專(zhuān)利名稱(chēng)：可用于實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)的電磁諧振單元結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的特異介質(zhì)的三種電磁諧振單元的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)及方法，屬于太赫茲特異介質(zhì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
按照國(guó)際通行定義特異介質(zhì)的特殊性就在于——它的性質(zhì)不是由它的化學(xué)組成而決定，而是由它的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)決定(Metamaterials are materials which owe theirproperties to sub—wavelength details of structure rather than to their chemicalcomposition。)所述的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)通常是周期排列的諧振結(jié)構(gòu)。特異介質(zhì)有三個(gè)重要特征具有新奇的人工結(jié)構(gòu)；具有超常的物理性質(zhì)(負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率等)；其性質(zhì)決定于其中的人工結(jié)構(gòu)而與材料的本征性質(zhì)無(wú)關(guān)。
因此，特異介質(zhì)是ー種特殊的人造結(jié)構(gòu)，并不存在于自然界中。也正因?yàn)樘禺惤橘|(zhì)的特殊性，它表現(xiàn)出很多不同于通常介質(zhì)的特殊性能。通常介質(zhì)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都大于等于1，但是特異介質(zhì)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ卻能夠小于I甚至小于O。按照ε和μ所在區(qū)間，能進(jìn)ー步把持異介質(zhì)分為隱形介質(zhì)(ε或μ小于I)和手性介質(zhì)(ε或μ小于0)。通過(guò)在材料的關(guān)鍵尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。由于介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以為負(fù)值，特異介質(zhì)具有很多反常的奇特性能，如負(fù)折射率效應(yīng)、逆Doppler效應(yīng)、逆Cerenkov效應(yīng)，可用于制作超級(jí)透鏡、隱身衣、天線罩以及各種微波毫米波功能器件。早在1968年，俄羅斯科學(xué)家Veselago就提出了負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的假想，并從理論上論證了特異介質(zhì)的存在。然而，由于缺乏存在天然的特異介質(zhì)，Veselago的工作在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的重視。直到1996年，Pendry等人提出利用金屬線周期結(jié)構(gòu)獲得負(fù)介電常數(shù)材料的構(gòu)想。該結(jié)構(gòu)的等效介電特征類(lèi)似于等離子體，其等效等離子體頻率在GHz范圍內(nèi)，在低于等離子體頻率時(shí)，金屬線陣列的等效介電常數(shù)為負(fù)值。1999年，英國(guó)物理學(xué)家Pendry等人又提出利用開(kāi)ロ諧振環(huán)陣列(SRRs)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率。2000年，Smith等人在微波頻段制作出開(kāi)ロ諧振環(huán)和金屬線復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成左手材料(介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值)。近年來(lái)，在微波毫米波頻段，各種特異介質(zhì)的設(shè)計(jì)層出不窮。而長(zhǎng)期以來(lái)，在太赫茲波段，天然材料表現(xiàn)出較弱的電磁響應(yīng)，一些功能器件(如濾波器、調(diào)制器、移相器和智能開(kāi)關(guān)等)的設(shè)計(jì)遇到了很大的困難，相對(duì)于各種有源和無(wú)源器件發(fā)展較好的微波毫米波而言，太赫茲領(lǐng)域的技術(shù)相對(duì)落后。由于特異介質(zhì)的特殊性能，近年來(lái)關(guān)于太赫茲特異介質(zhì)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用開(kāi)始引起人們的注意。2004年Science雜志上報(bào)道了 T. J. Yen等人首次實(shí)現(xiàn)了由兩個(gè)開(kāi)ロ諧振環(huán)周期性排列組成的太赫茲波段的特異介質(zhì)。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明擬提出可實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)的三種電磁諧振單元結(jié)構(gòu)及方法，所述的三種單頻點(diǎn)特異介質(zhì)(SRI、SR2、SR3)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)?？捎糜趯?shí)現(xiàn)太赫茲波段各種功能器件(濾波器、移相器、調(diào)制器、智能開(kāi)關(guān)等)的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出可用于實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)的三種電磁諧振單元結(jié)構(gòu)及方法。本發(fā)明所述的可用于實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)的三種電磁諧振單元結(jié)構(gòu)如圖I所示，第一種單元結(jié)構(gòu)SRl由ー個(gè)“エ”字形封閉的金屬環(huán)組成，位于兩側(cè)的長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出電感特性，連接兩側(cè)長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的平行金屬可表現(xiàn)出電容特性；第二種單元結(jié)構(gòu)SR2是在兩個(gè)嵌套的閉合金屬環(huán)之間加兩個(gè)“T”形金屬條組成，兩個(gè)閉合金屬環(huán)可表現(xiàn)出電感特性，“T”形金屬條的一端和內(nèi)部閉合金屬環(huán)的ー邊可表現(xiàn)出電容特性；第三種單元結(jié)構(gòu)SR3將兩個(gè)開(kāi)口金屬環(huán)用金屬條相連，內(nèi)環(huán)與相鄰單元的外環(huán)相連，開(kāi)ロ環(huán)的裂ロ處可表現(xiàn)為電容特性，其他部分可表現(xiàn)為電感特性，內(nèi)環(huán)與相鄰單元的外環(huán)連接可增強(qiáng)電磁相互作用。在和太赫茲波發(fā)生相互作用的時(shí)候，在特征金屬單元結(jié)構(gòu)上感應(yīng)出電流，等效的電感、 電容發(fā)生LC諧振。當(dāng)諧振單元結(jié)構(gòu)的特征尺寸和工作波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使諧振単元和電磁波發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。通過(guò)改變電磁諧振単元尺寸的大小可以改變發(fā)生諧振的頻點(diǎn)以及諧振類(lèi)型(電諧振和磁諧振)。三個(gè)電磁諧振單元尺寸在60 μ πΓ 20 μ m之間，經(jīng)周期性排列后得到的樣品尺寸為2mmX2mm。當(dāng)太赫茲電磁波垂直入射時(shí)，三種單元結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出負(fù)的介電常數(shù)或負(fù)的磁導(dǎo)率，從而得到三種可用于太赫茲波段的特異介質(zhì)。本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)是在砷化鎵(GaAs)襯底上，按一定的尺寸分別周期性排列SRU SR2和SR3三種以金屬為材料的微米級(jí)電磁諧振単元，具體是電磁諧振單元周期性的排列在厚度為50-600 μ m的神化鎵(GaAs)襯底上，諧振單元采用鈦/鉬/金層金實(shí)現(xiàn)，其中金屬鈦層厚度為5-30nm、金屬鉬層厚度為5_30nm、金屬金層厚度為200_400nm。電磁諧振単元與襯底形成肖特基接觸。通過(guò)電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真，并在太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了三種單頻太赫茲波段的特異介質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用本發(fā)明提出的三種電磁諧振結(jié)構(gòu)單元，可以成功實(shí)現(xiàn)THz波段的特異介質(zhì)，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明提供的三種電磁諧振單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為使用本發(fā)明的エ藝方法實(shí)現(xiàn)樣品局部圖；圖3為本發(fā)明單頻帶樣品(SRI、SR2、SR3)對(duì)太赫茲波的透射率示意圖；圖4為本發(fā)明單頻點(diǎn)試樣的介電常數(shù)示意圖，曲線I表示介電常數(shù)實(shí)部，曲線2表示介電常數(shù)虛部。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一歩詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
圖I為本發(fā)明提供的三種電磁諧振單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為用掃描電鏡拍攝的各個(gè)電磁諧振單元周期性排列的樣品局部圖，三個(gè)電磁諧振単元大小在60 μ πΓ120 μ m之間，經(jīng)周期性排列后得到的實(shí)際樣品大小為2_X 2_。利用太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)實(shí)驗(yàn)裝置將在神化鎵エ藝線上實(shí)現(xiàn)的樣品進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其物理特性。圖3分別為單頻帶樣品對(duì)THz波的透射率示意圖?？梢钥闯鯯R1、SR2、SR3對(duì)THz波各有一個(gè)透射禁帶。其中SRl透射禁帶在O. 73THz附近；SR2透射禁帶在O. 53附近；SR3透射禁帶在O. 55THz和O. 8THz附近各有一個(gè)窄帶透射禁區(qū)。電磁波的傳播應(yīng)滿足色散方程k2= ω2 ε μ其中k為波矢，ω為角頻率，ε和μ分別表示相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率。當(dāng)
ε μ〈O時(shí)，た=/ ，電磁波將指數(shù)衰減而不能傳播。表現(xiàn)出特異介質(zhì)特性的頻段,將會(huì)
出現(xiàn)電磁波傳輸禁帶，因此可通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到傳輸禁帶，驗(yàn)證特異介質(zhì)特性。根據(jù)Smith等人的研究，均質(zhì)介質(zhì)中S參數(shù)與阻抗z，折射系數(shù)η關(guān)系式可用下式表示
權(quán)利要求
1.可用于實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)的電磁諧振単元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的単元結(jié)構(gòu)為SRl、SR2和SR3中的任ー種；其中，SRl由ー個(gè)“エ”字形封閉的金屬環(huán)組成；SR2是在兩個(gè)嵌套的閉合金屬環(huán)之間加兩個(gè)“T”形金屬條組成；SR3將兩個(gè)開(kāi)口金屬環(huán)用金屬條相連，內(nèi)環(huán)與相鄰單元的外環(huán)相連。
2.按權(quán)利要求I所述的單元結(jié)構(gòu)，其特征在于三種電磁諧振単元尺寸介于60-120u m之間。
3.按權(quán)利要求I或2所述的單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的電磁諧振單元經(jīng)周期性排列后的樣品尺寸為2mmX2mm。
4.按權(quán)利要求I或2所述的單元結(jié)構(gòu)，其特征在于SR1、SR2、SR3單元結(jié)構(gòu)對(duì)THz各有ー個(gè)透射禁帶，其中， ①SRl單元結(jié)構(gòu)的透射禁帶在0.73THz ； ②SR2單元結(jié)構(gòu)的透射禁帶在0.53THz ； ③SR3單元結(jié)構(gòu)的透射禁帶在0.55THz和0. 8THz處各有一個(gè)窄帶透射禁區(qū)。
5.按權(quán)利要求I所述的單元結(jié)構(gòu)，其特征在干 ①SRl單元結(jié)構(gòu)中位于兩側(cè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出電感特性，連接兩側(cè)結(jié)構(gòu)的平行金屬表現(xiàn)出電容特性； ②SR2単元結(jié)構(gòu)中兩個(gè)閉合金屬換表現(xiàn)出電感特性，“T”形金屬條的一段和內(nèi)部閉合金屬環(huán)的ー邊表現(xiàn)出電容特性； ③SR3単元結(jié)構(gòu)開(kāi)ロ環(huán)的裂ロ處表現(xiàn)為電容特性，其他部位表現(xiàn)為電感提醒。
6.按權(quán)利要求I所述的單元結(jié)構(gòu)，其特征在于SRl單元結(jié)構(gòu)在0.73THz處與THz波發(fā)生強(qiáng)烈磁諧振，在頻率范圍0. 715THz 0. 835THz實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)；SR2單元結(jié)構(gòu)在0. 5THz處與THz波發(fā)生強(qiáng)烈的電諧振，在頻率范圍0. 522THz、. 61THz實(shí)現(xiàn)了負(fù)介電常數(shù)；SR3單元結(jié)構(gòu)在0. 55THz和0. 8THz處與THz波發(fā)生強(qiáng)烈的電諧振，在頻率范圍0. 529THz 0. 745THz和0. 788 0. 88THz實(shí)現(xiàn)了負(fù)介電常數(shù)。
7.制作如權(quán)利要求I或2所述的單元結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于在神化鎵襯底上，按一定的尺寸分別周期性的排列SRI、SR2或SR3三種以金屬金為材料的微米級(jí)電磁諧振単元，電磁諧振単元和襯底之間連接采用肖特基接觸，使得物質(zhì)的性質(zhì)由周期性排列的電磁諧振單元決定；具體方法是，電磁諧振単元周期性的排列在厚度為50-600 u m的神化鎵襯底上，諧振單元采用鈦/鉬/金層實(shí)現(xiàn)，其中金屬鈦層厚度為5-30nm、金屬鉬層厚度為5_30nm、金屬金層厚度為200-400nm。諧振單元與襯底形成肖特基接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及可用于實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)的三種電磁諧振單元結(jié)構(gòu)及方法，其特征在于所述的單元結(jié)構(gòu)為SR1、SR2和SR3中的任一種；其中，SR1由一個(gè)“工”字型封閉的金屬環(huán)組成；SR2是在兩個(gè)嵌套的閉合金屬環(huán)之間加兩個(gè)“T”型金屬條組成；SR3將兩個(gè)開(kāi)口金屬環(huán)用金屬條相連，內(nèi)環(huán)與相鄰單元的外環(huán)相連。在砷化鎵襯底上，按一定的尺寸分別周期性的排列本發(fā)明涉及的三種以金屬金為材料的微米級(jí)電磁諧振單元，金屬金和襯底之間連接采用肖特基接觸，使得物質(zhì)的性質(zhì)由周期性排列的電磁諧振單元決定，當(dāng)太赫茲電磁波垂直入射時(shí)，介質(zhì)表現(xiàn)出負(fù)的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，從而得到三種可用于太赫茲波段的特異介質(zhì)。從而成功的實(shí)現(xiàn)太赫茲特異介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，具有寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，可有效地應(yīng)用于太赫茲功能器件的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)H01P7/00GK102820512SQ20121031683
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者孫曉瑋, 郭萬(wàn)易, 賀連星, 李彪, 孫浩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所