[发明专利]一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹波段无线能量传输领域,尤其涉及一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法。

背景技术

太赫兹波指的是频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波，波长约在0.03mm到3mm之间，介于微波与红外波之间。THz波具有很多微波和光波不具备的特点，例如THz光子能量低，只有几个电子伏特，不会对检测物质造成破坏；大多非金属非极性材料对THz射线吸收较小，使得它可以用于检测材料内部信息；THz脉冲源只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带能覆盖GHz到几十THz的范围，很多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体、超导材料等的声子振动能级都在THz的波段范围内。目前大多通过想干探测技术获得THz的实时功率，由于THz脉冲有很高的峰值功率，在时域光谱系统中具有很高的信噪比。由于具备上述优势，太赫兹技术可在安检、传感和成像等领域发挥巨大的作用，近年来受到了研究者们的高度关注，许多工作在太赫兹波段的新器件也应运而生。

吸波材料是可以对某一频率或频段电磁波有强烈吸收的材料，可以用于太阳能采集或屏蔽某一特定波长或波段，应用范围广泛。已经有科学家设计出了利用超材料在太赫兹波段多角度高效窄带吸收的材料，但是受限于三维超材料的制作难度，二维超材料只能实现窄带吸收，无法实现宽带吸波的效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有材料不能实现太赫兹波段大宽带吸收的缺陷，提供一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料及其设计方法。

一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料，由多个材料单元组成，每个材料单元包括铬和光刻胶SU-8；具体的：在基底上设置有一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；所述的铬的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；材料单元周期为95μm；

所述的光刻胶光刻胶SU8在1THz频率附近的介电系数约为2.79-0.31i，金属材料铬（chromium）的磁导率σ=8×10⁶ s/m。

一种宽带高性能人工太赫兹吸波材料的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1.根据有效介质理论：Metamaterials（MMs）的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Ω ，均与磁导率μ和介电系数ε相关。因此，能够通过调节MMs的磁导率μ和介电系数ε来获得所需要的透射和反射效果。

通过模拟计算材料的S参数，包括                                                和 ，从而计算出透射参数和反射参数；其中

，

吸收参数通过如下公式得到：

。

而在有金属防透射层的条件下，透射系数为0，即：

。

因此，吸收系数能通过调节磁导率μ和介电系数ε来调制的。Metamaterials能通过调节微结构的形状和尺寸来确定其在某个频率下磁导率μ和介电系数ε的，因此在一定频率下可以实现对吸收系数的调制。

步骤2.制作材料，具体如下：

在基底上溅射一层金属铬膜，该层金属铬膜作为防透射层；在金属铬膜上，光刻胶SU-8和铬膜的方块阵列自下而上交替叠加组成金字塔状；每层光刻胶SU-8通过旋涂制作和加热固化完成，每层铬膜的方块阵列通过光刻和溅射剥离完成；所述的铬膜的方块阵列有五层，且每层的厚度为200nm，其方块阵列边长自下而上依次有规律缩小，自下而上依次是：70μm 、66μm、62μm、58μm和54μm；所述的每层光刻胶SU-8的厚度为4μm；

已有实验证明，单层的金属膜结构能够实现某一个频率的高吸收，通过调节金属膜结构的尺寸和周期可以调制吸收的频率，模拟设计中的金字塔形的金属膜结构从上到下尺寸渐变，它们的吸收频率邻近，叠加可以实现大宽带的高效吸收。

本发明有益效果如下：

（1）本发明能够实现太赫兹波段下的大宽带吸收。以往太赫兹波段的吸收材料常常是窄带的，目前效果最好的宽带吸波材料的半峰全宽系数（FWHM）也只有55%，本发明对这一参数做了很大的提高，其半峰全宽系数（FWHM）超过了100%。