随着电磁探测技术的快速发展，电磁信息的泄漏给世界各国的防御体系和军事装备的生存能力带来了严重威胁，为此隐身技术应运而生，采用吸波材料是隐身技术的一种重要形式，常见的吸波材料有等离子体吸波层^[1]、纳米吸波材料^[2]、铁氧体吸波材料^[3]、导电高聚物吸波材料^{[4, 5]}、手性材料^[6]、超材料等。在隐身材料和电磁兼容技术当中，电磁吸波材料的作用十分强大，地位也日益突出，是现代军事装备中不可缺少的“秘密武器”^[7]。超材料是指一类由亚波长尺寸的具有特殊共振响应的金属微结构单元周期性排列组合而成的等效均匀人工复合材料，即利用人造谐振胞元替代自然材料中的原子及分子来形成新的电磁响应介质，其具有天然材料所不具备的异常物理特性如负磁导率、负电导率等。超材料的设计是完全逆向的，即针对电磁波的响应应用需求制造出相应功能的材料。超材料的性能既取决于其谐振器单元结构及其排列组合又取决于其结构材料，其出现为人为“操控”电磁波带来了可能，从而可以通过人工手段实现诸如负折射^[8]、隐身斗篷^{[9, 10]}、完美透镜^[11]等新颖的电磁现象。基于超材料的完美吸波器(Perfect Metamaterial Absorber，PMA)是近期发展起来的一种新型人工吸波材料，主要由一些特殊的金属结构与电介质板组合而成，其通过合理设计谐振单元的物理尺寸及材料参数，使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配，以降低电磁波的反射，从而能够与入射电磁波的电磁分量产生强耦合，对入射到PMA的特定频带内的电磁波实现100%的吸收。研究PMA的吸波性能需要同时考虑其阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性指的是利用特殊的微结构阵列，使入射电磁波在超材料的表面形成最小反射，进而更多地进入材料内部，衰减特性指的是通过提高介质材料电磁参数的虚部来耗损更多的入射电磁波。PMA相比传统吸波材料具有吸收强、质量轻、厚度薄、频段宽等优点^{[12, 13]}。PMA的典型结构是三明治结构：其顶层为周期性图案的金属结构，中间层是一层电介质材料，底层是厚度大于趋肤深度的金属基板，通过调整谐振单元的形状、尺寸、排列、材料等可以改变共振的强度及共振频率的位置。PMA的潜在应用主要包括电磁器件、辐射热仪、传感器、电磁波隐身、探测及调控等领域。目前，PMA的响应频段成功地突破了太赫兹“禁带”，为其在医学、生物、军事等领域提供了广阔的应用前景^[14]。本文主要对PMA发展历程、结构特征、制备工艺、性能测试等进行了分类综述，最后，重点对PMA的发展趋势、应用前景和亟待解决的问题做了深入探讨。

1 PMA历程

自2008年Landy等^[15]首次提出PMA后，随着研究的不断深入，新型吸波结构单元不断被提出，PMA的吸波性能也得到明显改进：多频PMA^[16-30]、宽频PMA^[31-39]、可调PMA^[40-58]和偏振无关PMA^{[59, 60]}也相继被报道。

1.1 单频PMA

2008年，Landy等^[15]首次提出的PMA是一种三层式结构吸收器，见表 1，其中底层为长方形的金属条，中间层为介质层，顶层为超表面层。该PMA在11.65GHz能达到对入射电磁波近100%的吸收。理论分析得出完美的吸收效果主要来源于顶层开口谐振环(Split Ring Resonators，SRRs)共振单元的LC共振，中间介质层的作用是调节电磁吸波器的阻抗，使入射电磁波尽可能地进入其内部，底层金属条的作用是使电磁波无法透过吸波器。

1.2 多频PMA

目前，关于多频PMA有大量的文献报道，其实现方式可以归结为四类：第一种方式是把具有不同几何形状的多种谐振结构组合在一起^[16-19]；第二种是把具有不同尺寸、相同几何形状的谐振结构组合在一起^[20-23]；第三种是把具有相同尺寸、相同几何形状的谐振结构按照一定的旋转排列方式组合在一起^[24-27]；第四种是把不同的谐振结构按照不同层次垂直排列在多个层^[28-30]。前三种方法的结构单元由多个子单元组成，所以通常具有较大的尺寸，第四种方法在加工上存在困难，因为各层之间的图形要精确对准。

2013年，Hu等^[30]设计了一种极化不敏感、高吸收率、可以实现四频段吸收的太赫兹波PMA。如表 1所示，从下往上看，该吸收器结构单元由金属薄膜层、第一介质层、金属十字架、第二介质层和金属谐振器共五层结构组成。仿真结果显示在0.68, 1.27, 2.21THz和3.05THz四个频段，其吸收率分别达到了98%, 97%, 98%和97%。该PMA在太赫兹频率选择性检测、太赫兹传感和太赫兹热成像等方面具有潜在的应用价值，但其在制造加工上有一定难度。

1.3 宽频PMA

目前所研究的PMA大多仅能在窄带范围内实现对入射电磁波的高吸收，因此极大地限制了其潜在的应用。利用有效的方法实现吸波频带的拓展，是当前亟待解决的问题。概括来说，设计宽频PMA的方法主要有三种：第一种是利用多层金属与介质层交替叠加实现宽带吸收^{[31, 32]}; 第二种是在厚度方向上多层金属嵌套实现宽带吸收^[33-36]; 第三种是在平面内通过不同尺寸金属单元排列来实现宽带吸收^[37-39]。其中第三种方法仅设计三层结构, 在工艺上容易实现，而且成本相对较低。

2012年，Cui等^[36]通过锯齿状各向异性超材料制备出一种超宽红外PMA。整个吸收的半高峰宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)达到86%，是传统单频带半峰宽的5倍。这种宽谱带的吸收可以用各向异性超材料波导中的慢光模式来解释。横磁波(Transverse Magnetic Wave，TMW)沿着+z方向垂直入射时的吸收光谱如表 1所示，在波长3~5.5μm的范围内，吸收峰的强度均可达到95%。

2014年，邹涛波等^[39]提出的宽带PMA依据了多个吸收峰叠加扩展带宽的原理，如表 1所示，其表面金属层包含五种尺寸相近的金属块作为谐振器，它们的排列规律是：在每一个阵列周期中，五种尺寸相近的金属块按照相邻不同的规则排列成一个5×5的方形阵列，即每一金属块与其相邻四块尺寸均不相同，这样就可以实现将五个相邻的谐振吸收峰叠加，并最大限度地扩展带宽。宽带PMA在x和y方向上的周期大小均为100μm，中间介质层厚度t=2.65μm，两层金属厚度0.2μm。所设计的PMA的最高吸收率可达到98.7%，吸收率80%以上对应的带宽约为1.2THz，FWHM达到了1.6THz，吸收带的中心频率约为4.98THz，对应的中心波长为60.24μm，大约是吸波体总厚度3.05μm的20倍，表明该宽频PMA具有超薄的特点。

1.4 可调PMA

虽然PMA的发展已经取得了一定的进展，但仍有不足，例如，谐振单元的形状和结构尺寸一旦确定并加工完成，其吸收频率点就单一固定，不具有可调性。所以，吸收频带能动态调控的PMA受到广大学者的高度重视。PMA的电磁响应依赖于谐振胞元的电磁参数，相变、电光、磁光、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等可调PMA。

1.4.1 光控PMA

2011年，Chowdhury等^[40]在SRRs的狭缝中嵌入硅片，见表 1，基底材料为蓝宝石。入射太赫兹波的偏振方向与开口狭缝平行，当没有泵浦光照射器件表面时，太赫兹透射谱在0.6THz和1.76THz处分别出现基模LC谐振和三阶偶极共振。当泵浦光照射至器件表面并逐渐增加能量时，狭缝内的硅片由于光致导电损耗的增加导致LC谐振和三阶偶极共振强度逐渐减弱，且谐振频率发生红移。当泵浦光的能量增加至1200mW时，原始的两处谐振消失，在1.28THz处出现一个新的谐振。

1.4.2 温控PMA

通过温度的调控可以改变一些半导体、金属氧化物、相变材料和超导体的光学响应，将这些材料用于PMA的设计可以实现对太赫兹波的温度调控。

2010年，Wen等^[41]在石英玻璃基底上制作了如表 1所示的VO₂线型阵列。当器件处于室温环境，绝缘相的VO₂阵列对太赫兹波几乎没有影响，器件对1THz以下的太赫兹波透过率高达84%。当温度升高至相变温度时，VO₂阵列表现出金属阵列的性质，由于谐振频率0.6THz处的太赫兹波被大量地吸收与反射导致该点的透过率下降，当温度升高到340K时，器件对太赫兹波的振幅调制深度高达65%。

高温超导体是指临界温度在77K (即液氮温度)以上表现为超导体的材料，用超导体代替金属制作太赫兹波段的超材料，通过控制其工作温度可以实现对太赫兹波的调控。2010年，Chen等^[42]利用外延生长的高温超导材料钇钡铜氧化合物(YBCO)制作的SRRs，其厚度为180nm。YBCO的临界温度为90K，当器件工作温度由20K上升至84K时，YBCO的超导态逐渐减弱，电导率逐渐降低，等效于金属超材料结构的谐振强度逐渐减弱，且谐振频率发生从0.61THz至0.55THz的红移；当工作温度从84K提高至100K时，器件的谐振频率出现蓝移，而谐振强度继续减弱。理论分析得知，当YBCO的电导率实部与虚部相等时，谐振频率达到最低。

2011年，Zhu等^[43]设计了一种三层结构的吸波器，顶层为200nm厚Au双开口谐振环，底层为200nm厚的Au基板。中间介质层为对温度敏感的60μm厚的锑化铟(InSb)材料。Ge₂Sb₁Te₄结晶相和无定型相之间的介电函数差别很大，2013年，Cao等^[44]设计了一种基于相变材料Ge₂Sb₁Te₄的可调谐PMA。

此外，2015年, Du等^[45]以Si₃N₄为基底层，VO₂和Si作为中间介质层，半径为530nm的Au圆盘阵列为顶层超表面层，工作于中、远红外频段的整个PMA仅185nm厚，他们将制备出的PMA用于红外热成像、环境检测等领域的微型辐射计，推动PMA走向商业化应用。

1.4.3 柔性PMA

微机电和光刻技术的发展为微机械可调PMA提供了一个理想平台, 与传统制备工艺相比，基于柔性材料的可重构PMA的制作方法更加简单有效。机械可调PMA以柔性基底的机械延展性为基础，通过机械拉伸使基底产生应力变形，从而对基底上的亚波长周期性微结构阵列实现连续、可逆的调谐，进而改变器件的电磁响应。

Pryce等分别于2010年^[46]和2011年^[47]进行了柔软基底材料上的开口谐振环拉伸与恢复实验，基底材料为厚度100μm的聚二甲基硅氧烷(Polydimethyisiloxane，PDMS)，谐振环阵列由厚度为100nm的Au构成，随着机械拉伸力的增加，样品的形变率可达50%，其谐振频率出现明显的蓝移。然而，对恢复形变后的样品进行透射谱测量却发现谐振频率与拉伸前相比有了明显的偏差，表明机械拉伸形变对超材料单元的谐振模式产生了不可逆转的影响。为了避免这种对谐振单元破坏性的形变，2012年，Lee等^[48]对PDMS基底材料进行了预先的拉伸处理，然后将制作在超薄硬树脂材料上的谐振单元结构薄膜黏附在保持拉伸状态的PDMS基底上。当外力被撤去时，形变恢复的PDMS会导致超材料薄膜层因收缩而形成褶皱，经定型处理后得到的样品可以随着机械拉伸形变使超材料薄膜层的褶皱被逐渐拉平，从而使谐振单元结构产生可逆形变。然而超材料薄膜的褶皱结构使得其本身的谐振强度不高，且测得信号的品质因数较低。

为了减小谐振单元在应力形变下的结构形变，Li等^[49]简化了超材料结构模型，在PDMS基底上制作了由“I”形结构的谐振单元组成的金属周期阵列，如表 1所示，当太赫兹波垂直入射器件表面时，在纵向相邻的单元结构之间形成了强烈的振荡电场耦合，电场能量几乎全部集中于纵向相邻单元之间的狭缝边缘。当器件受纵向外力作用时，PDMS基底将会产生形变，但由于谐振单元结构之间彼此独立，器件的形变将主要发生在相邻单元之间的狭缝区域，金属谐振单元本身的形变很小，保持了原有的谐振特性，并因为狭缝形变导致其电容改变，有效地调制了超材料的谐振频率，随拉力的增大，狭缝宽度增加，振荡电场耦合减弱，谐振频率发生蓝移。对样品进行多次拉伸和恢复的测量结果表明，除第一次拉伸和恢复之外，第二次以后的机械形变对超材料的谐振特性的改变基本保持稳定，关于第一次的不可逆形变，可由金属层的微裂痕迁移模型^[50]来解释。此外，在狭缝宽度不变的情况下，利用交叉指结构对平行直线狭缝结构进行改良可增强结构的等效电容，提升信号的品质因数，并获得更大的可调谐范围。

1.4.4 压控PMA

在面向实际应用时，通过外加电压对PMA进行调制无疑是一个具有吸引力的课题。与光控PMA的原理类似，压控的机理为通过电学注入或消耗半导体内的载流子，使半导体内的载流子浓度发生改变。Shrekenhamer等^[51]于2013年提出了一种液晶可调型PMA，如表 1所示，5CB型液晶完全填充和封装在聚酰亚胺介质层和顶层金属结构之间，通过在顶层金属结构和底部金属薄膜之间施加偏置电压来控制5CB型液晶的折射率大小，从而影响PMA的中心吸收频率点。实验证实，当偏置电压为0V时，在2.62THz处的吸收率为85%，吸收率超过50%的带宽为600GHz；当偏置电压为4V时，在2.5THz处的吸收率为80%，吸收率超过50%的带宽为420GHz。说明该PMA的峰值吸收频率点的调节范围达到4.6%。

2014年，Woo等^[52]以Au为基底，柔性高聚物为中间介质层，单层石墨烯作为超材料结构层，因需要较厚的介质层来实现与自由空间的阻抗匹配，整个PMA的厚度高达100μm，此外由于单层石墨烯过薄，导致整个PMA的电磁响应很微弱。2014年，Zhang等^[53]设计的偏振无关压控的PMA单元结构如表 1所示，顶层为十字型金属谐振器，薄SiO₂层的两侧溅射双层十字型石墨烯，柔性高聚物为介质层，Au为基底层，通过在双层石墨烯层加载的直流电压V_g改变单层石墨烯的费米能级，实现费米能级的大范围谐调(-1~1eV)，进而连续控制其电导率，改变其谐振频率。仿真分析得出，随着化学势的增加，吸波器谐振频率发生蓝移，然而在1.1THz附近，由于阻抗不再完美匹配，导致部分入射电磁波无法进入PMA内部，从而出现吸波峰值的小幅下降。2015年，Su等^[54]直接在150nm厚金质薄膜上溅射由氟化镁和石墨烯构成的多层堆叠的超材料结构层。堆叠超材料层边长360nm、厚度75.5nm (氟化镁层75nm，石墨烯层0.5nm)，整个PMA厚度905nm，石墨烯的介电常数在太赫兹频段为负值，每个介质层可看作各向异性的色散媒介，用作产生强吸收的亚波长电磁谐振器。此外，因为结构单元尺寸远小于入射波的波长，他们运用等效介质理论进一步分析与验证其吸波情况。

1.4.5 磁控PMA

与其他调控方式类似，利用外加磁场对光子晶体、半导体超材料、磁控悬臂梁结构等进行调控也是实现可调PMA的重要方式。然而，在磁控PMA研究成果中，利用铁磁材料的磁各向异性设计制作磁控PMA是其他调控手段无法实现的。2013年，程伟等^[55]研究设计的磁控PMA结构单元如表 1所示。它由四层结构组成：顶层的两根方形钇铁石榴石(YIG)棒；第二层的200nm厚的金质SRRs；第三层的22μm厚的聚酰亚胺介质层；第四层的200nm厚的金质基板。YIG棒对称排列在吸收器结构单元的两侧，间隔距离为26μm，其底面为正方形，边长a=6μm，高度b=50μm。PMA结构单元的晶格常数b=50μm，SRRs的尺寸参数见表 1。YIG的相对介电常数、饱和磁化强度、铁磁共振线宽分别为14.7，1.35×10⁵，955.4A/m。仿真结果表明，当外加磁场的磁感应强度从0T变化为14T, 18T时，吸收器中心吸收频率点从0.532THz变化为0.535THz, 0.536THz且吸收率均超过99%。此外磁流体(magnetic fluid)^[56]、氧化锶铁(SrFe₁₂O₉)^[57]和La_0.7Ca_0.3MnO₃^[58]在吸波器件的设计与制备时具有重要的应用价值。

1.5 偏振无关PMA

由于大多超表面层的微结构对入射光偏振的敏感度较高，使得吸波效果受偏振的影响较大，需要设计新的结构实现偏振无关的完美吸收。Landy等^[59]提出了一种太赫兹波段的PMA，如表 1所示，该PMA包括两层金属结构：上层为改进了的电共振器，下层为十字型金属微结构。改进的电共振器相对于入射电磁波的传播方向具有四重旋转对称性，因此该PMA的吸收光谱受入射电磁波偏振的影响较小。该结构采用了中心对称的形式，以此来消除各向异性。仿真结果显示，此结构在1.13THz时的电磁波吸收率达到了95%，而通过实测得到的电磁波吸收率也达到了77%。理论和实验均证明了四向对称形状等类似的中心对称型电磁谐振环可以增强吸波材料极化不敏感特性。

另外，张燕萍等^[60]设计具有分形结构的树枝状谐振器，制备出极化不敏感的PMA。单元结构由中间的0.8mm厚的环氧树脂板以及介质板正反面上刻蚀的金属铜树枝状分形结构组成，实验结果表明，双面大小树枝模型最大可以实现90.01%的吸收率，增加样品的层数可以有效地增加吸收率，三层样品就可以达到99%以上的吸收率，实现工程意义上的完美吸收，并且可以得出更好的中心对称型使得这种结构拥有了更好的极化不敏感特性。

2 PMA展望

尽管PMA取得了众多研究成果，但其在吸波性能的诸多方面仍然有待进一步的提高，如吸波速率、吸波稳定性、吸波持久性、吸波可调性、功率消耗等。接下来的研究中，人们一方面将对现有结构设计和工艺进行进一步的改进和优化，另一方面将继续探索PMA的新机理、新方法和新材料等。在未来的发展中，以下方面将值得关注。

(1) 随着科技的进步和应用需求的发展，在提高PMA吸波性能的同时，PMA还应向多功能方向发展，例如为适应多气候环境而研制出既可完美吸波又能兼顾防腐、自清洁、抗冰雪等多功能PMA。在功能得到拓展的同时，调控自由度和灵活性要得到进一步的提高。例如，目前的可调光PMA基本上都是对整个结构单元阵列一起进行调制，实现具有单元调控能力的可编程PMA将是一个颇具挑战性的目标。

(2) 设计集传感、驱动和控制等机构于一身的可主动感知分析电磁波并做出最佳响应的主动智能PMA，并结合材料的记忆功能、自组装特性等特殊功能，进一步开发出在损坏后具备自感与自修复能力的主动智能修复PMA等，将更具有学术研究价值与实际应用前景。

(3) 随着制备技术的发展，实现各向同性PMA将是隐身材料研究领域追求的目标。目前的PMA主要是制备在刚性基底(石英、硅等)上的平面金属结构，基于标准的微加工工艺，虽然金属便于制备形状各异的周期结构，但欧姆损耗会影响超材料在高频段的电磁谐振。这需要从理论和实验上进一步研究金属PMA特定吸波性能与其结构之间的关系，优化设计，降低损耗，改进器件性能。除了传统的金属PMA，半导体、超导体、液晶、硫系玻璃等的加入为实现低损、可调PMA提供了更多的选择。未来利用喷墨印刷、3D打印、激光烧蚀、光刻、纳米压印等新工艺，在Parylene、SU-8等柔性基底上制备出简单可调PMA将是趋势。

(4) 由于超材料谐振器的单元尺寸要远远小于入射电磁波的波长，现有的制备工艺限制其在高频段的实际应用。新现象、新机理的探索以及新材料的应用依然是PMA研究中的重要课题。以光机械超材料为例，这种新型可调光学超材料在物理现象、机理和应用研究方面都还有很多值得探索的课题。从实验上对这些超材料概念进行验证将是接下来值得关注的课题。新的活性材料，特别是以石墨烯及其混合结构、拓扑绝缘体为代表的新颖材料，在PMA中的应用是前沿的研究课题。

3 结束语

超材料的一系列物理概念和新颖特性极大地拓展了人们对于电磁学的认识，超材料为人们制备具有优异电磁响应的新材料提供了全新的设计理念，为人们操纵、控制电磁波提供了新途径，尤其在吸波隐身领域表现出巨大的应用潜力。PMA由最初的单频、窄带、不可调、偏振敏感吸波发展到如今的多频、宽频、可调、偏振无关吸波，且朝着“厚度薄、密度低、频段宽、吸收强”的方向快速发展。目前，PMA的研究还处于实验研究和理论探索阶段，PMA未来的发展离不开加工工艺的提高、新材料的探索、结构设计的优化和对超材料电磁特异响应的深入理解和研究，与诸如通信器件、电子设备等结合起来，制备出小型化、多功能化、低成本并能批量大面积生产的PMA将是其未来的主流发展方向。随着科技的进步、广大科研人员的努力和PMA的相关理论愈加成熟，必将有更多新型的PMA诞生于实验室并最终走向市场。综上所述，本文主要分类介绍了PMA的结构及性能，发现现有的研究集中在摸索性的应用研究为主，缺乏理论的指导和突破性的创新，针对现有研究中的不足对未来PMA的发展趋势做了探讨。