柔性铝箔超材料通过导电耦合实现电磁诱导透明

摘要

本文提出一种导电耦合太赫兹金属超材料，展现电磁诱导透明（EIT）类比效应，其中亮模和暗模天线通过表面电流而非近场耦合相互作用。采用廉价且常用于食品包装的铝箔制备超材料，因此器件亦具柔性。设计中铝棒谐振器和铝分裂环谐振器（SRRs）以叉形结构连接（而非分离）。通过数值模拟和实验分析机制。局域表面等离子体（LSP）共振（亮模）产生的表面电流沿不同路径流动，在SRRs分裂间隙产生电位差，诱导LC共振（暗模），抑制亮模，从而产生EIT。该超材料表现出的EIT类比现象由表面导电电流诱导，为EIT超材料结构设计提供新思路。此外，柔性基底上微结构制备工艺为未来柔性微结构生产提供参考。

引言

超材料是具有亚波长结构的人工工程复合材料。通过改变周期晶格结构和尺寸，可任意设计介电常数、磁导率、电导率等物理特性。因此，通过调整单元几何结构可实现许多有趣现象，应用潜力巨大，如金属透镜及超表面波前调控、负折射率介质、偏振器、超材料吸收体、可重构半器件等。超材料与二维材料结合进一步拓宽研究领域。其中超材料展现的电磁诱导透明（EIT）类比现象是研究热点。

EIT原为量子力学现象，最初在原子/分子系统中观测到，基于两束激光驱动跃迁的破坏性干涉。EIT使高度不透明介质在窄谱区因无吸收而透明，现已在波导结构中实现。超材料中也观测到EIT类比，表现为宽不透明区中窄透明峰。周期结构与入射电磁场相互作用可激发多种共振，不同共振间破坏性干涉导致超材料EIT类比现象。许多研究者投身此课题，提出多种结构实现该现象。当前常见EIT形成机制基于“亮模”和“暗模”破坏性干涉。例如：金属分裂环谐振器（SRRs）中感性-容性（LC）振荡抑制金属棒局域表面等离子体（LSP）共振；四极子抑制偶极子（棒状谐振器不同方向组合或不同方向棒状凹槽）；介质块或介质环谐振器磁共振抑制介质棒谐振器电共振。低品质因数（Q因子）亮模与高Q因子亮模（准暗模）破坏性干涉也诱导超材料EIT类比。如高Q因子SRRs LC共振抑制低Q因子金属环谐振器LSP共振；波导层高Q因子导模抑制其上周期结构共振。部分学者引入可控物质实现EIT全光调控或主动电子控制。大多数设计中，特别是金属超材料，不同模式天线总是分离的，通过近场耦合相互作用。

金属在太赫兹频段具有高电导率。超材料结构激发共振时产生表面等离子体，同时诱导表面传导电流，使导电耦合成为可能。本文提出一种设计，让不同谐振器通过表面电流相互作用。提出导电耦合太赫兹金属超材料，亮模和暗模天线以叉形结构连接实现EIT类比。

方法/实验

图1展示导电耦合太赫兹超材料设计。结构为互连铝棒谐振器和铝SRRs形成的叉形周期阵列。单元周期x、y向相等：P_x=P_y=150 μm。方形SRR边长a=45 μm。两SRRs间隙S=30 μm。SRR裂缝间隙g=10 μm。铝棒长度L=65 μm。铝条和SRRs线宽w=8 μm。基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。所有模拟用CST Microwave Studios全波仿真（铝电导率3.56×10⁷ S/m，PET介电常数3.2）。铝结构仿真厚度150 nm。假设入射光为沿-z轴反向传播平面波，电场和磁场分别沿y轴和x轴偏振。

实验采用购买PET-铝膜复合材料作原料。这种商用铝箔极便宜常用于食品包装。采用光刻（激光直接写入）和湿法刻蚀制备。相比传统微纳加工，激光直接写入无需掩膜可设计加工、易于集成、具3D结构能力。因PET基底极软（厚约20 μm），先在平整洁净石英衬底滴挥发性液体，压平PET-铝膜复合材料并排出气体，液体挥发后复合材料牢固吸附石英表面，便于后续旋涂光刻胶和光刻工艺。制备完成后轻柔从石英衬底取下进行测试。太赫兹时域光谱（THz-TDS）测量样品法向入射y偏振复透射系数。图2展示制备柔性超材料样品，中间看似透明部分为60×80周期阵列，插图为制备导电耦合结构显微镜图像。该方法为柔性材料微结构制备提供参考，实现柔性器件。

结果与讨论

图3展示导电耦合太赫兹金属超材料模拟和实测频谱（黑实线和蓝虚线），旁边显示显微镜结构图。实测曲线与仿真结果吻合良好。制备超材料在约0.76 THz展现透射峰。实测EIT峰值透射率约0.15–0.45，低于仿真0.7。按透射峰中心频率与半高全宽（FWHM）比，仿真谱Q因子17.5，实验因损耗和测量精度降至约12。为对比，制备测试常规结构（棒谐振器与SRRs分离近场耦合）。图3亦展示常规分离结构模拟实测谱（红实线和粉虚线）。常规分离结构在0.5–1 THz范围内无EIT现象或共振。对比发现导电EIT超材料机制不同于常规分离结构。

实验结果虽大体吻合仿真，存在细微差异。分析模拟不同参数影响，见图4。首先超材料由铝构成，铝表面易生成致密氧化膜降低结构电导率，削弱导电耦合效应。图4a展示电导率对EIT现象影响。电导率从3.56×10⁷降至3.56×10⁵ S/m时，EIT振幅显著下降，频率微移0.76→0.72 THz。实测制备超材料尺寸与仿真参数有差异：铝条和SRRs线宽w（6.5–7.5 μm）比设计值8 μm细；方形SRR边长a（43–41 μm）小于设计45 μm；铝棒长度L（61–62 μm）短于设计65 μm。w、a、L对EIT影响见图4b、c、d。图4b：w减小时EIT频率下降。因w同时涉及SRRs和金属棒结构，参数变化导致吸收频率和透射频率偏移。图4c、d：a和L减小时EIT透射峰和吸收范围均蓝移（频率增加）。实验仿真参数差异综合导致实测谱与仿真谱差异。此外，从图4参数变化引起吸收区和透射峰频移可推断：虽亮暗模天线集成结构中，两天线尺寸仍有严格要求以使两模式频率匹配。

为进一步分析导电超材料EIT形成机制，模拟EIT峰频率（0.76 THz）和透射谷（0.71、0.81 THz）处表面电流和电场分布，见图5左右两侧。图5a表面电流从SRRs外侧金属臂流向棒谐振器，符合入射电场偏振方向（沿y轴两端来回振荡），展现典型LSP共振。图5b EIT频率（0.76 THz）表面电流分布：涡旋电流主要集中SRRs，指示基频LC共振和LSP共振抑制。高频透射谷（0.81 THz）表面电流沿y轴方向两端流动，指示LSP共振（图5c），但电流流经SRRs内侧金属臂。对比图5a路径，图5c传导路径更短，对应更短共振波长和更高共振频率。图5e、d、f分别为EIT透射峰和两侧透射谷电场分布。图5e电场能量主要集中SRRs裂缝；图5d、f电场能量主要集中结构两端。这些现象与各自表面电流分布对应。

实际上，LC共振（暗模）产生也可从电路角度解释。LSP共振（亮模）激发时，表面电流沿y轴来回振荡。电流流至棒谐振器与SRRs连接点时，传导路径分叉。电流从分叉点通过两条路径流向SRRs分裂间隙：一条沿SRRs外侧金属臂（符合图5a电流方向）；另一条经SRRs内侧金属臂（图5c）。此现象类比SRRs裂缝充放电过程。文献已将金属棒与SRRs耦合谐振器建模为RLC电路，"LC共振"概念沿用多年。金属SRR裂缝可视为电容。表面电流在金属臂传导虽金属导电率高仍有电阻；高频电磁波振荡下对表面电流高速变化有阻碍，即存在电感。金属臂电阻电感与长度成正比。若分叉后外侧和内侧两路径不对称（图6a），R₁小于R₂+R₃，L₁小于L₂+L₃。C₁充放电时两路径速度恒不同，在SRRs分裂间隙产生电位差。这等效于施加极化方向沿裂缝电场的外部电磁场激励SRRs。众所周知入射电场极化沿裂缝方向时可激发SRRs LC共振模式。

若连接棒谐振器与SRRs的点位于SRRs垂直中心线上（图6b），分叉后外侧内侧两路径对称。此时R'₁=R'₃，L'₁=L'₃。两路径充放电速度恒相同，无电位差产生。

为验证上述推测，设计制备另一超材料，连接点位于SRRs垂直中心线。图7a展示该超材料模拟实测谱，旁边插入显微镜结构图。仿真实测均显示该频率范围仅有共振。实测共振频率约0.85 THz与仿真约0.87 THz有偏差（主要因实验误差），但曲线吻合良好。图7b展示共振激发时表面电流分布，呈典型LSP共振。因两传导路径距离相同，电位降低量相同，SRRs分裂间隙无电位差，无法形成LC共振和EIT类比现象。该LSP共振频率（0.87 THz）高于前结构，因电流可流经两路径，等效并联电路电阻电感小于任一支路，相当于更短传导路径，共振波长变小频率变高。

模拟两传导路径不对称度对EIT现象影响，结果见图8。图8a连接点上移时透射峰振幅随之增加。图8b中间连接棒弯曲（为连接点外移准备），弯曲角增加时EIT吸收区频率升高。弯曲角增大更多传导路径并联（路径变宽），等效更短传导路径，共振频率升高。这也解释图7共振频率高于图3。图8c连接点外移时不对称度减小，C₁两路径充放电速度趋同，电位差减小，暗模强度逐渐减弱，EIT透射峰下降。反映分叉点后SSR两路径差异越大，EIT效应越强。

分离导电超材料EIT结构单独研究。图9展示结构不同组件模拟实测谱。图9a金属棒与SRRs外侧部分组合结构在y轴偏振电场激发下产生0.72 THz显著共振。图9d共振激发时表面电流分布类似图5a。虽方向不同但整体趋势相同，因入射电磁场来回振荡。图9b SRRs组合在不同偏振入射光激发下谱。电场极化垂直裂缝方向时0.5–1 THz无共振，透射率维持高水平。电场极化平行裂缝时0.78 THz产生共振。图9e共振激发时表面电流分布，涡旋电流在SRRs表面来回循环，类似图5b。但图5b两涡旋电流流向关于y轴镜像对称，图9e中方向相同。因图9e两SRRs共振由同一电场激发，涡旋电流方向相同；图5b中超材料结构及两SRRs分裂间隙产生电位差方向关于y轴镜像对称，激发电流亦镜像对称。频率差异（0.76 vs 0.78 THz）因导电超材料涡旋电流不严格仅分布SRRs，传导路径拉长增加共振波长，使EIT峰频率（0.76 THz）略低于SRRs组合LC共振频率（0.78 THz）。图9c金属棒与SRRs内侧部分组合在y轴偏振电场下产生0.79 THz显著共振。图9f共振激发时表面电流分布呈典型LSP共振。上述组件共振分别对应低频透射谷、EIT透射峰、高频透射谷条件。

结论

总之，提出导电耦合太赫兹金属EIT超材料，亮暗模天线以叉形结构连接。采用廉价食品包装铝箔制备，器件具柔性。通过数值实验分析机制。LSP共振（亮模）表面电流流经不同路径，因连接点相对SRR裂缝不对称，在SRRs间隙产生电位差，等效极化沿裂缝外部电磁场激励，诱导LC共振（暗模），抑制亮模产生EIT。结构通过表面导电电流相互作用，为EIT超材料结构设计提供新思路。柔性基底微结构制备工艺为未来柔性微结构生产提供参考。

数据与材料可用性

所有数据完全无限制获取。

缩略语

EIT:

电磁诱导透明

LC:

感性-容性

SRRs:

分裂环谐振器

LSP:

局域表面等离子体

Q factor:

品质因数

PET:

聚对苯二甲酸乙二醇酯

THz-TDS:

太赫兹时域光谱