[發(fā)明專利]一種具有三諧振吸收峰的太赫茲波段超穎材料

有效

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• 申請(qǐng)日: 2011-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN102427150A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張雅鑫;喬紳;凌偉;劉盛綱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01P1/20
• 分類號(hào): H01P1/20
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電磁功能材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及太赫茲波段超穎材料。?

背景技術(shù)

太赫茲(Terahertz，THz)波通常指頻率介于0.1THz～10THz范圍內(nèi)的電磁波。從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外光之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段；從能量上看，在電子和光子之間。由于其獨(dú)特的頻率與能量特性，太赫茲電磁波在材料分析、生物大分子的測(cè)定、雷達(dá)、遙感、國土安全以及高密度數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用潛力與價(jià)值。?

超穎材料(Metamaterials)是指將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的一種人工媒質(zhì)，且具有特殊的電磁本構(gòu)參數(shù)。其特性取決于其基本單元結(jié)構(gòu)。通過人為地設(shè)計(jì)諧振單元，控制它對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)范圍更廣的ε和μ值，實(shí)現(xiàn)自然界不存在的特殊媒質(zhì)。Metamaterials中的諧振單元是通過對(duì)外加電磁波的響應(yīng)來體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特有的電磁特性，其中主要對(duì)電磁波中電場(chǎng)部分做出響應(yīng)的諧振結(jié)構(gòu)稱為ELC。本發(fā)明所采用的諧振結(jié)構(gòu)為ELC結(jié)構(gòu)，電磁波對(duì)金屬諧振單元的垂直入射，電場(chǎng)方向平行于金屬諧振單元，每個(gè)諧振環(huán)在外加電場(chǎng)的激勵(lì)下形成對(duì)開口處等效電容的充放電過程，從而實(shí)現(xiàn)LC震蕩，產(chǎn)生出多個(gè)諧振峰。?

由于Metamaterials可實(shí)現(xiàn)負(fù)的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率，許多人利用它來制作左手介質(zhì)、完美透鏡、隱身材料等多種新型人工材料。而用Metamaterials來制作多通器件還是在2004年3月，W.J.Padilla等人在文獻(xiàn)中首次涉及到太赫茲頻段的多諧振Metamaterial結(jié)構(gòu)，屬于ELC結(jié)構(gòu)，為雙諧振，該結(jié)構(gòu)較為簡單，易于制作，但是雙諧振幅度的一致性較差。本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了利用Metamaterials制作太赫茲波段的三諧振器件，且一致性較好，諧振頻率區(qū)分明顯。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種在太赫茲波段具有三個(gè)諧振吸收峰的超穎材料，該材料在0.38、0.58和0.74THz具有三個(gè)區(qū)分明顯且吸收強(qiáng)烈的吸收峰。該發(fā)明在未來太赫茲通信的開關(guān)、濾波器、調(diào)制解調(diào)器等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。?

本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案為?

一種具有三諧振吸收峰的太赫茲波段超穎材料，如圖1、3所示，包括襯底基片和位于襯底基片表面周期性排列的金屬諧振單元。所述金屬諧振單元是由線寬為d的金屬薄膜線條形成的非對(duì)稱圖形結(jié)構(gòu)；該非對(duì)稱圖形結(jié)構(gòu)包括中間由兩個(gè)相同的單開口金屬環(huán)相向連接而成的電開口環(huán)共振器，電開口環(huán)共振器的開口處寬度為w₂、間距為g₂；該非對(duì)稱圖形結(jié)構(gòu)還包括兩個(gè)與電開口環(huán)共振器兩側(cè)長邊背向連接的單開口金屬環(huán)，其中一個(gè)單開口金屬環(huán)開口處寬度為(d+w₁)、開口間距為g₁，另一個(gè)單開口金屬環(huán)開口處寬度為金屬薄膜線條寬度d、開口間距為g₃，且g₃＞g₁；整體金屬諧振單元長為Ax、寬為Ay，相鄰兩個(gè)金屬諧振單元長度方向上間距為(Lx-Ax)、寬度方向上間距為(Ly-Ay)。?

上述技術(shù)方案中，所述襯底基片材料可以是有機(jī)介質(zhì)材料、陶瓷介質(zhì)材料或半導(dǎo)體材料；所述金屬薄膜線條材料可以是Au、Ag、Cu、Al等金屬材料。?

由于金屬諧振單元的尺寸與電磁波的頻率成反比，所以設(shè)計(jì)的金屬諧振單元均為幾十微米的數(shù)量級(jí)。由于每個(gè)金屬諧振單元對(duì)電磁波的響應(yīng)都是相同的，若忽略每個(gè)金屬諧振單元之間的耦合，則它們之間彼此獨(dú)立，所以周期性排列之后整體上對(duì)電磁波具有同樣的頻率響應(yīng)。每個(gè)金屬諧振單元都是由三個(gè)諧振環(huán)回路構(gòu)成且三個(gè)諧振回路各不相同，若將金屬桿等效為電感，開口等效為電容，則可得到如圖2所示的等效電路。通過理論計(jì)算或仿真可以得出其的確具有三個(gè)諧振頻點(diǎn)。?

由于太赫茲電磁波具有很高的頻率，因而設(shè)計(jì)此波段的多通器件難度很高。目前已知的對(duì)太赫茲電磁波具有多通帶特性的材料只有電光晶體，而使用電光晶體制成的器件效果很差而且價(jià)格非常昂貴。本發(fā)明所提供的太赫茲波段三諧振吸收峰超穎材料在太赫茲波段具有三個(gè)非常明顯的吸收峰，且三個(gè)諧振峰之間區(qū)分明顯。本發(fā)明可利用微電子加工工藝進(jìn)行加工、價(jià)格低廉，在太赫茲波段通信領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。?

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的具有三諧振吸收峰的太赫茲波段超穎材料的結(jié)構(gòu)示意圖。?

圖2為本發(fā)明提供的具有三諧振吸收峰的太赫茲波段超穎材料的金屬諧振單元的等效電路圖。?

圖3為本發(fā)明提供的標(biāo)注了尺寸標(biāo)記的超穎材料結(jié)構(gòu)示意圖。?