专利名称：可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一类可用于实现太赫兹波段的特异介质的电磁谐振单元的结构，更确切地说所述的电磁谐振单元结构分为三种电磁谐振单元的亚波长结构。
背景技术：
按照国际通行定义:特异介质的特殊性就在于——它的性质不是由它的化学组成而决定，而是由它的亚波长结构决定(Metamaterials are materials which owe theirproperties to sub—wavelength details of structure rather than to their chemicalcomposition。)这里所指的亚波长结构通常是周期排列的谐振结构。特异介质有三个重要特征:具有新奇的人工结构；具有超常的物理性质(负介电常数、负磁导率、负折射率等);其性质决定于其中的人工结构而与材料的本征性质无关。由此可以看出，特异介质是一种特殊的人造结构，并不存在于自然界中。也正因为特异介质的特殊性，它表现出很多不同于通常介质的特殊性能。通常介质的介电常数ε和磁导率μ都大于等于1，但是特异介质的介电常数ε和磁导率μ却能够小于I甚至小于
O。按照ε和μ所在区间，能进一步把特异介质分为隐形介质(ε或μ小于I)和手性介质(ε或μ小于0)。通过在材料的关键尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。由于介电常数和磁导率可以为负值，特异介质具有很多反常的奇特性能，如负折射率效应、逆Doppler效应、逆Cerenkov效应，可用于制作超级透镜、隐身衣、天线罩以及各种微波毫米波功能器件。早在1968年，俄罗斯科学家Veselago已提出了负介电常数和负磁导率的假想，并从理论上论证了特异介质的存在。然而，由于缺乏存在天然的特异介质，Veselago的工作在当时并没有引起人们的重视。直到1996年，Pendry等人提出利用金属线周期结构获得负介电常数材料的构想。该结构的等效介电特征类似于等离子体，其等效等离子体频率在GHz范围内，在低于所述的等离子体频率时，金属线阵列的等效介电常数为负值。1999年，英国物理学家Pendry等人又提出利用开口谐振环阵列(SRRs)可以实现负的磁导率。2000年，Smith等人在微波频段制作出开口谐振环和金属线复合结构构成左手材料(介电常数和磁导率都为负值)。近年来，在微波毫米波频段，各种特异介质的设计层出不穷。而长期以来，在太赫兹波段，天然材料表现出较弱的电磁响应，一些功能器件(如滤波器、调制器、移相器和智能开关等)的设计遇到了很大的困难，相对于各种有源和无源器件发展较好的微波毫米波而言，太赫兹领域的技术相对落后。由于特异介质的特殊性能，近年来关于太赫兹特异介质的实现和应用开始引起人们的注意。2004年Science杂志上报道了 T.J.Yen等人首次实现了由两个开口谐振环周期性排列组成的太赫兹波段的特异介质。基于上述描述，本实用新型拟提出一种可实现太赫兹特异介质的三种电磁谐振单元结构，具有结构简单、制作成本低、频带宽的优点。可用于实现太赫兹波段各种功能器件(滤波器、移相器、调制器、智能开关等)的设计。
实用新型的内容本实用新型的目的在于提供可用于实现太赫兹特异介质的三种电磁谐振单元结构。本实用新型提供的三种电磁谐振单元结构如图1所示，其中第一种电磁谐振单元结构是由一个“工”字形封闭的金属环组成，位于两侧的长方形结构可表现出电感特性，连接两长方形结构的平行金属可表现出电容特性；第二种电磁谐振单元结构是在两个嵌套的闭合金属环之间加两个“T”形金属条组成，两个闭合金属环可表现出电感特性，“T”形金属条的一端和内部闭合金属环的一边可表现出电容特性；第三种电磁谐振单元结构是将两个开口金属环用金属条相连，内环与相邻单元的外环相连，开口环的裂口处可表现为电容特性，其他部分可表现为电感特性，内环与相邻单元的外环连接可增强电磁相互作用。在和太赫兹波发生相互作用的时候，在特征金属单元结构上感应出电流，等效的电感、电容发生LC谐振。本实用新型采用200-400nm厚度的金属金实现三种不同结构的电磁谐振单元，分别周期性排列在厚度为50-600 μ m砷化镓衬底上，金属金和衬底的接触采用肖特基接触，通过钛/钼/金(厚度分别为5-30nm、5-30nm和200-400nm)实现，三种电磁谐振单元结构。当谐振单元结构的特征尺寸和工作波长相当或更小时,通过适当的结构设计,可以使谐振单元和电磁波发生强烈的相互作用。通过改变电磁谐振单元尺寸的大小可以改变发生谐振的频点以及谐振类型(电谐振和磁谐振)。三种电磁谐振单元尺寸在60 μ m 120 μ m之间，经周期性排列后得到的样品尺寸大小为2mmX2mm。(图2)通过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真，并在太赫兹时域光谱(THz-TDS)实验装置上对样品进行测试，实现并验证了三种单频太赫兹波段的特异介质。本实用新型的有益效果在于:采用本实用新型提出的三种电磁谐振结构单元，可以成功实现THz波段的特异介质，并且具有结构简单、成本低、频带宽等优点，可有效地应用于太赫兹功能器件的设计。
图1为本实用新型提供的三种电磁谐振单元结构；其中，图1 (a)为第一种电磁谐振单元结构；图1(b)为第二种电磁谐振单元结构；图1(c)为第三种电磁谐振单元结构；图2为本实用新型提供的三种结构实现样品局部图；其中，图2(a)为第一种电磁谐振单元结构；图2(13)为第二种电磁谐振单元结构；图2((:)为第三种电磁谐振单元结构；图3为本实用新型提供的(a)、(b)和(C)三种结构单频带样品对太赫兹波的透射率示意图；图4 (a)至图4 (C)为本实用新型提供的(a)、(b)和(C)三种结构单频点样品介电常数示意图，曲线I表示介电常数实部，曲线2表示介电常数虚部。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本实用新型的具体实施方式
。[0019]图1为本实用新型提供的三种电磁谐振单元结构示意图。根据图1，附图2为用扫描电镜拍的各个电磁谐振单元周期性排列的样品局部图，三个电磁谐振单元大小在60 μ m 120 μ m之间，经周期性排列后得到的实际样品大小为2mmX2mm。利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)实验装置将在砷化镓工艺线上实现的样品进行测试，验证其物理特性。图3分别为单频带样品对THz波的透射率示意图。可以看出第一种结构、第二种结构及第三种结构对THz波各有一个透射禁带。其中第一种结构透射禁带在0.73THz附近；第二种结构透射禁带在0.53附近；第三种结构透射禁带在0.55THz和0.8THz附近各有一个窄带透射禁区。电磁波的传播应满足色散方程:k2= ω2 ε μ其中k为波矢，ω为角频率，ε和μ分别表示相对介电常数和相对磁导率。当
ε μ〈O时，A =电磁波将指数衰减而不能传播。表现出特异介质特性的频段，将会
出现电磁波传输禁带，因此可通过实验得到传输禁带，验证特异介质特性。根据Smith等人的研究，均质介质中S参数与阻抗z，折射系数η关系式可用下式表示:
权利要求1.可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元由一个“工”字形封闭的金属环组成。
2.按权利要求1所述的单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元尺寸介于60-120 μ m 之间。
3.按权利要求1或2所述的单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元经周期性排列后的样品尺寸为2mmX2mm。
4.可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构，其特征在于所述的额电磁谐振单元结构是在两个嵌套的闭合金属环之间加两个“T”形金属条。
5.按权利要求4所述的单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元由一个“工”字形封闭的金属环组成。
6.按权利要求4或5所述的单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元经周期性排列后的样品尺寸为2mmX2mm。
7.可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元是将两个开口金属环用金属条相连，内环与相邻单元的外环相连。
8.按权利要求7所述的单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元由一个“工”字形封闭的金属环组成。
9.按权利要求7或8所述的单元结构，其特征在于所述的电磁谐振单元经周期性排列后的样品尺寸为2mmX2mm。
专利摘要本实用新型涉及可用于实现太赫兹特异介质的电磁谐振单元结构。其特征在于所述的第一种电磁谐振单元结构由一个“工”字形封闭的金属环组成；第二种电磁谐振单元结构是在两个嵌套的闭合金属环之间加两个“T”形金属条组成；第三种电磁谐振单元结构是将两个开口金属环用金属条相连，内环与相邻单元的外环相连。当太赫兹电磁波垂直入射时，介质表现出负的介电常数或磁导率，从而得到三种电磁谐振单元结构可实现太赫兹波段的特异介质，具有结构简单，制作成本低，并且具有宽频带的优点，可以有效地应用于太赫兹功能器件的设计。
文档编号H01P7/08GK202949024SQ20122043887
公开日2013年5月22日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者孙晓玮, 郭万易, 贺连星, 李彪, 孙浩 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所