杜永好，曹曙桦，王 琦，张大伟

（1．上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093；2．上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093）

引 言

超材料奇异的电磁性质，使其在光学材料、雷达和隐身材料[1]等方面存在着广泛的应用前景。而基于电磁超材料设计的超材料完美吸波器(PMA)是指能对位于工作波长的电磁波进行有效吸收的器件，它不仅可以应用于国防防御体系中，也可以应用到我们的日常生活中，为我们的生活提供极大的便利。超材料完美吸波器一般采用经典的三层结构[2]，顶层为周期性金属结构，中间层为具有一定厚度的电介质或者绝缘体材料，底层采用厚度远大于电磁波在金属中趋肤深度的连续金属膜，可以起到阻挡电磁波透射的作用。通过合理优化结构参数，可以实现器件工作波长的改变和吸收参数的调节。这样优异的特性可以使超材料完美吸波器在生物传感器[3]、滤波器[4]、太阳能光伏[5]和光电检测等领域得到很好的应用和发展。从电磁波吸收频带来看，PMA可以分为窄带吸收和宽带吸收，另外还有单频带、双频带、多频带等多种电磁波吸收模式。从偏振敏感情况来看，可以分为入射角偏振敏感和入射角偏振不敏感PMA。本文主要对PMA的研究与发展历程、结构特征、性能特点等进行了分类综述，并探讨了PMA发展趋势、应用前景以及目前亟需解决的问题。

1 PMA 的研究历程

完美吸波器的概念最早是由Landy等[6]在2008年提出来的，经过理论和实验研究后发现PMA可以完全吸收辐射到其表面的电磁波的电场分量和磁场分量，这种吸波器可以达到近100%的吸收，因此受到广泛的关注。此后随着国内外研究的不断深入，PMA得到迅速的发展，从最初的单频吸波器到双频吸波器[7]再到多频吸波器[8]，由偏振敏感PMA到后来的偏振不敏感PMA[9]。过去的几年中，由于生物传感和化学探测的需求，中红外吸波器的发展及应用研究得到了大家的高度重视。

1.1 单频 PMA

常见的单频PMA结构一般都是典型的“金属图案层—介质层—金属平面层”三层三明治结构。2008年Tao等[10]利用表面微加工工艺制作的PMA在1.3 THz处可以达到70%的吸收。随后该课题组通过优化设计证明该结构可以在很宽的入射角范围内对TE和TM波都有很好的吸收效果，并且在1.6 THz频率处吸收率达到了97%[11]，如图1所示。与之前的结构相比，不仅大幅提高了吸收率，制作工艺也相对简单。

2016年，密歇根大学的Chang等[12]提出了基于光子超晶体的导模共振效应的PMA。结构如图2(a)所示，由光子超晶体、介质层和金属反射层组成。研究发现在TM偏振、正入射的情况下，在12.62 μm波长处可以达到99.97%的吸收，如图2(b)所示。由于光子超晶体实际上可以看作一个超表面，所以该PMA可以等效看作Salisbury 屏。该结构的PMA可以和石墨烯结合制成光调制器，也可以用于增强石墨烯的光吸收，应用于石墨烯探测器等领域。

图1 Tao 等[10]提出的 PMAFig.1 The PMA proposed by Tao et al[10]

图2 Chang 等[12]提出的结构Fig.2 The structure proposed by Chang et al[12]

1.2 双频 PMA

2010年，Tao等[13]将两个电场耦合谐振器(ELC)组合在一起，设计出一种双频吸波器，结构如图3(a)所示，在理论计算中该PMA在1.4 THz和2.9 THz处达到了完美吸收。吸收谱图如图3(b)所示。通过实验制备样品后发现在1.41 THz处可以达到85%的吸收率，在3.02 THz处可以达到94%的吸收率。哈尔滨工业大学Bai等[14]提出了一种结构简单的宽角度、极化不敏感的双频红外PMA。该PMA比以前的PMA结构更简单，制备程序也相对简化。该团队设计的PMA结构为三层结构，底层为基板，中间层为SiC介质层，上层为双L形的金结构。他们的一组模拟计算结果显示，在方位角φ=0°、入射角θ=45°时，在TE波模式下，该PMA在5.86 μm处的吸收率可以达到99.98%，在7.54 μm处吸收率可以达到99.96%；在TM波模式下，该PMA在6.03 μm处的吸收率可以达到98.34%，在7.59 μm处的吸收率可以达到98.9%，该PMA显示出良好的偏振不敏感性能。该团队利用电子束光刻技术(ELB)和金属剥离的方法制备了该PMA。

图3 Tao 等[13]提出的 PMAFig.3 The PMA proposed by Tao et al[13]

1.3 多频 PMA

2013年Zhang等[15]通过使用多重正方形金属等离激元结构，实验证明可以实现多波段处近乎完美的红外光吸收。在两个独立波长的双波长PMA中可以实现在3.49 μm处99.4%和4.87 μm处98.8%的吸收；在三波长的PMA中可以实现超过92.5%的吸收。实验结果表明该PMA的峰值吸收波长主要由正方形金属的尺寸大小决定。该三波长PMA的结构及吸收光谱图如图4所示。2013年，Hu等[16]设计出一种极化不敏感、高吸收的四频段的太赫兹波PMA。该吸波器的结构由金属薄膜层、第一介质层、金属十字架、第二介质层和金属谐振器共五层结构组成。仿真结果显示在0.68，1.27，2.21，3.05 THz四个频段处其吸收率分别达到了98%，97%，98%，97%。该PMA在太赫兹频率选择性检测、太赫兹传感以及太赫兹热成像等方面具有一定的应用价值，但是其制造加工有一定的难度。

图4 Zhang 等[15]提出的多频 PMAFig.4 The multi-frequency PMA proposed by Zhang et al[15]

2016年，江西师范大学Liu等[17]提出基于与金属基板耦合的三层电介质超材料结构的PMA，在可见光波段范围内可以实现四个吸收带，其最大的吸收率可以达到98.9%，窄带宽为2 nm。该PMA实现了近乎完美的偏振无关以及入射角不敏感多频带吸收，这些发现为多波段光吸收体和高集成度光电子器件的应用铺平了道路。

1.4 宽频带 PMA

相对于窄带宽PMA的应用，宽频带PMA的应用范围更加广泛。利用有效的方法实现宽频吸收是当前PMA发展亟需解决的问题之一。

2010年，北京工业大学赵晓鹏课题组设计出一种基于树枝型结构的宽频带PMA[18]，该结构由双层六边形密排的树枝型结构、两块介质基板和金属底板组成。通过改变树枝结构的排布方式并调节几何参数可以在工作波段内实现三个吸收峰，实验测得在9.79～11.72 GHz频率范围内的吸收率大于90%。

2012年，Cui等[19]提出了一种锯齿状的非均质宽频带PMA，如图5(a)所示，其中P=800 nm，T=1000 nm，Ws=150 nm，W1=600 nm，td=35 nm，tm=15 nm；通过叠加20层的金属—电介质单元层得到了红外波段较宽的吸收谱，吸收率大于95%的谱线覆盖了3～3.5 μm的波长范围，其半峰全宽(FWHM)约为吸收谱线的86%，如图5(b)所示，而且该吸波器还具有宽入射角的特点。但是缺点也很明显，在加工上存在很大的难度，在实验室不容易实现，同时该结构对偏振角敏感。在此基础上Liang等改进了该吸波器，采用二维锥形结构实现在0.2～2.6 μm波段的宽频吸收。该器件具有宽频带、宽角度、偏振不敏感等特点，可以应用于太阳能光伏领域。

2017年上海交通大学Wang等[20]提出了一种基于双曲超材料Bi2Te3的金字塔形纳米结构阵列的PMA，如图6(a)所示，其中w1=4 nm，w2=200 nm，Λ=200 nm，H=3000 nm，h=100 nm；该结构是浸入水中的。通过理论分析可知该吸收体可以对300～2400 nm宽波长范围内的太阳光达到接近100%的吸收。吸收谱如图6(b)所示。该种结构的PMA可以应用于水或者水溶液的光热转化中太阳能的有效利用。

图5 Cui等[19] 提出的 PMAFig.5 The PMA proposed by Cui et al[19]

1.5 光调控 PMA

2011年，Chowdhury等[21]在开环谐振器(SRR)的狭缝中嵌入硅片，基底材料为蓝宝石，如图7所示。入射的太赫兹波偏振方向与开口狭缝平行，当没有泵浦光照射器件表面时，太赫兹透射谱在0.6 THz和1.76 THz处分别出现基模LC谐振和三阶偶极共振。当泵浦光照射到器件表面并且能量逐渐增加时，狭缝内的硅片由于导电损耗的增加导致LC谐振和三阶偶极共振强度逐渐减弱，而且谐振频率发生红移。当泵浦光的能量增加至1200 mW时，原始的两处谐振消失，在1.28 THz处出现一个新的谐振。

图6 Wang 等[20]提出的吸波器Fig.6 The PMA proposed by Wang et al[20]

图7 Chowdhury 等[21]提出的可调谐 PMAFig.7 The tunable PMA proposed by Chowdhury et al[21]

1.6 温度调控 PMA

一些半导体、金属氧化物、相变材料和超导体的光学响应对温度的变化很敏感，所以将这些材料应用于PMA的设计可以实现对太赫兹波的温度调控。

2011年，Zhu等[22]设计出一种三层结构的PMA，顶层为200 nm厚Au双开口谐振环，底层是200 nm厚的Au基板。中间介质层是对温度敏感的60 μm厚的锑化铟(InSb)材料。此外，2015年，Du等[23]设计的PMA以Si3N4为基底层，VO2和Si作为中间介质层，半径为530 nm的Au圆盘阵列为顶层超表面层，整个PMA的厚度仅为185 nm，结构如图8所示。主要工作于中远红外频段。该PMA可以应用于红外热成像、环境检测等领域，推动了PMA走向商业化应用。

图8 Du 等[23] 提出的 PMAFig.8 The PMA proposed by Du et al[23]

2 PMA 工作原理

目前主流PMA 的设计思路都是要尽量减小电磁波的反射和透射，增加电磁波在超材料内的吸收。PMA的典型结构一般包括三层，为金属—电介质—金属(MDM)。在该结构中，每一层都会参与电磁波的吸收，只是不同层起的作用不同。对于电磁吸波材料而言，电磁波的吸收性能由该材料的反射率R(w)和透射率T(w)决定，因此，材料的吸收率可以表示为A(w)=1-R(w)-T(w)，要想得到超材料吸波器的完美吸收，就要使R(w)和T(w)接近于0。研究PMA的吸波性能时一般需要考虑其阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性指的是利用特殊的微结构阵列，使入射电磁波在超材料的表面形成最小反射，进而更多地进入材料内部。衰减特性是指通过提高介质材料电磁参数的虚部来耗损更多的入射电磁波。

表面等离子体激元(SPP)是光和金属表面的自由电子相互作用引起的一种电磁模式，或者说是局域在金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态[24]。目前许多吸波器的设计都用到该原理。当 SPP 的波矢与入射电磁波的波矢相等时，能引起金属中自由电子的集体振荡，并产生近场的局域增强现象，使共振波长处电磁能量被结构材料所吸收。因此，在超材料电磁吸波器中，SPP 在电磁波的吸收过程中起到了非常重要的作用。除了运用SPP外，目前将导模共振效应和超材料结合设计理想的PMA也是很重要的研究方向。2015年Grande等[25]利用导模共振效应设计的基于石墨烯的PMA在0.74 μm处可以达到完美吸收，2016年Zhang等[26]设计了基于导模共振效应的可调谐PMA，通过调节入射角可以调谐PMA的吸收。

3 PMA 材料

目前用于研制PMA的材料有很多种，其中较为常用的材料有铁氧体吸波材料、手性材料、金属微粉吸波材料、导电高分子吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、纳米吸波材料等。单层石墨烯的光吸收率只有2.3%[27]，所以利用石墨烯和其他材料相结合设计PMA具有一定的优势。2014年，Grande等[28]将单层石墨烯和一维介电光栅相结合，数值研究表明在几纳米的窄带宽上，单层石墨烯可以吸收60%的垂直入射光。

2018年，深圳大学的Wang等[29]利用单层黑磷在理论上分析和证明了在太赫兹和红外波段的相干完美吸收。他们证明单层黑磷两侧反向传播的波导电磁能可以被完美吸收，并且通过改变两个相干光束的相位差，可以灵活调节相干吸收。同时研究了单层黑磷的角度选择性，说明斜入射条件下相干完美吸收的可行性。研究显示相干吸收峰值的相干完美吸收波长呈现出相反的变化，并且可以分成TE和TM偏振的两个波长分支。此外，通过调整电子掺杂，相干完美吸收波长可以从太赫兹调整到红外波段，调制深度可以保持在104以上。这项工作对于太赫兹/红外探测和2D材料信号处理中的相干调制具有潜在的应用价值。

4 PMA 发展趋势

PMA最早集中在微波波段的研究，并且实现了窄带吸收。早期的PMA存在对偏振敏感或入射角窄等缺点。随着研究的深入，不同PMA结构陆续在太赫兹和红外波段得到验证，并且向着更高频段发展，不同波段的PMA也相继被提出和制备。

目前关于PMA的研究趋势主要集中于以下几个方面：1) 实现对电磁波近乎100%的窄带“完美吸收”；2) 偏振不敏感和宽入射角吸波；3) 双频带及多频带吸波；4) 宽频带吸波；5) 可调谐PMA器件研究；6) PMA的结构设计以及参数优化。当前PMA的设计中主要问题有入射角窄、单面吸波、偏振敏感、吸收频带窄等。随着微纳加工技术的发展，结构和性能更加优异的PMA会被设计和制备。

5 结束语

本文综述了几种不同类型的PMA，对它们各自的优缺点进行了总结， 同时对PMA的研究进展进行了简单的综述。PMA从最初的单频、窄带、不可调、偏振敏感以及入射角度窄到如今的多频、宽频带、可调、偏振无关及宽入射角发展，且朝着厚度小、密度低、吸收强的方向发展。相信随着未来加工技术的发展、新材料的探索以及结构设计的优化，一定可以设计出小型化、多功能化、低成本的PMA。