双曲超材料及其传感器研究进展
发布时间：2021-10-09 18:50
超材料为具有超常电磁性质的人工结构,因拥有自然界材料没有的介电常数、磁导率和折射率等电磁性质而引起人们的关注。双曲超材料是具有强各向异性介电张量或磁导率张量的介质,其介电常数张量或磁导率张量的分量在一个或两个空间方向上为负,与其他类型的超材料相比,双曲超材料具有在光学频率下相对容易制造、宽带非共振和三维体响应以及灵活的波长可调谐性等优点。本文综述了双曲超材料的特性、实现方法、可调谐及活性以及其作为超灵敏传感器的发展,重点讨论了基于金属/介质多层结构及金属纳米线阵列的双曲超材料作为生物传感器的原理及研究进展,并指出双曲超材料传感器发展的长期目标是结构简单、便于制备、宽频带和多元分析。
【文章来源】：材料工程. 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图1 双曲超材料的等频线(双曲线)和各向
目前,双曲超材料的实现方法有两种:亚波长厚度的介质层和金属层交替排列的叠层,称为多层结构;嵌入电介质基体中的金属纳米线阵列,称为纳米线阵列。双曲超材料的示意图如图2所示[9]。根据等效介质理论(effective medium theory,EMT)[19],这些结构可以得到双曲线性质的介电张量。1.2.1 多层结构
图3给出了用溅射技术制造的质量优异的Si-Ag多层HMMs[23]。图3中白色为Si,黑色为Ag,形成了周期性结构。Ag和Si的厚度分别为12.4 nm和2.6 nm,体积填充率大约为83%。多层HMMs组成材料的选择取决于目标光谱范围、损耗和阻抗匹配。为了实现阻抗匹配,εd0和εm0的绝对值相差不能超过一个数量级(此时,来自介质侧的辐射被反射而不是传播)。Ag和Au的等离子体频率在紫外区,分别为2224.3 THz和2151.7 THz(9.2 eV和8.9 eV)[24]。当频率低于这些值时,其介电常数变为负值,并随着频率的逐渐降低而增大。在整个紫外和可见光区域,一方面金属的损耗有限,另一方面,相对较小的εm0可以与弱吸收介质(Al2O3和TiO2等)的εd0相匹配,因此可以选择金属。在红外频段,金属的介电常数实部为绝对值很大的负值,从而导致阻抗与其他介质不匹配。因此,需要用半导体来代替银和金,半导体的等离子体频率在红外区,且可以通过掺杂来调节[24]。1.2.2 纳米线阵列
本文编号：3426820
【文章来源】：材料工程. 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图1 双曲超材料的等频线(双曲线)和各向
目前,双曲超材料的实现方法有两种:亚波长厚度的介质层和金属层交替排列的叠层,称为多层结构;嵌入电介质基体中的金属纳米线阵列,称为纳米线阵列。双曲超材料的示意图如图2所示[9]。根据等效介质理论(effective medium theory,EMT)[19],这些结构可以得到双曲线性质的介电张量。1.2.1 多层结构
图3给出了用溅射技术制造的质量优异的Si-Ag多层HMMs[23]。图3中白色为Si,黑色为Ag,形成了周期性结构。Ag和Si的厚度分别为12.4 nm和2.6 nm,体积填充率大约为83%。多层HMMs组成材料的选择取决于目标光谱范围、损耗和阻抗匹配。为了实现阻抗匹配,εd0和εm0的绝对值相差不能超过一个数量级(此时,来自介质侧的辐射被反射而不是传播)。Ag和Au的等离子体频率在紫外区,分别为2224.3 THz和2151.7 THz(9.2 eV和8.9 eV)[24]。当频率低于这些值时,其介电常数变为负值,并随着频率的逐渐降低而增大。在整个紫外和可见光区域,一方面金属的损耗有限,另一方面,相对较小的εm0可以与弱吸收介质(Al2O3和TiO2等)的εd0相匹配,因此可以选择金属。在红外频段,金属的介电常数实部为绝对值很大的负值,从而导致阻抗与其他介质不匹配。因此,需要用半导体来代替银和金,半导体的等离子体频率在红外区,且可以通过掺杂来调节[24]。1.2.2 纳米线阵列
本文编号：3426820
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