[发明专利]一种太赫兹超材料单元结构及其制备与调控方法

说明书

技术领域

本发明涉及超材料及太赫兹探测技术领域，具体涉及一种太赫兹超材料单元结构及其制备与调控方法。 

背景技术

由于缺乏有效的太赫兹（THz）源和检测技术，太赫兹研究在很长一段时间内停滞不前。近年，随着物理学、材料学、激光工程和纳米技术的快速发展，太赫兹技术取得长足进步，成为当前的国际研究热点。太赫兹探测器通过检测穿过物体的太赫兹光子的变化情况，实现对物体的形貌或成分的探测。与常规的X射线、核磁共振等探测技术相比，太赫兹探测器具有检测速度快、精度高、穿透性强、辐射损伤小等优点。其中，非制冷型太赫兹探测器在军事及民用当中具有广泛的应用前景，是太赫兹技术的一个重要领域。遗憾的是，目前非制冷太赫兹探测器的发展受到较大的限制，其重要原因是缺乏有效吸收太赫兹光子的器件材料。电磁超构材料的出现很可能使太赫兹应用技术，尤其是使太赫兹电磁波成像技术获得突破发展。 

电磁超材料（Metamaterial)，简称超材料，是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料。2001年，Walser第一次提出电磁超材料的概念（参见R.M. Walser, “Electromagnetic matematerials”, Pro. SPIE, 4467, 1 (2001).文献），很快地就引起学术界的广泛注意。利用超材料可以实现电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可获得诸如完美透镜、隐身斗篷、电磁波完美吸收等特殊器件。如今，超材料已成为理论基础研究与技术应用研究共同关注的热点（参见N.I. Zheludev, “The road ahead for metamaterials”, Science, 328, 582 (2010).文献）。 

根据有效媒介理论，超材料的特性可以通过关键物理尺寸的结构有序设计来调控。所以，通过调整其物理尺寸及材料参数，能够使超材料与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而使特定频带的入射电磁波的绝大部分（甚至是100%）被吸收，由此获得特殊的超材料“完美吸收器”（参见N.I. Landy, S. Sajuyigbe, J.J. Mock, “Perfect metamaterial absorber”, Phys. Rev. Lett., 100, 7402 (2008).文献）。基于这种原理，2008年，Tao等人设计出由金属/介质/金属三层结构构成的一种超材料太赫兹吸收器（参见H. Tao, N.I. Landy, C.M. Bingham, X. Zhang, R.D. Averitt, W.J. Padilla, “A metamaterial absorber for the terahertz regime: Design, fabrication and characterization”, Opt. Express, 16, 7182 (2008).文献），其底层及表层Au金属分别呈长方形条状与开口谐振环状结构。这种超材料吸收器在1.12 THz处的吸收率的理论值高达98%、实测值为70%。遗憾的是，这种传统超材料的底层金属采用条状结构，光刻时需要“套刻”技术，增加了工艺难度。