫茲和紅外波段得到驗證，并且向著更高頻段發(fā)展，不同波段的PMA也相繼被提出和制備。

目前關于PMA的研究趨勢主要集中于以下幾個方面：1) 實現(xiàn)對電磁波近乎100%的窄帶“完美吸收”；2) 偏振不敏感和寬入射角吸波；3) 雙頻帶及多頻帶吸波；4) 寬頻帶吸波；5) 可調諧PMA器件研究；6) PMA的結構設計以及參數(shù)優(yōu)化。當前PMA的設計中主要問題有入射角窄、單面吸波、偏振敏感、吸收頻帶窄等。隨著微納加工技術的發(fā)展，結構和性能更加優(yōu)異的PMA會被設計和制備。

5 結束語

本文綜述了幾種不同類型的PMA，對它們各自的優(yōu)缺點進行了總結， 同時對PMA的研究進展進行了簡單的綜述。PMA從最初的單頻、窄帶、不可調、偏振敏感以及入射角度窄到如今的多頻、寬頻帶、可調、偏振無關及寬入射角發(fā)展，且朝著厚度小、密度低、吸收強的方向發(fā)展。相信隨著未來加工技術的發(fā)展、新材料的探索以及結構設計的優(yōu)化，一定可以設計出小型化、多功能化、低成本的PMA。