基于超材料的单频层状吸波体仿真

时间：2024-09-03

中南大学物理与电子学院黄治涵

1 引言

人工复合材料的超材料与常规介质不同，具有三个重要的特征（1）是由人工微结构单元构成的复合材料。（2）具有超常的物理性质（3）其性质与结构主要来源与人工结构而非构成材料本身的材质。超材料所具有的超常物理特性往往各有不同，这取决于设计者的设计想法，而如今应用最广泛的还是超材料对于各类电磁波乃至光波的强吸收特性。

2 仿真原理

由于超材料的亚波长特性，我们可以通过微结构的设计可以实现电磁参数ε和μ的调控，从而实现超材料与电磁波作用方式的调控。通过调整使材料的电磁特性成复数，实部是对电磁场能量的转换特性，而虚部是材料介质对波的损耗特性。而本次仿真所利用的则是利用多层状结构材料的电磁参数虚部对波的损耗，实现材料对某一频率波的吸收特性。

3 吸波效果仿真

3.1 仿真模型

平面电磁波沿z轴垂直入射电磁场区域中，建立仿真模型如图1、2所示。计算区域是一个8×8×16的长方体，材料中的微元结构是一个由树脂材料做的8×8×0.5的长方体，长方体上表面同心处附上一个半径为3的铜质圆片，底面是一个边长为8的正方形铜片，设置边界条件无穷大，则这样的微元结构在z轴上无穷连续。求解范围是16GHZ。

图1 仿真模型图

图2 仿真模型图

3.2 仿真效果

可以从仿真的结果的绘图以及导出的数据表格可以看出来，该材料对于12.5GHZ频率的波具有强吸收特性。不同材料的谐振频率不同，通过调节结构参数吸收特性还会更加明显。这里的仿真其实强吸收特性一般要做到-10dB，但也足以模拟这种超材料结构的吸波特性。

图3

4 超材料的制备

4.1 SRRs制备工艺

如前文所述，Pendry从电磁场理论入手，提出了以SRRs方法为代表的具体化的超材料设计方法。

通过SRRs制备工艺的相关内容进行分析，我们可以发现，Drude-Lorentz具有在经典的电磁场理论中，描述材料性质的作用。开环共振器(SRRs)和细金属导线构成的复合微结构是超材料制备过程中的常用结构，根据该理论的相关内容，介磁导率与介电常数的之间存在着一定的相似性，与之相关的计算公式如下所述：

其中ωm代的内容为体系的磁共振频率，F用于表述金属占据格子的体积分数，i为虚数单位，Γ为损耗频率(远小于ωm)。其中ωp为电子的等离子体共振频率，而γ为损耗频率。由上式可推知，SRRs体系在大于共振频率ωm的情况下，会产生负的磁导率；当ω＜ωp时，系统之中会出现负的介电常数。就上级SRRs制备原理而言。除了SRRs之外，介质材料周期排列工艺也需要得到人们的关注。介质材料周期排列工艺建立在周期性的结构的基础之上。晶格点阵的Bragg散射在这些周期性结构中发挥着重要的作用。与之相关的负折射效应可以说是非均匀媒质对电磁波的复杂集体响应行为的等效表观现象。

4.2 非SRRs制备

关键尺寸上层次的有序排列，是超材料制作过程中所遵循的重要设计思想。超材料设计思想建立在材料关键物理尺度结构基础之上，它可以借助关键物理尺度上的结构有序设计。发挥出突破某些表观自然规律的限制的作用。SRRs就是建立在材料关键物理尺度结构基础之上的超材料制备工艺。除了SRRS技术以外，基于电子束曝光系统的超材料制备工艺也是一种较为常用的“超材料”制作方法。根据光子晶体材料研究工作的实际情况，光频段的完全光子带隙的实现，是人们在实验方面所追求的主要目标。在光子晶体材料研究工作开展过程中，一些研究者选择了银作为介电背景的设计方案。这一设计方案可以在利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体的基础上，获取具有接近完全带隙的光子晶体。在利用斜角沉积技术开展研究的基础上，一些研究人员已经研制出了为光学工业界所接受的，规模化光学超材料生产技术。一些研究人员利用这一技术这种技术在硅基板上制作了银纳米柱构成的薄膜，该可以利用特殊方式操控光的薄膜在光电产业上具有较为广泛的应用前景。但是通过对这一技术的研究现状进行分析，我们可以发现，现阶段利用这一技术制作而成的超材料的工作频率相对有限频率范围内工作，也难以在实际环境下开展批量生产。为克服这个问题，任贻均等(Yi-Jun Jen)等采用了基于斜角沉积法的超材料制作技术。根据其提出的超材料制作技术的内容，人们首先需要借助电子轰击手段，对银块材料进行气化处理，并要让银蒸气沉积在2英寸厚的硅基板上。在气化处理环节结束以后，人们可以通过调整基板的倾斜角度的方式，让银产生自我遮蔽效应作用。此时朝蒸气注入的方向生长成纳米柱长成的银薄膜厚度为240nm，银纳米柱长650nm、宽80nm，并与基板法线夹66度角。在波长介于300至850nm的光照射样品以测量其光学特性，以后，研究人员发现，此类超材料可以在波长介于532至690nm间会产生负折射。