КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 4, с. 544-550
ТЕОРИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР
УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЛАБООТРАЖАЮЩИХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ ХИРАЛЬНОСТЬЮ
© 2014 г. И. В. Семченко, С. А. Хахомов, В. С. Асадчий, Е. В. Наумова*, В. Я. Принц*, С. В. Голод*, А. Г. Милехин*, А. М. Гончаренко**, Г. В. Синицын**
Гомельский государственный университет, Беларусь E-mail: isemchenko@gsu.by, khakh@gsu.by *Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск E-mail: a_naumova@isp.nsc.ru **Институт физики НАН Беларуси, Минск E-mail: g.sinitsyn@ifanbel.bas-net.by Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
На примере разработанного образца проведено численное моделирование свойств искусственной анизотропной структуры, образованной микроспиралями. Образец содержит парные спирали с правосторонним и левосторонним направлением закручивания, вследствие чего хиральность мета-материала компенсирована. Спирали характеризуются заранее рассчитанными оптимальными параметрами, что приводит к приблизительному равенству диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериала. Следовательно, волновой импеданс структуры близок к импедансу свободного пространства в диапазоне частот вблизи 2 ТГц, и отражение электромагнитных волн при нормальном падении является слабым. Решена граничная задача и получено аналитическое выражение для коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны через структуру. Проведено сравнение результатов моделирования свойств структуры с экспериментальными результатами.
DOI: 10.7868/S0023476114040171
ВВЕДЕНИЕ
Искусственные композитные среды, обладающие хиральными свойствами в микроволновом диапазоне, активно исследовались в течение последних двадцати лет [1—11]. Основным мотивом исследований было предположение, что на основе искусственных хиральных материалов могут быть созданы безотражательные покрытия металлических поверхностей. Результаты исследования искусственных хиральных материалов для уменьшения отражения электромагнитных волн приводились в [4—7]. Однако в [5, 9] сделан вывод о том, что хиральность не является существенным свойством при создании безотражательных покрытий и достичь существенного снижения интенсивности отраженных электромагнитных волн на определенной частоте можно с помощью нехираль-ных поглощающих слоев. Авторы [9] пришли к такому выводу в результате расчета рассеяния электромагнитных волн на металлических спиралях в диэлектрической среде.
Одним из способов создания метаматериалов является одновременное использование в качестве их элементов прямолинейных и кольцевых проводников. Эти элементы должны удовлетворять условию частотного резонанса по отношению к используемой электромагнитной волне и тем самым обеспечивать одновременное прояв-
ление искусственной структурой диэлектрических и магнитных свойств. Другой способ, предлагаемый в работе, заключается в создании метаматериалов на основе парных спиральных элементов, сочетающих диэлектрические и магнитные свойства при одновременной компенсации хиральности. Отсутствие хиральных свойств является следствием того, что каждая пара состоит из спиралей с правосторонним и левосторонним закручиванием. При оптимальной форме спиральных проводников мета-материал может проявлять одинаково значимые диэлектрические и магнитные свойства на резонансной частоте. Такое поведение является экзотическим на фоне свойств известных естественных веществ и требует особого изучения с целью дальнейшего практического применения. Преимуществом спиральных элементов является возможность их активации как электрическим, так и магнитным полем падающей волны, т.е. возможность достижения резонанса при различной поляризации волны.
Анизотропные и хиральные (зеркально асимметричные) свойства характерны для самых разнообразных веществ и сред природного и искусственного происхождения: кристаллов, композитных структур, метаматериалов [10—18].
Экспериментальные исследования необычных свойств метаматериалов проводились в ос-
новном в диапазонах МГц и ГГц, где резонансные элементы метаматериала должны иметь миллиметровые и сантиметровые размеры, формирование трехмерных элементов и их расположение в виде трехмерных массивов не представляют значительной сложности. В настоящее время наблюдается тенденция к созданию и исследованию метама-териалов для диапазона ТГц, поскольку техника ТГц-диапазона активно развивается. Ассортимент электромагнитных свойств существующих материалов в этом диапазоне очень небогат, например отсутствуют материалы с эффективными нелинейными, хиральными и др. свойствами, широко используемые в оптическом диапазоне. Поэтому концепция метаматериалов особенно востребована в ТГц-диапазоне.
Для метаматериалов ТГц-диапазона искусственные элементы-резонаторы должны иметь характерные размеры порядка единиц—десятков микрометров, чтобы оставаться существенно меньшими длины волны электромагнитного излучения. Для получения согласованного отклика все резонаторы огромного массива должны быть очень точно настроены. Из широко применяемых технологий требуемые размеры и точность обеспечивает только традиционная планарная технология, позволяющая формировать плоские элементы и их слои. Свойства метаматериала из плоских элементов принципиально невозможно задавать в трех измерениях. Кроме того, в большинстве экспериментов исследователям приходится ограничиваться одним слоем элементов (т.е. монослоем метаматериала) из-за ограничений планарной технологии, что затрудняет изучение объемных электромагнитных свойств. В то же время практически все востребованные применения метаматериалов требуют объемных образцов с заданными трехмерными электромагнитными свойствами.
Новизна и научное значение создания метама-териалов из трехмерных оболочек, формируемых из напряженных нанопленок [19—22], заключаются в переходе от двумерных элементов-резонаторов к трехмерным, в прецизионном задании размеров резонаторов (вплоть до атомарного уровня) от микрометров до нанометров, в разнообразии возможных форм и применяемых материалов (диэлектрики, металлы, полупроводники). Принцип формирования оболочки из напряженной пленки показан на рис. 1.
С помощью трехмерных конструкций оболочек-резонаторов электромагнитный отклик задается в трех измерениях, что является новым шагом в области метаматериалов для ТГц-диапазона и позволяет создавать материалы с принципиально новыми свойствами. В настоящее время это единственная нанотехнология, которая может обеспечить массовое формирование ТГц-метама-териалов на основе гладких резонансных трех-
Рис. 1. Схема сворачивания двухслойной напряженной пленки. Напряженная пленка отсоединяется от подложки путем селективного травления специального слоя, называемого жертвенным. Отсоединенная от подложки пленка изгибается под действием момента сил М, вызванного внутренними напряжениями в растянутом и сжатом слоях.
мерных спиралей, в том числе объемных метама-териалов.
ОПТИМАЛЬНАЯ ФОРМА СПИРАЛИ: РАВЕНСТВО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ, МАГНИТНОЙ И ХИРАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗУЕМОСТЕЙ
В [21—23] получены аналитические соотношения между диэлектрической, магнитной и хи-ральной (магнитоэлектрической) поляризуемо -стью малых металлических спиралей. Показано, что существует "оптимальное" отношение между радиусом спирали и ее шагом, при котором все три поляризуемости являются равными на определенной частоте (это отношение введено для спиралей, используемых в качестве преобразователей поляризации).
ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ СПИРАЛЕЙ В МАССИВЕ
Рассматривается оптимизация расположения спиралей в массиве для получения конкретных параметров, в том числе парных спиралей с противоположным направлением кручения.
Образец со слабыми отражательными свойствами, состоящий из одновитковых спиралей с углом подъема 13.5°, должен содержать одинаковое количество правых и левых спиралей, располагающихся в плоскости образца как по вертикали, так и по горизонтали. При этом число вертикально и горизонтально расположенных спиралей должно быть одинаково, чтобы электромагнитные свойства были изотропными в плоскости образца.
С целью преодоления технологических трудностей при изготовлении образца, содержащего одновременно правые и левые спирали, можно
Рис. 2. Варианты взаимного расположения парных спиралей с целью компенсации хиральности: а — оси правой и левой спиралей параллельны; б — правая и левая спирали расположены на одной оси.
изготовить два образца. Один состоит только из правых (вертикальных и горизонтальных) спиралей, а второй — только из левых. Искомый образец (пакет) получится путем накладывания первого на второй. Второй способ — изготовление образца на основе парных спиралей, расположенных вертикально и горизонтально в плоскости образца.
Проведены моделирование и расчет свойств образцов двумерных массивов парных спиралей. Массивы проявляют одинаково значимые диэлектрические и магнитные свойства, обусловленные оптимальной формой спиралей. В то же время хиральные свойства искусственных структур являются скомпенсированными, поскольку используются парные оптимальные спирали с правым и левым направлением закручивания. В результате созданный метаматериал обладает в диапазоне ТГц волновым импедансом, близким к импедансу свободного пространства. С использованием программного пакета А№У8 HFSS проведен анализ необходимого взаимного расположения и ориентации парных спиралей, обеспечивающих компенсацию хиральности. Рассмотрены два различных способа расположения парных спиралей (рис. 2). В данной работе использовано расположение парных спиралей на одной оси (рис. 2б).
(а)
Полоски металл-полупроводник (InGa/GaAs/Ti/Au)
Направления сворачивания InGa/GaAs/Ti/Au полосок
(б)
Правовинтовая спираль InGa/GaAs каркас
Левовинтовая спираль
InGa/GaAs каркас
Как показало моделирование, свойства образца ухудшаются, если оси спиралей в каждой паре параллельны (рис. 2а).
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КАРКАСНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЦИЛИНДРА И ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ ЗАЗОРА МЕЖДУ КОНЦАМИ ПРАВОЙ И ЛЕВОЙ СПИРАЛЕЙ
Особенности технологии изготовления двумерных массивов парных металлических спиралей, правосторонних и левосторонних, с оптималь
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.