東南大學崔鐵軍Advanced Function Materials：電磁波的非線性吸收取得新突破

【引言】

微電子技術和人工智能的發展極大地提高了人們的生活水平，尤其是在大數據時代的背景下，增強現實、腦功能映射、人工智能芯片等各種新型的技術涌現，使得更多地高科技產品充斥著人們的生活。在未來，人們對電子產品的使用頻率將進一步提高，從而導致人類將生活在更為復雜的電磁環境中，隨之產生的電磁污染問題變得更為重要。因此，建立良好的城市電磁環境，減少各個電子元件在產生的有害電磁波，實現良好的電磁兼容在保障電子設備正常運行以及人類健康方面起到關鍵的作用。

對此，一個關鍵問題在于如何在較為復雜的電磁環境中提取有用的電磁波信號，同時吸收掉無用或對人類及電子設備有害的雜波。其中，非線性機制的研究是解決這一問題的一種有效途徑。非線性效應是指在電磁波的作用下由于介質的非線性極化而產生的效應，包括諧波，倍頻，受激拉曼散射，雙光子吸收，飽和吸收，自聚焦等。電磁波的非線性吸收即吸收能力與電磁波的強度、波段呈非線性關系。因此，在有害的波段實現強吸收，在有用的波段實現弱吸收，對有用吸收的篩選及甄別、雜波過濾等有著重要的作用。然而，到目前為止，絕大多數材料對電磁波的選擇性很弱，電磁波的非線性吸收機制尚不清晰，且缺乏系統的研究手段以及較為成熟的理論基礎，因而還面臨著很多挑戰。

隨著超材料的發展，越來越多的非線性效應被發現，例如共振位移、混頻、非互易性等。其中，材料與電磁波之間的非線性相互作用在數字、時變技術中有著廣泛的應用。構建合適的能量選擇表面ESS或頻率選擇表面FSS是一個研究重點。在此基礎上，結合相應的阻抗匹配機制，從而設計相應的工藝來構件合適的組織結構，從而實現電磁波的篩選與甄別。

【成果簡介】

對此，東南大學羅章杰、崔鐵軍研究小組基于超材料的相關特性以及非線性吸收原理，設計出一種吸波超表面。通過評價其非線性響應及相應的阻抗匹配性能，得出這種超表面對電磁波具有良好的強度選擇性，對強電磁波的吸收率在高達，對弱電磁波的吸收率僅為23%，剩余能量被重新反射回自由空間。該器件具有良好的工作穩定性，展示出良好的應用前景。該研究為電磁波的非線性吸收機制的探索以及超表面結構設計方面提供了重要的研究思路及技術支持，具有很好的借鑒意義。其成果以“A High-Performance Nonlinear Metasurface for ?Spatial-Wave Absorption”為題發表在Advanced Function Materials。

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【圖文解讀】

圖一 超表面的結構設計

圖二 超原子的性能評價

圖三 非線性模型的建立

圖四 CST模型的建立及相應結構裝置

【結論】

綜上所示，這項工作創造性地設計出一種空間電磁波超表面，展示出良好的強度選擇性，其非線性機制包括傳感、整流和二極管調諧行為，超表面的輸入阻抗由入射強度自動控制。隨著強度的增加，超表面和自由空間的阻抗會更好地匹配，從而使更強的波體驗更大的強度更高的吸收率。此外，得益于在非線性電路低電壓和低功率的設計策略，該模型可應用于常用電池供電，且無需使用重型直流電源，因而對于供電系統的兼容性和持續性有很好的促進作用。

?文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109544

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