삼중 흡수 피크를 가진 초박형 및 유연한 메타물질 흡수체(MA)가 이 백서에 나와 있습니다. 제안된 흡수체는 각각 99.9%, 99.5%, 99.9%의 흡수율로 8.5, 13.5, 17GHz(X 및 Ku 대역)에 3개의 흡수 피크가 위치하도록 설계되었습니다. 제안된 구조는 두께가 0.4mm에 불과하며 다양한 대역에서 흡수 주파수의 각 자유 공간 파장에 대해 약 1/88, 1/55 및 1/44입니다. MA는 대칭 기하학으로 인해 둔감합니다. 또한, 제안된 구조는 60° 입사각 내에서 최소 86% 흡수(TE 입사)를 나타냅니다. TM 입사의 경우 제안된 흡수체는 최대 60° 입사각에서 99% 이상의 흡수율을 나타냅니다. 표면 전류 및 전기장 분포를 조사하여 흡수를 지배하는 메커니즘을 분석했습니다. 흡수 최적화를 위해 매개변수 분석을 수행했습니다. 또한 MA의 성능은 유연한 유전체에 제작된 20 × 30 단위 셀을 사용하여 테스트 중인 샘플의 자유 공간에서 실험적으로 입증되었습니다. 수직 입사에서 제작된 MA는 모든 편광각에 대해 각 흡수 피크에서 거의 완벽에 가까운 흡수를 나타내며 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 일치함을 발견했습니다. 제안된 흡수체는 광범위한 입사각에서 고효율 흡수의 장점으로 인해 에너지 수확 및 전자파 차폐에 사용할 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 메타물질은 음의 굴절률[1], 완벽한 이미징[2], 역 도플러 효과[3]와 같은 특이한 특성으로 인해 광범위한 관심을 받았습니다. 이러한 특성 때문에 메타물질은 전자기(EM) 은폐[4], 초고감도 감지[5], 필터[6, 7], 흡수체[8,9,10, 11,12]. 특히 메타물질 흡수체(Metamaterial Absorber, MA)는 기존의 마이크로파 흡수체에 비해 군수용부터 가전제품까지 다양한 분야에서 활용되고 있다. MA는 가볍고 얇은 경향이 있습니다.
2008년에 Landy et al.에 의해 완벽한 MA가 처음으로 발표되었습니다. [13]. 이후 단일 대역[14, 15], 이중 대역[16,17,18,19,20,21], 다중 대역[22,23,24,25,26,27]과 같은 다양한 유형의 MA ] 및 광대역 흡수체[28,29,30,31,32,33,34,35,36]는 다양한 연구자에 의해 제시되었습니다. 이러한 MA 중에서 다중 대역 MA는 여러 이산 주파수에서 완벽한 흡수를 가능하게 하여 다중 대역 감지와 같은 애플리케이션을 가능하게 합니다. 일반적으로 다중 대역 MA는 두 가지 방법으로 구성할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 일반적으로 서로 다른 크기의 여러 공진기를 초 단위 구조로 형성하는 동일 평면 구성 방법으로 알려져 있습니다[37, 38]. 두 번째 방법은 교대로 다층 구조를 수직으로 쌓는 것입니다[39, 40]. 그러나 이러한 방법 중 어느 것도 다중 대역 흡수를 제공하는 구조를 제조하는 데 이상적이지 않습니다. 예를 들어, 공면 공법은 필연적으로 MA 단위 크기의 확장을 초래하는 반면, 계층 설계는 구조물의 두꺼운 두께와 무거운 무게의 단점을 제거할 수 없습니다. 최근에 다중 대역 흡수를 달성하기 위해 일부 단순화된 구조 설계가 제시되었습니다[41, 42]. 그럼에도 불구하고 광 입사각에서의 흡수는 여전히 개선되어야 합니다.
본 논문에서는 소형, 초박형, 경량, 제작 용이성의 장점을 결합한 설계 방법을 제안한다. 단위 셀 설계의 장점으로 제안된 삼중 밴드 MA는 넓은 입사각에서도 높은 흡수율을 보인다. 시뮬레이션 결과는 8.5, 13.5, 17GHz에서 각각 99.9%, 99.5%, 99.9%의 피크 흡수를 갖는 3개의 별개의 흡수 대역을 나타냅니다. MA의 대칭 구조는 흡수가 다른 편광 각도에 둔감하도록 합니다. 또한, 제안된 MA는 TE 및 TM 편광파가 60° 입사각으로 입사할 때 각각 86% 및 99% 이상의 흡수를 제공합니다. 다양한 기하학적 매개변수와 흡수 스펙트럼 사이의 관계를 조사했습니다. MA의 흡수 성능을 검증하기 위해 20 × 30 단위 셀의 프로토타입을 제작했으며, 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인했습니다. 낮은 두께와 넓은 범위의 입사각에 대한 효율성으로 인해 MA 구조는 비평면 및 등각 응용 분야에 사용할 수 있는 매우 유연한 폴리이미드 필름에 제작되었습니다.
그림 1은 공진층, 유전층, 금속 접지층으로 구성된 제안된 MA에 대한 단위 셀의 기하학적 구조를 보여줍니다. 공진 구조는 분할 링 공진기(SRR), 수정된 링 공진기(MRR) 및 8개의 동일한 7자형 구조를 결합하며, 각각은 장치의 중심을 따라 45° 회전합니다. 상단 패턴 레이어와 하단 접지 레이어는 0.02mm 두께의 구리와 5.8 × 10 7 의 전기 전도성으로 만들어집니다. S/m 기판은 상대 유전율이 2.9이고 손실 탄젠트가 0.02인 폴리이미드로 제작되었습니다. MA의 최적화된 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig1_HTML.png?as=webp">
제안된 MA에 대한 단위 셀의 도식적 기하학. 아 평면도, b 8개의 7자형 공명 구조의 레이아웃, c 단위 셀의 투시도
<그림>제안된 MA의 시뮬레이션된 흡수 스펙트럼은 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션에서 결정되었습니다. 시뮬레이션에서 단위 셀 경계 조건은 x 및 y 방향으로 적용되었으며 Floquet 포트 조건은 z 방향으로 적용되었습니다. 또한, 평면 EM파가 MA의 표면에 충돌하는 것으로 가정했습니다. 흡수율(A )는 \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}-{|{S}_{21}(\ upomega )|}^{2}\), 여기서 \({S}_{11}(\upomega )\) 및 \({S}_{21}(\upomega )\)는 반사 및 투과 계수입니다. , 각각. 구리 접지면의 전반사 때문에 투과 계수 \({S}_{21}(\upomega )\)가 0이므로 흡수율은 \(A\left(\upomega \right)=1로 단순화될 수 있습니다. -{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}\). 수직 입사에서 제안된 MA의 시뮬레이션된 반사 및 흡수 스펙트럼은 그림 2a에 나와 있습니다. 제안된 MA는 각각 99.9%, 99.5%, 99.9%의 흡수로 8.5, 13.5, 17GHz에서 3개의 흡수 피크를 나타냅니다. 해당 Q 각 공진 모드의 계수는 각각 26.8, 28.4 및 27.1에 도달할 수 있습니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig2_HTML.png?as=webp">
아 수직 입사에서 시뮬레이션된 흡수 및 반사 스펙트럼. ㄴ 다양한 편광 각도 φ에 대한 흡수 스펙트럼 . 다른 θ에 대한 흡수 c 값 TE 및 d TM 편광
그림 2b는 다양한 편광 각도에 대해 제안된 MA 구조의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. MA의 흡수는 0° ~ 90° 범위의 편광 각도에서 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 제안된 MA는 입사 EM파의 편광에 둔감합니다. 또한 경사 입사각(θ)에서 설계된 MA의 흡수를 추가로 조사했습니다. ). TE 편광의 경우 그림 2c와 같이 θ로 흡수율이 감소합니다. 증가합니다. 이것은 θ를 증가시키기 때문에 발생할 수 있습니다. TE 파에 대한 전기장 강도의 수평 성분을 감소시킵니다. 따라서 입사 전기장에 의해 생성된 순환 전류의 효율성이 점차 감소합니다. 그러나 3개의 흡수 피크는 θ로 86% 이상으로 유지됩니다. 최대 60°에 도달합니다. TM 편광의 경우 그림 2d와 같이 각 공진 피크의 흡수율은 θ에서 99%보다 큽니다. =60°. 이것은 제안된 MA의 흡수가 θ의 증가로 인한 전계 강도의 변화에 덜 민감하기 때문에 발생합니다. . 제안된 MA의 또 다른 장점은 그림 2에서와 같이 흡수 주파수 안정성입니다. 여기서 3개의 고유한 흡수 피크는 θ로 크게 변하지 않습니다. 증가합니다.
흡수에 대한 자세한 설명을 용이하게 하기 위해 공명 구조의 다른 부분에 대한 응답 스펙트럼이 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 패턴화된 층 내의 각 요소는 개별적이고 강렬한 공명을 담당합니다. 결과적으로 이러한 요소의 조합은 완벽한 다중 대역 흡수로 이어집니다. MRR 설계의 일부로 사각 패치가 폐쇄형 링 공진기의 각 모서리에 추가되어 링 공진기의 전기적 길이를 늘리고 구조의 크기를 늘리지 않고도 흡수 주파수를 적색으로 이동시킵니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig3_HTML.png?as=webp">
개별 요소에서 흡수까지의 기여
EM 파 흡수의 메커니즘을 더 탐구하기 위해 세 개의 흡수 피크에 해당하는 상단 및 하단 금속 층의 표면 전류 밀도 분포가 그림 4에 나와 있습니다. 상단 패턴 층의 표면 전류가 MRR에 집중되어 있음을 알 수 있습니다. , SRR, 8.5, 13.5, 17GHz의 7자형 그래픽 구조 표면 전류 분포는 또한 그림 3에서와 같이 파동 흡수의 원점을 나타냅니다. 상단 레이어의 표면 전류와 비교하여 하단 접지 레이어의 세기가 훨씬 약합니다. 최상층의 표면 전류 방향은 접지면에 대해 역평행이므로 MA 내에서 자기 쌍극자를 여기시키는 등가 전류 루프가 발생합니다. 한편, 그림 5는 전기장의 진폭(|E |) θ일 때 입사 TE-편광파에 대한 MA에서 =0°, 30° 및 60°. MRR이 8.5GHz에서 흡수됨에 따라 전기장이 MRR의 수평 막대에 강하게 집중되어 있음을 알 수 있습니다. 13.5GHz에서 그림 5(b)와 같이 완벽한 흡수는 SRR의 LC 공진으로 인해 발생합니다. 마지막으로 17GHz에서 흡수는 내부 패치의 쌍극자 공명으로 인한 것입니다. 최상층의 공진기는 또한 전기 공명을 발생시킵니다. 자기 공명과 전기 공명 모두 제안된 구조에서 강한 EM 흡수에 기여합니다. 또한, 그림 5는 θ 증가합니다. 결과적으로 θ가 증가함에 따라 EM파 흡수도 감소합니다. .
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig4_HTML.png?as=webp">
a에서 상단 패턴 레이어와 하단 접지 레이어의 시뮬레이션된 표면 전류 분포 , d 8.5, b , e 13.5 및 c , f 17GHz
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig5_HTML.png?as=webp">
전계 분포의 절대값(|E |) 다른 입사각 θ에서 TE 편광에 대한 MA에서 a의 8.5, b 13.5 및 c 17GHz
그림 6은 제안된 MA에서 흡수에 대한 MA 기하학의 영향을 보여줍니다. 그림 6a와 같이 공진 주파수는 a와 같이 더 높은 주파수로 이동합니다. 증가합니다. 간격 너비 b 사이의 관계 SRR 및 흡수 스펙트럼은 그림 6b에 나와 있습니다. 등가 커패시턴스는 b가 증가함에 따라 감소합니다. 따라서 중앙 공진 피크가 더 높은 주파수로 이동합니다. 그러나 하한 및 상한 흡수 피크는 거의 변경되지 않은 상태로 유지되어 개별 흡수 주파수를 조정하는 편리한 방법을 제공합니다. 또한 링 바 w의 너비에 대한 흡수 의존도 2 그림 6c에 나와 있으며, 여기서 더 낮은 공진 주파수와 중앙 공진 주파수는 모두 w로 적색 편이됩니다. 2 증가합니다. w로 2 증가하면 SRR과 MRR 사이의 거리가 줄어들어 등가 커패시턴스가 증가하여 더 낮은 공진 주파수와 중앙 공진 주파수가 적색 편이됩니다. 마지막으로 막대 너비 w 늘리기 3 그림 6d와 같이 상위 공진 주파수에서 적색 편이를 일으킵니다. 공진 모드는 내부 7자 모양 패치에 의해 결정되므로 w 3 또한 내부 공진기의 등가 인덕턴스를 증가시킵니다. 따라서 공진 주파수는 적색 편이를 나타냅니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig6_HTML.png?as=webp">
다양한 구조적 매개변수에 대한 MA의 흡수 스펙트럼:a 단위 주기 a , b SRR 간격 너비 b , ㄷ MSR 링 바 너비 w 2 , d 7자형 패치 너비 w 3
20 × 30 단위 셀에 해당하는 240mm × 160mm 프로토타입이 그림 7a와 같이 제작되었습니다. 샘플 준비에서는 폴리이미드 표면에 얇은 구리층을 증착한 다음 레이저 어블레이션을 사용하여 패턴을 에칭했습니다. 측정 설정은 그림 7b에 나와 있으며, 여기에서 샘플의 흡수는 자유 공간 방법으로 테스트되었습니다. 한 쌍의 혼 안테나를 벡터 네트워크 분석기(Rohde &Schwarz ZVA 40)에 연결하여 샘플의 반사를 측정했습니다. 제작된 샘플과 동일한 크기의 동판에 대한 반사 스펙트럼을 측정하여 기준으로 사용하였다. 그런 다음 샘플을 동일한 위치에 배치하고 측정된 두 개의 반사 전력을 빼서 샘플의 실제 반사를 계산했습니다. 그림 8a는 구리판과 제작된 샘플에서 측정한 반사 스펙트럼을 보여주고, MA의 흡수율은 그림 8b와 같습니다. 측정된 흡수는 8.7, 14.1, 17.6GHz에서 각각 96%, 97%, 94%입니다. 시뮬레이션 결과와 비교하여 흡수 피크 주파수는 기판의 유전율 차이와 제조 공차로 인해 약간 더 높은 주파수로 이동합니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig7_HTML.jpg?as=webp">
아 제작된 MA 프로토타입. ㄴ 측정 설정
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig8_HTML.png?as=webp">
아 반사 계수 및 b 정상 발생 시 MA의 흡수율
그림 9는 φ의 다양한 편광 각도에서 측정된 MA의 흡수를 보여줍니다. =0°, 30° 및 60°. 결과는 제안된 구조가 편광 각도에 둔감함을 보여줍니다. 그림 10은 θ일 때 TE 및 TM 편광에 대해 측정된 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. =30° 및 60°. θ일 때 두 편광 모두에 대한 흡수가 95% 이상으로 유지됩니다. =모든 흡수 피크에 대해 60°.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig9_HTML.png?as=webp">
수직 입사에서 다양한 편광 각도에 대한 측정된 흡수
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig10_HTML.png?as=webp">
다양한 입사각에 대한 시뮬레이션 및 측정된 흡수:a TE 및 b TM 편광
앞서 언급한 바와 같이 제안된 MA는 평면이 아닌 응용 분야에 사용할 수 있는 매우 유연한 폴리이미드 필름에 제작되었습니다. Fig. 11a와 같이 흡수체를 곡면으로 하여 반경 8cm의 원통에 부착한 후 흡수율을 측정하였다. 그림 11b는 평면 및 등각 흡수체에 대한 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 두 흡수체의 흡수율이 유사함을 관찰할 수 있습니다. 더욱이, 3개의 공진 주파수에서 피크 흡수는 굽힘 전후에 유사했는데, 이는 등각 응용 분야에서 중요합니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03448-0/MediaObjects/ 11671_2020_3448_Fig11_HTML.png?as=webp">
아 실린더에 부착된 유연한 흡수체. ㄴ 평면 및 등각 MA의 흡수 스펙트럼
이 백서에는 3개의 흡수 피크가 있는 매우 얇고 유연한 MA가 나와 있습니다. 이전 설계와 비교하여 제안된 흡수체는 총 두께가 0.4mm인 초박형이며, 이는 더 낮은 흡수 주파수에 해당하는 자유 공간 파장의 약 1/88입니다. 제안된 삼중 밴드 흡수체는 최대 60°의 입사각(TE 및 TM 편광에 대해 각각 86% 및 99% 이상)까지 높은 흡수를 나타냅니다. 한편, 구조의 대칭은 흡수가 편광의 변화에 둔감함을 보장합니다. 20 × 30 단위 셀을 갖는 MA를 제작하고 다양한 입사각에 대해 측정했습니다. 결과는 MA가 큰 입사각에서 높은 흡수를 나타냄을 보여줍니다. 흡수체는 비평면 및 등각 응용 분야에서 쉽게 사용할 수 있는 유연한 폴리이미드 필름으로 제작되었습니다. 제안된 흡수체는 에너지 수확 및 전자기 차폐에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.
메타물질 흡수체
전자기
분할 링 공진기
수정된 링 공진기
유한 차분 시간 영역
나노물질
초록 칼코겐화물의 임계값 전환은 고밀도 및 3차원 적층 가능한 교차점 어레이 구조에 대한 잠재적인 응용으로 인해 상당한 관심을 끌었습니다. 그러나 우수한 임계값 스위칭 특성에도 불구하고 이러한 선택기의 선택성 및 내구성 특성은 실제 적용을 위해 개선되어야 합니다. 이 연구에서 Ga2의 임계값 스위칭 동작에 대한 Ag의 영향 테3 selector는 선택성과 내구성 측면에서 조사되었습니다. Ag-Ga2 테3 선택자는 108의 높은 선택성을 나타냈습니다. <100fA의 낮은 오프 상태 전류, 0.19mV/dec의 가파른 턴온 슬로프,
ABB는 자사의 6축 IRB 1300 산업용 로봇에 이제 거친 산업 분야 및 무오염 생산 공정에서 사용할 수 있도록 하는 새로운 보호 요소가 포함되어 있다고 밝혔습니다. 회사는 개선 사항이 무엇보다도 전자 조립, 자동차 및 금속 가공을 포함한 다양한 산업에서 생산성 향상, 제품 품질 개선 및 주기 시간 단축을 위한 새로운 기회를 열어준다고 말했습니다. 2020년에 처음 출시된 IRB 1300은 현재 IP67, Foundry Plus 2 및 클린룸 ISO 4 버전으로 제공됩니다. 이것은 높은 수준의 액체와 먼지가 있는 거친 환경
