柔软基底材料在超材料上的优越应用

虽然超材料的宏观特性主要是由谐振单元结构本身决定的,但其组成材料,包括金属和电介质基底材料,还是能够直接影响超材料的能量耗散,从而影响超材料的宏观特性。构成谐振单元的金属材料应该具有良好的导电性,而构成基底的电介质材料应具有良好的绝缘性,这样才可以使超材料具有最强的电磁响应。在太赫兹波段,超材料的基底多采用高阻硅,它对太赫兹波几乎没有吸收损耗,而且具有良好的绝缘性,易于在表面上镀刻金属结构,且其加工成本低廉,易于大批量生产。但是高阻硅材料坚硬、易碎,不适用于弹性超材料的制备。

为了满足超薄、弹性超材料的制备需求,柔软树脂基底材料被越来越多地应用于超材料的制备中。2008年,美国波士顿大学的Tao等在只有5.5μm厚的高分子聚合物聚酰亚胺(PI)基底材料上制备了太赫兹超材料样品,使超材料具备了弹性、弯折、卷曲等特点[11]。他们一共制备了四种超材料样品,利用太赫兹时域光谱系统测量得到的透射光谱与模拟结果吻合良好,并且样品经卷曲成圆柱后再展开,其谐振频率仍然能够恢复到弯折前的状态,这证明了弹性超薄基底太赫兹超电磁响应的稳定性。(www.xing528.com)

美国加州理工学院的Pryce等在2010和2011年先后发表论文,对工作于中红外波段的开口谐振环(Split Resonant Ring,SRR)超材料进行了拉伸和恢复实验[12]。样品基底为1 mm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)树脂,SRR谐振单元阵列由金属构成。在拉伸实验中,随着样品的不断拉伸,谐振频率产生了明显平移。然而,对比拉伸前和拉伸形变恢复后的测量结果,虽然基底的形变能够恢复,但是谐振频率无法精确恢复到拉伸之前,这说明了机械拉伸过程对超材料谐振单元结构产生了不可恢复的损坏。2012年,新加坡国立大学的Chen等将在柔软基底材料聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)上制备的2D平面太赫兹超材料样品卷曲成圆柱状,通过改变卷曲圆柱的直径实现了超材料谐振的机械可调谐,避免了大机械形变对超材料谐振结构的影响[13]。