一种中红外波段超材料结构吸波性能研究
超材料薄层吸波结构_概述及解释说明
超材料薄层吸波结构概述及解释说明1. 引言1.1 概述在当今高科技领域中，电磁波吸收技术一直是一个重要的研究方向。
超材料薄层吸波结构作为一种新兴的吸波材料，因其在宽频段内具有优异的吸收性能和紧凑的结构设计而备受关注。
超材料是由微观单元构成的人工合成材料，其特殊的物理性质使其能够实现不同于自然材料的电磁特性控制和调整。
通过精确设计和调节超材料薄层结构，可以实现对特定频段电磁波的高效吸收。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分进行阐述。
首先是引言部分，概述了超材料薄层吸波结构在电磁波吸收领域中的重要地位，并介绍了文章的整体结构。
接下来是超材料薄层吸波结构解释说明部分，介绍了超材料和薄层吸波结构的基本概念及原理，并探讨了其在不同领域中的应用。
然后是超材料薄层吸波结构的关键要点部分，详细讨论了材料选择和设计考虑因素、吸波机制分析和优化策略以及实验验证与应用展望。
接着是案例研究和实验结果分析部分，通过具体的案例介绍和实验过程描述，对超材料薄层吸波结构的性能进行了评估和分析。
最后是结论与展望部分，总结了本文的主要内容，并提出了进一步研究的方向。
1.3 目的本文旨在概述和解释超材料薄层吸波结构的基本原理和特性，并探讨其在电磁波吸收领域中的应用前景。
通过深入剖析相关关键要点和实验结果，可以为该领域的研究人员提供有价值的参考和指导。
同时，本文也希望通过对该领域已有成果的总结和归纳，为未来进一步深入探索超材料薄层吸波结构提供启示，并引发更广泛、更深入地探讨与研究。
2. 超材料薄层吸波结构解释说明：2.1 超材料概念介绍超材料是一种具有特殊结构的人工合成材料，其具有非常独特的电磁性质。
超材料的特殊性在于它不同于自然界中存在的材料，而是由人工设计和制造的。
它通常由微观结构组成，这些结构可以呈现出优越的传播和控制电磁波的性能。
超材料广泛应用于光学、电子、通信等领域，因为它们可以实现对电磁波的高度精确调控。
2.2 薄层吸波结构原理薄层吸波结构是指将超材料应用于吸收无线电频率或微波频段中的电磁波，并将其转化为其他形式（如热能）以达到消除或减弱反射、散射和传输现象的目标。
吸波超材料研究进展
吸波超材料研究进展一、本文概述随着现代科技的不断进步，电磁波在通信、雷达、军事等领域的应用日益广泛，然而，电磁波的散射和干扰问题也随之凸显出来。
为了有效地解决这一问题，吸波超材料应运而生。
吸波超材料作为一种具有特殊电磁性能的人工复合材料，能够实现对电磁波的高效吸收，因此在隐身技术、电磁兼容、电磁防护等领域具有广阔的应用前景。
本文旨在综述吸波超材料的研究进展，包括其基本原理、设计方法、制备工艺以及应用现状等方面。
将介绍吸波超材料的基本概念和电磁特性，阐述其吸波原理及影响因素。
然后，将综述近年来吸波超材料在结构设计、材料选择以及性能优化等方面的研究成果。
接着，将讨论吸波超材料的制备方法，包括传统的物理法和化学法以及新兴的3D打印技术等。
将展望吸波超材料在未来的发展趋势和应用前景。
通过本文的综述，读者可以对吸波超材料的研究现状有全面的了解，并为进一步的研究和开发提供有益的参考。
二、吸波超材料的基本原理吸波超材料，作为一种人工设计的复合材料，其基本原理主要基于电磁波的干涉、散射、吸收和转换等物理过程。
吸波超材料通过特定的结构设计，能够有效地调控电磁波的传播行为，从而实现高效的电磁波吸收。
吸波超材料的设计往往采用亚波长结构，这种结构可以在微观尺度上调控电磁波的传播路径，使得电磁波在材料内部发生多次反射和干涉，从而增加电磁波与材料的相互作用时间，提高电磁波的吸收效率。
吸波超材料通常具有负的介电常数和负的磁导率，这使得电磁波在材料内部传播时，会经历与常规材料不同的物理过程。
当电磁波进入吸波超材料时，由于介电常数和磁导率的负值特性，电磁波的传播方向会受到调控，从而实现电磁波的高效吸收。
吸波超材料还可以通过引入损耗机制，如电阻损耗、介电损耗和磁损耗等，将电磁波的能量转化为其他形式的能量，如热能，从而实现电磁波的衰减和吸收。
这种损耗机制的设计对于提高吸波超材料的吸收性能至关重要。
吸波超材料的基本原理是通过调控电磁波的传播路径、改变电磁波的传播方向以及引入损耗机制，实现电磁波的高效吸收。
宽频带超材料完美吸波器研究现状
宽频带超材料完美吸波器研究现状超材料是一种人工设计的周期性微纳结构材料，由于其具有天然常规材料所不具备的诸如负折射率、完美吸收、逆多普勒效应等特殊性能，近年来引起人们的极大关注。
超材料完美吸收器（PMA）作为超材料的一个重要分支，可以在特定波段对电磁波实现近乎完全的吸收。
自2008年LANDY等首次在11.5 GHz实现完美吸收后，PMA得到了快速的发展，并已实现在太赫兹波段、红外波段以及可见光波段的完美吸收。
虽然实现窄带的完美吸收是容易的，但是宽频带的完美吸收尤其是太赫兹及更高频段的宽频带完美吸收是相对困难的，这是由它的吸收机制、表面等离子共振（SPR）所引起的固有窄带造成的。
但对光电探测、光伏器件等十分具有发展前景的领域来说，实现宽带吸收是必要的。
因而，本文综述了近年来宽频带PMA的实现方法及相关应用，以期为宽频带PMA的发展提供帮助。
1 宽频带PMA的结构金属-介质-金属（MⅠM）三层结构，是设计PMA的普遍思路，不同类型的PMA均是在此结构基础上发展而来的。
近年来的研究认为，实现宽带吸收主要可以通过以下3种方式：①选用合适的材料，主要是难熔金属等，并通过恰当的几何设计，降低品质因数（Q值）实现宽带吸收；②在一个结构单元中包含多个尺寸差异较小、吸收峰较为接近的谐振器，并使其吸收峰互相融合，形成宽带吸收；③在同一结构单元中实现表面等离极化激元（SPP）、局域表面等离子共振（LSP）、法布里-珀罗（FP）等多种共振模式，进而实现宽带吸收。
1.1 金属-介质-金属型由于贵金属更易激发SPR，早期的PMA研究常采用贵金属金、银等，但这并不利于宽带的实现，且价格昂贵。
具有高损耗性能的难熔金属铬、钛、钨、镍等有助于增强电阻效应，降低Q值，增加吸收器的带宽，近年来被广泛应用于宽频带PMA的设计中。
ÜSTÜN等选用圆盘状金属Ti作为顶部金属层，中间介质层选用Ge，金属Al为底部金属，设计了一种结构简单、易于加工的3层结构，实现了在长波红外波段8～12.7 μm范围90%以上的吸收，将中间介质层换为SiO2并适当改变结构尺寸，可以实现在中红外波段2.41～5.4 μm 范围90%以上的吸收。
中红外波段宽频带周期吸波材料[发明专利]
![中红外波段宽频带周期吸波材料[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0b5dfc53dcccda38376baf1ffc4ffe473368fde3.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.07.09C N 103913788A (21)申请号 201310590795.1(22)申请日 2013.11.20G02B 5/00(2006.01)(71)申请人电子科技大学地址610000 四川省成都市高新区（西区）西源大道2006号(72)发明人邓龙江 张楠 周佩珩 陈良谢建良(74)专利代理机构成都惠迪专利事务所 51215代理人刘勋(54)发明名称中红外波段宽频带周期吸波材料(57)摘要中红外波段宽频带周期吸波材料，属于功能材料与器件技术领域，本发明包括底层金属薄膜和置于底层金属薄膜上的图形化谐振吸波层，其特征在于，所述谐振吸波层至少包括两个重叠的谐振层，每个谐振层包括介质层和金属层，各谐振层的介质层材料的介电常数值依次增高或降低。
本发明通过将多个谐振层中的宽频带吸收峰叠加的设计方式，极大的扩展了吸收峰的带宽，能够在给定的波段获取更多的入射波能量。
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书4页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书4页 附图3页(10)申请公布号CN 103913788 A1.中红外波段宽频带周期吸波材料，包括底层金属薄膜和置于底层金属薄膜上的图形化谐振吸波层，其特征在于，所述谐振吸波层至少包括两个重叠的谐振层，每个谐振层包括介质层和金属层，各谐振层的介质层材料的介电常数值依次增高或降低。
2.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述图形化的谐振吸波层为吸波单元阵列，每个吸波单元由5个矩形复合贴片构成，其中，第一、第二矩形复合贴片为长方形，第三矩形复合贴片为正方形，吸波单元即由两个横向和两个纵向的矩形贴片围绕中心正方形贴片构成。
阵列的横向、纵向周期长度皆为P ，第一、第二矩形复合贴片的边长分别为L 1和L 2，第三矩形复合贴片的边长为L 3，其中，4μm ≤P ≤6μm ，1.5μm ≤L 1≤2μm ，1.2μm ≤L 2≤1.6μm ，1.3μm ≤L 3≤1.8μm ，且L 2＜L 3＜L 1。
超材料吸波器的研究进展
Instrumentation and Equipments 仪器与设备, 2019, 7(2), 133-141Published Online June 2019 in Hans. /journal/iaehttps:///10.12677/iae.2019.72019Research Progress of MetamaterialAbsorberJiali Chai, Yanjie Ju*School of Electrical and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian LiaoningReceived: Jun. 3rd, 2019; accepted: Jun. 21st, 2019; published: Jun. 28th, 2019AbstractIn order to make better use of electromagnetic waves and eliminate their negative effects, meta-material absorbers have become a major research direction. This is a device that converts elec-tromagnetic wave energy incident on its surface into other energy to deplete it through special structures and materials. Its particularity based on the application of metamaterials, and its unique electromagnetic properties compared with natural materials make it has great signific-ance in the electromagnetic field. In this paper, the current research status of supermaterial ab-sorbers at home and abroad will be introduced through the structures, mechanisms and materials of the absorbers. For the structures, it mainly introduces two types of tiled-array structure and three-dimensional structure. For the absorption mechanisms, it mainly introduces the frequency selection surface, electromagnetic resonance and surface plasma. For the materials, it introduces metal materials, ferrite materials, carbon materials and new materials in detail. With the conti-nuous innovation in the field of materials and the unremitting efforts of researchers, we believed the absorbing device will be applied to more and more fields with more perfect performances and shine in both the civilian and military fields.KeywordsMetamaterials, Absorber, Graphene, Absorbing Mechanism超材料吸波器的研究进展柴佳丽，鞠艳杰*大连交通大学电气信息工程学院，辽宁大连收稿日期：2019年6月3日；录用日期：2019年6月21日；发布日期：2019年6月28日*通讯作者。
电磁超材料吸波结构的研究及优化
本人签名：
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导师签名：
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摘要
随着科学技术的飞速发展，吸波材料越来越引起人们的重视，从武器隐身到 人体、仪器的防护、再到 THz 成像，吸波材料无不发挥着巨大作用。
本文首先介绍了吸波材料和电磁超材料的历史和现状，对新出现的超材料吸 波结构的起源、演变及应用做了详细的介绍，并系统地分析了吸波材料的吸波原 理和经典的结构式吸波材料 Salisbury 屏的吸波原理，指出实现超薄吸波的条件。
described the system composition and the method of realization. The effectiveness of the optimization system is verified by a random surface metamaterial absorber design.
We analyzed the radar cross section (RCS) of two kinds of finite periods of TAR absorbers, including flat and curved surfaces. It can be seen that the RCS of TAR structures are effectively reduced compared to the metal structure with same size. The results show the potential application of TAR absorbers in electromagnetic stealth.
在目标雷达散射截面（RCS）减缩方面，本文对有限周期的平面和曲面 TAR 结构的 RCS 进行了分析，相对于同尺寸的金属结构具有很明显的 RCS 减缩效果， 表明了其在电磁隐身方面的潜在应用。
THz可调超材料吸波器研究
THz可调超材料吸波器研究超材料吸波器是一种人工设计的亚波长吸波结构, 具有吸收强、厚度薄、电磁特性可设计的优点, 能够有效提升太赫兹功能器件的灵敏度, 在太赫兹波段的传感、雷达、隐形技术的发展中扮演着重要角色。
由于超材料自身的谐振机理, 大多数吸波器结构的吸收带宽较窄, 且每种结构一旦加工完成, 其性能往往是固定不变的, 无法满足多种场景下的灵活吸波需求。
此外, 现有的宽带超材料吸波器通常只能工作在单个频段内,无法实现多频段的宽带吸收效果。
为此, 本文提出了几种太赫兹波段的可调宽带超材料吸波器以及多频段宽带吸波器, 并对它们的吸收特性和吸收机理进行了深入分析。
同时在实验中, 加工并验证了一种宽角度的太赫兹吸波器。
本文的主要研究内容和成果如下:(1) 基于石墨烯的可调特性, 分别提出了一种单频段和一种双频段的可调太赫兹超材料吸波器。
其中单频段吸波器是由石墨烯图案- 介质-金属组成的三层结构,其在7-9.25 THz 的频率范围内实现了幅度大于90%的宽带吸收, 对应的相对带宽为27.9%。
通过对不同大小的圆环孔洞进行嵌套组合,吸收带宽可以进一步增大到3.2 THz, 对应相对带宽提升到39.3%。
双频段吸波器则是由介质谐振单元- 单层石墨烯- 介质-金属组成的四层结构, 兼具宽带吸收和双频段吸收特性,其超过80%吸收的相对带宽分别达到了97.8%和31%。
通过调节石墨烯的化学势，可以使吸波器在“开启”(吸收值>80%)和“关闭”(反射值>90%)状态之间自由切换，具有高度的灵活性。
此外,由于该结构使用无图形的单层石墨烯,在加工和控制方面都具有很大的优势。
(2) 基于二氧化钒的相变特性, 提出了一种太赫兹波段的可切换宽带吸波器。
该吸波器是由金属贴片-介质-二氧化钒底板组成的三层结构, 可以在1.116-1.564 THz的频率范围内实现极化不敏感的宽带吸收效果：吸收幅度超过89.7%,对应的相对带宽为33.8%。
可调太赫兹超材料吸波结构设计与仿真
关键词：太赫兹波，超材料吸波器，频率调控
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Metamaterial is a new kind of composite material with periodic structure. Due to the fact that its equivalent permittivity and permeability can be designed, it shows the surprising electromagnetic properties and has been widely concerned by researchers. In lack of effective terahertz wave sources and detectors, the research on terahertz wave lags behind the other bands and it was known as the terahertz gap. The metamaterial is designed to be able to respond to terahertz waves. Therefore, the study of metamaterials plays an important role in the research on terahertz wave.
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摘要 ： 对一种 ＡＩ ／ Ａ １ ２ ０３ ／ Ａ １ 多层膜 结构 的中红外超材料吸波体的吸波性 能进行 了研 究， 并分析 了其吸波机理 。该 结构 最
上层为周期性排布的正方形 Ａ ｌ 膜 阵列 ， 中间介 质层 和底层分 别为连续 的 Ａ １ ２ ０ ３ 和Ａ １ 薄膜 。仿真结果表 明 ， 该 多层膜
２ ０ １ ４年第 ６ 期 （ 总第 １ ３ ８ 期
信 息 通 信
Ｉ ＮＦ ｏＲＭＡＴ Ｉ ＯＮ ＆ Ｃ０Ｍ Ｍ ＵＮＩ ＣＡＴ Ｉ ｏＮＳ
２ ０１ ４
（ Ｓ ｕ ｍ． Ｎ ｏ １ ３ ８ ）
一
种 中红外波段超材料结构吸波性 能研究
关淘淘， 陶 金， 蓝 武
（ 电子科技大学 微电子与固体 电子学院； 电子薄膜 与集成 器件 国家重点 实验室 ， 四川 成都 ６ １ ０ ０ ５ ４ ）
（ ＝ √ （ ／ （ 与自由空间阻抗 ｚ ０ 匹配ｚ ＝ ｚ ｏ （ 即有效介 层正方形金属贴片厚度 ｓ ＝ ０ ． １ ｐ ｍ时 ， 中间Ａ１ Ｏ ， 介质层 厚度 ｔ 从 ｚ
０ ． ０ ４ ｕ ｍ变化到 ０ ． ２ ８ ｐ ｏ 该结构 的吸 收率及吸收峰位置随介质层 电常数和有 效磁 导率相等） ｒ ，将反射率减小为 ０ ， 同时底层金属
常数 （ ＝最＋ 和有效磁导率 （ ：／ ４＋ ／ ／ １ ２ ， 来进一步调控
图 ｌ为当 ａ ＝ ３ ． ５ 岬１ ， ｂ ＝ ２ ． ９ ， 下层金属层厚度 ｈ ＝ ０ ． １ ｐ ｍ， 上 其 电磁 响 应 ，使 得 此 多层 膜 结 构在 特 定 频 率 的 有 效 阻 抗
介 曩晨 ■爱 ‘ ｔ米 ）
图 １ （ ａ ） 不同介 质层厚度下 的吸收率 曲线 ，
尺寸 的变 化也有微 小的变化 ， 但整体上保持 了较高的吸收率 。
（ ｂ ） 吸收峰位置 随介质层厚度 的变化规律
． ３ 吸收机 理分 析 这表 明通 过对 贴片尺寸 的改变 ， 可 以在较大 的范 围内对吸收峰 １ Ａｌ ／ Ａｌ ： Ｏ， ／ Ａ１多层膜 结构 吸收机理是通过调节其有效介 电 的位 置进 行有 效的调制 。 １ ． ２ 介 质层厚 度 对吸 收峰 影响
厚度的变化规律。 从图 ４ 中可 以 看 到： 随着介质层厚度的增加 ， 的厚度大于入射 电磁波 的趋肤深度 ， 使得入射波 的透射率 也为 吸 收峰 的位 置先 向短波 方 向移动 随 后 向长波 方 向移动 ，从 ０ ， 从而实现接近 于 １的完美吸波效果 。在 ２ ８ ． ３ Ｔ ｈ ｚ （ １ ０ ． ６ ｐ ｍ） 处
常显著 的进步 。 本文所述 的 Ａｌ ／ Ａｌ Ｏ ， ／ Ａｌ 多层膜超材料 吸波
结构是近年 来得到广泛 关注的超材 料吸波结构 。通 过改变
超材料结构 的几 何尺寸 ， 可达到对入 射 电磁波透射 、 反射 和吸 收的调制 。
１仿真模 拟
采 用基于时域有 限差分算法 的 ＣＳ Ｔ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗａ ｖ ｅ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｏ软
件进 行模拟仿真 ， 仿真单元结构 三层薄膜依次 为下层金属层 ，
中间 Ａｌ Ｏ， 介质层 及上层正方形 金属 贴片阵列层 。 仿真时 ｘ轴 方向设置为 电边 界 （ Ｐ Ｅ Ｃ ） ， Ｙ轴方 向设置 为磁边界 （ Ｐ ＭＣ ） ， 电
磁波 沿． ｚ 轴 方向入射， 电场极化方 向沿 ｘ轴方 向。 利 用频 域求 解 器计算 ，模 拟周期性 阵列在平面波激 励下的反射 与透 射参
结构理论上能够在 ｌ Ｏ ： ６ ｔ ｎ实现 完美吸波。
关键词 ： 超材料 吸波体 ； 中红外波段 ； 吸收率
中图分类号 ： Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ ． １ １ ３ １ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ６ ０ ０ ２ ６ ． ０ ２ 增大先增 大， 在ｔ － ０ ． １ ６ １ 时达到最大值， 随后逐渐减小。这表
数。其结构尺寸 如下 ： 阵列周期 ａ ， 正方形金属贴 片直径 ｄ ， 下 层 金属层厚度 ｈ ， 中间 Ａ１ ２ ０ ， 介质层 厚度 ｔ ， 上层 圆形金属 贴片 厚度 ｓ 。 Ａｌ ： Ｏ ， 的介 电常数 设置 为 ２ ． ２ ８ ， 损耗角 正切设置为 ０ ． Ｏ ４
，
金属 Ａｌ 的介 电常数采用 Ｄｒ ｕ ｄ ｅ模型描述 ， 等离子体频 率及
Ｏ 引言
近１ ０年来 ， 负折 射率材料 的出现 引起 了人们对超材 料的 广泛研究 。超材 料吸波体 的首 次实验实现是在 ２ ０ ０ ８ 年“ ， 随
明通过对介 质层 厚度 的改变 ， 可以对吸收峰 的位置和大小进行
有效的调制 。
后它在从微波 段到光波段 ． ４ 岫１ 变化到 ３ ． ２ １ ￣ ｎ 该结构 的吸收率及吸收峰位
置随贴片尺 寸的变化规律 。随着贴片尺寸 的增加 ， 吸收峰 的位
置 向长 波 方 向移 动 ，从 ｂ ＝ ２ ． ４ ｐ ｍ时的８ ． ７ ３ ｐ ｍ 移动到 ｂ ＝ ３ ． ２ ｕ ｍ
时的 １ ２ ． ５ ４ ￣ ｒ ｎ 。吸收峰的位置 随贴片尺寸 的增加呈现近似线性 增加 的规律 。在吸收峰位置变化 的同时 ， 吸收峰 的强度随贴片
碰 撞频率 由文献 ［ ９ 】拟合得 ： （ Ｉ ） ＝ ２ ｎ ｘ ２ ８ ９ ５ Ｔ ＨＺ Ｔ Ｈ ｚ ，ｃ ｏ ｐ ＝ ２ ｎ
×１ ５ ． ５ Ｔ ＨＺ Ｔ Ｈｚ 。
１ ． １ 贴 片尺寸 对吸 收峰 影响
当ａ ＝ ３ ． ５ ｐ ｍ， 下层金属层厚度 ｈ ＝ ０ ． １ 岍 ， 中间 Ａｈ Ｏ， 介质层 厚度 ｔ － ＝ ０ ． ２ ５ １ ￣ ｎ ， 上层正方形金属贴片厚度 ｓ ＝ ０ ． １ 岬１ 时， 正方形
ｔ － ０ ． ０ ４ ｐ ｏ时 的 １ ｒ １ ． ７ ２ １ ｍ ￣ 移动 到 ｔ ＝ ０ ． １ ６ 岫Ａ 时的 １ ０ ． ５ １ ￣ ｒ ａ ， 随后移 介 电常数的实部等于磁 导率的实部且值为 ０ ， 满足 Ｚ ＝ Ｚ ０ ， 此处 动到 ｔ － ０ ． ２ ８ 邮１时的 １ ０ ． ９ ４ １ 。吸收峰的强度 随介质层厚度 的 即为阻抗匹配点， 所 以出现 了完美吸收峰。