超材料為具有超常電磁性質(zhì)的人工結(jié)構(gòu),因擁有自然界材料沒有的介電常數(shù)、磁導率和折射率等電磁性質(zhì)而引起人們的關(guān)注。雙曲超材料是具有強各向異性介電張量或磁導率張量的介質(zhì),其介電常數(shù)張量或磁導率張量的分量在一個或兩個空間方向上為負,與其他類型的超材料相比,雙曲超材料具有在光學頻率下相對容易制造、寬帶非共振和三維體響應以及靈活的波長可調(diào)諧性等優(yōu)點。本文綜述了雙曲超材料的特性、實現(xiàn)方法、可調(diào)諧及活性以及其作為超靈敏傳感器的發(fā)展,重點討論了基于金屬/介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)及金屬納米線陣列的雙曲超材料作為生物傳感器的原理及研究進展,并指出雙曲超材料傳感器發(fā)展的長期目標是結(jié)構(gòu)簡單、便于制備、寬頻帶和多元分析。 

【文章來源】：材料工程. 2020,48(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

圖1 雙曲超材料的等頻線(雙曲線)和各向

目前,雙曲超材料的實現(xiàn)方法有兩種:亞波長厚度的介質(zhì)層和金屬層交替排列的疊層,稱為多層結(jié)構(gòu);嵌入電介質(zhì)基體中的金屬納米線陣列,稱為納米線陣列。雙曲超材料的示意圖如圖2所示[9]。根據(jù)等效介質(zhì)理論(effective medium theory,EMT)[19],這些結(jié)構(gòu)可以得到雙曲線性質(zhì)的介電張量。1.2.1 多層結(jié)構(gòu)

圖3給出了用濺射技術(shù)制造的質(zhì)量優(yōu)異的Si-Ag多層HMMs[23]。圖3中白色為Si,黑色為Ag,形成了周期性結(jié)構(gòu)。Ag和Si的厚度分別為12.4 nm和2.6 nm,體積填充率大約為83%。多層HMMs組成材料的選擇取決于目標光譜范圍、損耗和阻抗匹配。為了實現(xiàn)阻抗匹配,εd0和εm0的絕對值相差不能超過一個數(shù)量級(此時,來自介質(zhì)側(cè)的輻射被反射而不是傳播)。Ag和Au的等離子體頻率在紫外區(qū),分別為2224.3 THz和2151.7 THz(9.2 eV和8.9 eV)[24]。當頻率低于這些值時,其介電常數(shù)變?yōu)樨撝?并隨著頻率的逐漸降低而增大。在整個紫外和可見光區(qū)域,一方面金屬的損耗有限,另一方面,相對較小的εm0可以與弱吸收介質(zhì)(Al2O3和TiO2等)的εd0相匹配,因此可以選擇金屬。在紅外頻段,金屬的介電常數(shù)實部為絕對值很大的負值,從而導致阻抗與其他介質(zhì)不匹配。因此,需要用半導體來代替銀和金,半導體的等離子體頻率在紅外區(qū),且可以通過摻雜來調(diào)節(jié)[24]。1.2.2 納米線陣列


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