超精细人工超材料的设计、制备及电磁响应特性研究

Electromagnetic metamaterials, with unique electromagnetic modulation function, have shown a great research value and application potential in many frontier technology and research field. However, fabrication processing of artificial metamaterial has reached the highest level of current micro-nano fabrication technology. In the short term, it is difficult to have a larger breakthrough. New ideas for the structural design of metamaterials are necessary. In this project, a new design of ultrafine metamaterials is proposed, which would greatly improve the level of metamaterial electromagnetic modulation functions. In the new ultrafine material structure, the feature sizes (e.g., line width, gap between lines) will be λ/100 or even smaller size. It would realize electromagnetic modulation function in new electromagnetic coupling response modes with much higher performance. A systematic study about design, fabrication and electromagnetic response characteristics of such ultrafine metamaterial will be carried out in this project. The new ultrafine metamaterial will be realized from THz to near infrared region. And its electromagnetic response mechanism will be studied and a new database of standard typical structures of ultrafine metamaterials will be established. Based on those studies, new structures of ultrafine metamaterial will be developed for unique new electromagnetic modulation function such as multispectral plasmon-induced transparency, which can be applied in new highly sensitive sensors/detectors/modulators.

电磁超材料由于极高的电磁调制功能在诸多前沿技术领域显示出了极大的研究价值与应用潜力，但是受到精细微纳制备技术的限制，目前电磁人工超材料的制备技术基本已经达到了当前微纳加工技术最高水平，短期内难有较大突破，面对这一困境，需要在结构设计上引入新的思路。本项目所提出的超精细超材料设计方案，可利用现有微纳加工技术，大幅度提高目前人工超材料的电磁调控水平。在这种新型超材料结构中，其特征尺寸（线宽、间隙）缩减到1/100波长甚至更小的尺寸，利用更为精细的亚单元结构组合实现特定的电磁耦合响应，从而提供内容更为丰富、控制更加精细的电磁调制功能。本项目拟在太拉赫兹-近红外频段对具有超精细结构人工超材料进行系统研究，实现高频超精细结构的制备，完善超精细超材料设计，理清典型结构响应机制并建立模型数据库，在此基础上开发具有多窗口电磁诱导透明等特殊电磁调控性能的新型超精细超材料结构以及高灵敏的传感/探测/调制器件。

对不同类型的超精细结构的太拉赫兹-红外人工超材料的电磁响应及调制特性展开研究，利用人工结构设计并实现具有高品质因子谐振和亚波长强电场局域特性的新型人工超材料。利用具有超精细特征尺寸的镜像对称联通劈裂谐振环结构实现具有大调制深度的超尖锐束缚模谐振人工超材料，可通过调整镜像对称连通劈裂谐振环结构的周期可以激发品质因子可调的多个尖锐谐振；在超精细结构双劈裂谐振环组成的太赫兹超材料中精细控制镜像对称破缺，实现了高品质因子束缚模和八极子谐振模的同时激发；利用由超精细太赫兹谐振环组成的超材料实现多频谱等离激元诱导透明，且通过移动超精细劈裂谐振环的位置可以实现等离激元诱导透明窗口的精确调控；利用三维超精细结构以不同的开口方向和空间位置进行精细的控制实现组合，获得具有高构型自由度的三维光学超材料并实现高品质因子环磁偶极共振。通过对具有超精细结构的太拉赫兹-红外人工超材料的电磁响应及调制特性进行研究,厘清超材料典型结构中超精细的结构参数变化对其电磁响应机制的影响，并通过不同的平面/三维超精细结构实现在常规超材料中难以实现的如超高品质因子谐振、对称破缺调制等电磁响应机制，并在此基础上对超精细超材料的电磁调制特性展开研究，总结典型结构中亚结构单元间的耦合及组合电磁调控效应，引入外界环境或外场研究其响应特性的变化，实现具有具有大调制深度和高品质因子太拉赫兹谐振器原型器件。超高品质因子谐振响应能极大地提高许多表面等离激元器件或超材料器件的性能，因此，这种基于超精细结构的新型人工超材料的高品质因子谐振和亚波长强电场局域特性在光学开关、滤波选频、化学生物传感和慢光器件等诸多方面具有重要的应用潜力。