【《人工表面等离激元的发展历史与研究现状文献综述》6300字】

三维石墨烯的制备及表征人工表面等离激元的发展历史与研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u17957人工表面等离激元的发展历史与研究现状文献综述 1285071.1金属介电函数的Drude模型 1171011.2人工表面等离激元的发展历史 31.1金属介电函数的Drude模型为了能够更好的理解表面等离激元和人工表面等离激元的区别，有必要先简要对金属在不同频段的特性分析一下，金属材料的光学性质对不同的频率表现出不一样的性质；在微波、太赫兹至可见光频段，电磁波仅有少量或可忽略的一部分能量能够渗透到金属导体内部，因此其具有强反射性，一般将低频段的金属视为理想导体或良导体，现今常用于制作各类器件的反射层。而在频率更高的近红外和可见光频段，电磁场的渗透能力逐渐增大；随着频率升高到紫外波段，金属具有色散特性，可以近似为具有负介电常数的等离子体，能够作为介质传输电磁波，其传输能量的衰减幅度由材料本身的电子能带结构所确定，这些金属的光学特性都常用复介电常数来表示。麦克斯韦方程组其中的两个宏观场量（电位移矢量）和（电场强度矢量）与极化量进一步相关可以得到关系式，其中为描述电场中的微观偶极子的电偶极矩。对于线性、各向同性、非磁性介质而言，可定义基本关系，其中表示材料的相对介电常数，而在光学响应中常用这个线性关系来表示和的关系，综合三个式即可得到。DrudeModel常用于金属内自由电子的等效近似，其为忽略电子-电子之间和电子-离子之间的相互作用力的自由电子运动模型，因此材料内中与便不是线性关系，材料的电介质极化率为：(1-1)式中，为金属中自由电子所引起极化的电介质极化率，为单位体积电子数，为电子电荷，为电子密度，为阻尼系数，为入射波频率。由于金属中的存在着束缚电子和自由电子，因此其相对介电常数可以表示为:(1-2)式中，通常，而的实部和虚部可以表示为：(1-3)(1-4)其中等离子体频率为金属内大量自由电子振荡的内在频率，其往往通过电子损失谱获得。由式子（1-3）可知，当入射金属的电磁波波频率时候，金属的介电常数的实部，因此金属导体内部可以传输电磁波；而当入射波频率时候，金属的介电常数的实部，因此入射金属的电磁波一部分会被反射回来，另一部则会沿着金属内部传输但呈指数衰减。一般来说，金属的等离子体频率大于可见光频率一个量级，即，因此光波段的电磁波并不能在金属内部传输，但文献[24]指出当电磁波频率时候，介电常数为负数的金属支持在金属/介质分界面传输表面电磁波，即表面等离激元。对于简单的金属/介质分层结构来说，两种材料分界面所产生SPP波的色散关系式：(1-5)式子中为真空中光的波矢，而和分别表示金属和介质的介电常数。因此所得到的的实部和虚部分别表示所传输SPP波的传输特性和衰减特性。由（1-5）式可知，当金属介电常数的实部小于0，介质介电常数大于0，并且，则可以得到1.2人工表面等离激元的发展历史 在微波和太赫兹频段，电磁波无法像在光频段渗入金属导体内部，因而无法形成电磁场与金属表面自由电子相互作用并局域在介质分界面传输的表面电磁波模式。人工表面等离激元是通过金属表面周期性开槽，从而增加场能量渗透到表面结构从而模仿形成类似表面等离激元这样光子响应的受限表面电磁波。不过对于金属开槽的结构尺寸和距离均需远小于波长，这样的亚波长结构可以看成一种等效介质，这也是目前研究的热点——人工电磁材料，也可以叫做超材料。2004年，ImperialCollegeLondon的Pendry团队基于理论证明了低频段的导体可以形成类似表面等离激元的表面电磁波模式[12]，即在金属导体表面上开周期性孔槽下图1-1（a）所示，通过这样的调整使得在凹槽方向上下传输的模式相互作用形成共振态，各孔槽中的局域模式之间耦合形成表面波，使得低频段能诱导出与光频段表面等离激元相似的电磁传播模式。这种表面波不仅有与表面等离激元相像的色散特性，如图1-1（b）所示，随着波矢的增大，结构的色散曲线逐渐偏离光锥线，最终趋近于一个类似表面等离激元截止频率（为金属等离子体频率）这样定值频率，这种表面波便被称为人工表面等离激元（SpoofSurfacePlasmonPolaritons，SSPP）。Pendry团队这一发掘的这种现象掀起了低频段人工表面等离激元的研究浪潮。图1-1（a）金属表面周期性开槽（b）结构相应色散曲线2005年，UniversityofExeter的Hibbins等人对周期孔槽结构化金属表面（图1-2a）诱导所形成表面电磁波模式进行验证，证明微波频段金属表面所传送的电磁模式具有与表面等离激元相似的色散曲线；同时基于交界面谐振处所测电场数据证明沿金属表面存在大量功率流，验证该电磁模式具有与表面等离激元类似的高局域特性[25]。同样是在2005年，UniversidadAutónomadeMadrid的Garcia-Vidal等人基于Pendry的推导将周期结构化金属表面划分为一维凹槽阵列和二维周期孔洞进行理论验证，结构模型如图1-2（b）（c）所示，推理证明在微波频段金属周期凹槽或孔洞均能产生类似表面等离激元的表面电磁波，并且可以通过调整凹槽或孔洞的结构参数，从而对该电磁传输模式进行调控[26]。。在此之后2008年，UniversityofBath的C.R.Wiliiams等人设计了非穿孔的二维周期金属孔洞结构，其不同于先前Pendry理论所推导的通孔结构，具体结构如图1-2（d）所示，验证了该结构在太赫兹频段所激励起的表面波具有表面等离激元的电磁特性，首次实验证明了结构化金属表面能传输太赫兹SSPP波[27]。图1-2（a）Hibbins设计周期孔槽结构化金属表面（b）一维沟槽阵列（c）二维孔洞阵列（d）C.R.Wiliiams所提非穿孔的周期孔洞设计之后，学者们提出了一系列支持传输SSPP的波导结构。Fernández-Domínguez等人提出在均匀V型开槽再蚀刻周期间隔分布的凹槽[28]，如图1-3（a）所示；JiangT等人设计了V型槽和U型槽混合周期排列的D-CPP(DesignerChannelPlasmon)结构[29]，如图1-3（b）所示；Fernández-Domínguez则提出了楔型结构蚀刻间隔分布的周期性凹槽[30]，如图1-3（c）所示，可以看到该结构与其先前提出的图(a)结构互补，两种结构都能有效支持太赫兹SSPP波传输；Gao等人则将图（c）结构中的凹槽去除，得到一个周期间隔排列的楔型结构[31]，如图1-3（d）所示，同样能支持SSPP波传输，实现实现了高束缚性的横向场、良好的模态振型、长传播距离和低弯曲损耗等特性。图1-3（a）蚀刻凹槽的均匀C型槽结构（b）一维沟槽阵列（c）二维孔洞阵列（d）C.R.Wiliiams所提非穿孔的周期孔洞设计1.2人工表面等离激元的研究现状上述的沟槽或孔洞结构虽然都能支持微波或太赫兹频段SSPP波的传输，但其均为一维或二维的立体结构，难以与现今成熟的PCB印制板工艺的微波电路集成，其实用价值大打折扣。2013年，东南大学的TieJunCui团队设计一种在聚酰亚胺柔性膜上蚀刻超金薄属周期矩形凹槽结构（厚度t=0.01mm，接近于0）的波导[32,33]，其能在微波和太赫兹频段诱导出SSPP波并支持其传输，具体如图1-4（a）所示，随着金属厚度t不断减小，但其结构的色散曲线均在光锥线的下方，表明电磁波能够被束缚在这种超薄介质基底上的超薄凹槽金属上传播；由于SSPP波具有高局域特性，因此SSPP波导能够实现电磁波在不规则路径的高效率传输；实验和仿真验证了金属褶皱结构在弯折90°时（如图1-4（b）所示）传输的电磁能量仅有轻微的衰减。这种超薄共形的结构能够实现微波和太赫兹频段SSPP器件的小型化，利于与传统微波系统集成。图1-4（a）超薄金属矩形凹槽结构结构图与其色散曲线（b）蚀刻褶皱金属条带柔性模与其90°弯折S参数和近场测试结果 由于人工表面等离激元的波矢大于介质中波矢，因此空间导波与SSPP之间存在动量不匹配等问题，先前所研究的一些激励方法效率较低，难以满足实际生产使用。2014年，HuiFengMa课题组基于共面波导（coplanarwaveguide，CPW）转换结构实现了宽频带和高效激励SSPP[34]，如图1-5所示，设计类似Vivaldi渐变地面和沟槽深度渐变的结构来实现波矢匹配，完成传统CPW的TEM波到SSPP波的转换。图1-5（a）基于CPW转换结构的SSPP波导（b）渐变过渡段和没有引入渐变过渡段的波矢（x方向）变化 微带线作为更常用的微波传输线，同样有学者对其模式转换进行研究。NationalUniversityofSingapore的AminKianinejad基于微带线设计的慢波转换结构[35]（图1-6（a））实现从准TEM模到SSPP模的阻抗、极化方式和动量的匹配，在完成高效激励的同时，减少了匹配段的周期单元数量，从而减少过渡段长度。东南大学的LiaoZhen等人提出了另一种微带线与SSPP波导的模式转换匹配结构[36]，见图1-6（b），完成由微带线到共面带线再到SSPP波导的分段过渡，在完成高效的传输匹配的同时减小接地面面积。GaoX,和ZhouL等人提出了微带线-槽线转换结构[37]，见图1-6（c）利用开路的微带线结构与介质基板背面短路的槽线开孔耦合，激励槽线开孔周期凹槽结构中具有奇模特性的SSPP模式，相较于上述的其他结构，模式匹配转换结构设计更为简洁。图1-6（a）AminKianinejad所提出SW-TL结构（b）LiaoZhen等人提出的微带与共面带线转换结构（c）GaoX等提出的微带-槽线转换结构除了对于传统传输线与SSPP传输线之间的高效转换结构的研究，为了进一步器件小型化，学者们纷纷提出不同的周期单元结构，加强SSPP的束缚能力。例如YingJiangGuo团队设计了鱼骨凹槽型的单元结构[38]，WeiZhang等人设计的螺旋型周期单元[39]和YuWang团队设计的环形结构[40]等，具体如图1-7所示，对比相同尺寸传统金属矩形槽结构，均能显著降低色散曲线的渐进频率。上述结构均学者们被应用在波和太赫兹频段设计各种基于人工表面等离激元的电磁器件。图1-7（a）鱼骨凹槽型（b）螺旋型（c）环形在微波和THz频段成功激励出SSPP波之后，学者们也开始对其更多物理特性进行探索，以希望能够解决现今微波电路所存在的痛点。随着超大集成电路的发展，电路布局布线的密度不断增大，信道容易受到相邻通道的能量干扰，从场的角度来说，由于相邻通道的电场重叠，容易导致传输线的电场互耦，这种相互耦合可能会导致严重的信号失真。东南大学的HaoChiZhang团队验证了分布于介质基板两侧反对称的矩形凹槽金属条带所传输SSPP波的耦合小于相同分布间距和宽度的微带线，表明了SSPP波导所传输的表面波相较于传统传输线具有更好的性能[41]。而JinJeiWu等人验证金属波纹结构的SSPP耦合电路能够将电磁波局域在金属凹槽之中，与传统的差分微带线相比较可以明显降低临近传输线的信号串扰[42]。以上SSPP所表现的特性都体现了人工表面等离激元相较于传统微波传输线的优越性能，能够为解决高速数字系统的信号完整性和线路邻间耦合等痛点问题提供解决思路。SSPP除了具有亚波长局域等电磁特性，其还表现出天然的一个低通滤波器特性，学者们也基于此对其传输调控进行研究。2014年，BaiCaoPan通过设计电谐振超材料单元结构[43]，实现与SSPP传输线的紧耦合改变表面阻抗匹配，如图1-8（a）所示，在单元结构谐振点产生阻带滤波，从而SSPP传输线的带阻传输调控；并且通过调控电谐振超材料的几何尺寸、数量和位置，能够完成通带内阻带的带宽变化，实现窄带和宽带的模式切换。LiZhuo其团队通过设计H型周期结构的缺陷单元实现了局域型人工表面等离激元和传输型人工表面等离激元的混合系统；通过在共面波导背面蚀刻带有缺陷单元的超薄周期波纹金属带[44]，如图1-8（b）所示，有效激励缺陷单元的谐振模式，每个缺陷单元都可以引入一个窄阻带，通过控制缺陷单元数量和高度能够对阻带的带宽和中心频率进行调控，从而实现对SSPP传输线的陷波或带阻特性的目的。JiaYuanYin等人将通过在级联的双H型周期单元引入带隙[45]，如图1-8（c）所示，在SSPP波传输过程中借由带隙结构所产生的电容耦合，使得传输线的表面阻抗匹配受到干扰从而实现带阻特性，在SSPP传输线工作频率范围内实现阻带。图1-8（a）基于超材料谐振单元调控阻带（b）基于局域人工表面等离激元调控阻带（c）基于周期结构带隙的电容耦合引入阻带在微波和THz频段实现SSPP的电磁传播模式后，学者们开始着力于对其辐射特性的研究，但由于SSPP的亚波长局域特性，如何实现高效SSPP模和空间波的模式转换以及SSPP模式更多的辐射现象的研究还在不断推进。2012年，复旦大学的LeiZhou教授团队提出一种H型的渐变超表面结构[46]，通过调整H型结构大小实现渐变折射率，基于Snell定律高效实现自由空间电磁波和SSPP模之间模式转换。而2014年，ZaiPingNie教授设计了基于三维SSPP波导的贴片天线阵列，如图1-9（b）所示，通过SSPP波导对凹槽上面特殊排列的方形贴片耦合馈电[47]，实现圆极化辐射，并且随着波导工作频率发生改变，天线的主辐射方向也发生改变，具有频率扫描的特点。随后的2015年，TieJunCui团队提出一种二维平面结构的基于人工表面等离激元的漏波天线[48]，如图1-9（c）所示，通过SSPP波导实现对渐变H型超表面结构进行馈电，由于结构波矢变化从而将SSPP波转化为空间波，并基于H型结构的色散特性实现频率波束扫描。QingLeZhang和QingfengZhang提出了一种基于SSPP传输线馈电的高效圆极化漏波天线[49]，如图1-9（d）所示，通过对传输线两侧周期性加载的正交且沿传播方向偏移1/4波长的矩形贴片耦合馈电，从而实现将SSPP表面波转化为圆极化空间波，由于SPPs波导的色散特性，这种漏波天线天然具有波束扫描特性。2017年，JiaYuanYi设计了一种基于SSPP的端射天线[50]，如图1-9（e）所示，在SSPP传输线末端蚀刻偶极子天线作为主辐射器，将双导体结构的SSPP传输线作为巴伦馈电印刷偶极子天线，基于Snell定律在天线加载具有等效有折射率的周期排列的“I”型结构，从而实现SSPP表面波转换为自由空间的辐射波，并在端射方向上的增益增强。图1-9（a）LeiZhou设计渐变超表面（b）ZaiPingNie所提基于三维SSPP波导馈电的圆极化天线（c）二维平面结构的SSPP漏波天线（d）二维平面的SSPP圆极化天线（e）JiaYuanYin提出的SSPP天线结构（Gradient-indexmeta-surfacesasabridgelinkingpropagatingwavesandsurfacewaves）除了对人工表面等离激元的传输特性和辐射特性进行探索，学者们还将其与其他领域的研究成果相结合。2015年，QianZhang基于SSPP的低通特性和传统基片集成波导（Substrateintegratedwaveguide，SIW）的高通特性设计了一种金属褶皱SSPP波导与SIW波导级联的混合电路[51]，通过分别调控SSPP的渐进频率和SIW的截止频率实现带通特性，能够灵活的控制传输带宽，但由于需要多段果断结构，器件整体尺寸较大。图1-10人工表面等离激元和基片集成波导级联的混合电路由于SSPP的周期单元结构能通过调整结构的尺寸调整对色散曲线进行调节，因而实现不同的等效折射率；FanYang等人提出了基于此原理，设计了应用于Ka波段多波束水平扫描透镜天线[52]，通过改变凹槽的槽深改变结构的等效折射率，控制凹槽数量模拟所需的相位延迟，从而将柱面波转换成平面波，在不同馈电天线之间切换，可以在30GHz频率下实现1D波束扫描，扫描覆盖范围为±14.1°的透镜天线。此外，阵列的所有单元可以同时工作，实现多波束扫描或切换波束扫描，设计的透镜天线为全金属结构，具有加工简单、成本低和能适应极端环境等优点，在毫米波通信、雷达和成像等领域具有应用前景。图1-11基于SSPP波导色散特性的Ka波段多波束水平扫描透镜天线 目前对于SSPP的有源和无源器件已经有了相当一部分的报道，例如滤波器、功分器、耦合器和放大器等等，这些器件都是微波射频系统的重要组成部分，学者们希望能够能够利用SSPP器件的低损耗和低干扰等特性去解决射频系统现存的各种问题。在2020年HaochiZhang与FranciscoJ.Garcia-Vidal合作提出基于人工表面等离激元的系统级无线通信方案[53]，基于SSPP的高局域束缚特性和低不连续传输损耗的特点，能够抑制亚波长间距的相邻信道的相互耦合，确保了信号传输过程中的完整性。在与传统的亚波长间距的无线传输方案相比，基于SSPP的方案能够实现两部4K影片无损的实时传输，并不会出现信号串扰，画面失真等现象。该方案的实现为SSPP在更多应用场景提供全新思路，能够在大规模集成电路领域发挥重要作用。图1-12（a）基于SSPP的无线通信系统级解决方案（b）人工表面等离激元无线通信系统与传统微带系统的电影传输效果对比参考文献[1] PEELERG,COLEMANH.Microwavestepped-indexLuneberglenses[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation,1958,6(2):202-207.[2] DEFORNELF.Evanescentwaves:fromNewtonianopticstoatomicoptics[M].73.SpringerScience&BusinessMedia,2001.[3] CALOZC,ITOHT.Electromagneticmetamaterials:transmissionlinetheoryandmicrowaveapplications[M].JohnWiley&Sons,2005.[4] FEISEMW,BEVELACQUAPJ,SCHNEIDERJB.Effectsofsurfacewavesonthebehaviorofperfectlenses[J].PhysicalReviewB,2002,66(3):035113.[5] AYDINK,BULUI,OZBAYE.Subwavelengthresolutionwithanegative-indexmetamaterialsuperlens[J].Appliedphysicsletters,2007,90(25):254102.[6] HARVEYA.Periodicandguidingstructuresatmicrowavefrequencies[J].IEEETransactionsonmicrowavetheorytechniques,1960,8(1):30-61.[7] HUANGC-P,ZHUY-Y.Plasmonics:manipulatinglightatthesubwavelengthscale[J].ActivePassiveElectronicComponents,2007,2007.[8] ZHOUX,FUY,LIZ,etal.SurfacePlasmonPolariton-BasedNanophotonicDirectionalCoupler[J].JournalofComputationalTheoreticalNanoscience,2010,7(1):264-268.[9] TANAKAK.SurfacePlasmonPolaritonGapWaveguideandApplicationstoNano-photonics[J].IEEJTransactionsonFundamentalsMaterials,2008,128(2):41-44.[10] GORDONR.Surfaceplasmonnanophotonics:atutorial[J].IEEENanotechnologymagazine,2008,2(3):12-18.[11] CHOUY-H,HONGK-B,CHOUB-T,etal.High-operation-temperaturealumi