Sistemi Radianti Innovativibasati su Materiali Artificiali

Micro- e Nano-Strutturati

Attività dell’unità “Campi Elettromagnetici” Università “La Sapienza” di Roma

Dipartimento di Ingegneria Elettronica

W. Arrighetti, P. Baccarelli, P. Burghignoli, F. Frezza, A. GalliP. Lampariello, G. Lovat, S. Paulotto e G. Valerio

Roma, 4 dicembre 2006 - Università “La Sapienza” di Roma - Facoltà di Ingegneria

Metamateriali: motivazioni

Crescente interesse rivolto alla teoria e alle applicazioni elettromagnetiche di materiali artificiali (MA)

Metamateriali: strutture periodiche (o quasi-periodiche) descritte da parametri costitutivi con proprietà ‘notevoli’

Potenzialità delle strutture radianti basate su semplici sorgenti poste in presenza di MA

Necessità di metodi numerici efficienti ed accurati per la simulazione di strutture periodiche

Strutture periodiche

Definizione:

Strutture che possiedono periodicità spaziale in una o più dimensioni

Tipi:

In natura: strutture cristalline

Materiali Artificiali:

Photonic Bandgap (PBG),

Electromagnetic Bandgap (EBG),

Frequency Selective Surface (FSS)

Metamateriali

Nanomateriali

pl

w

h

Modelli classici isotropi: di tipo plasma, di tipo Lorentz

Necessità di tenere conto degli effetti di anisotropia e dispersione spaziale

• Su questi si basano molti degli studi condotti sinora su sistemi radianti con metamateriali• Problemi realizzativi

• Soprattutto quest’ultima introduce nuove difficoltà nella risoluzione analitica e numerica dei problemi, ma determina anche la comparsa di nuovi ed interessanti fenomeni propagativi e radiativi

Metamateriali: Modelli Omogenei

Metamateriali: Antenne Planari

f

x

yz

h

x

sh

rhe

Dipolo elementare

LWjke r

r

-z

r Metamateriale isotropo a bassa permettività

r0 1e< <<h

Struttura periodica planare

Antenne a onda leaky ad alta direttività

‘Wire Medium’: necessità di modellianisotropi e spazialmente dispersivi

Metodi di analisi per strutture periodiche stampate

Programmi di calcolo “ad hoc" per l'analisi modale e dell’eccitazione (da una singola sorgente aperiodica) di strutture periodiche in una e due direzioni stampate su un substrato dielettrico.

Geometrie arbitrarie della metallizzazione all'interno della cella unitaria: MoM nel dominio dello spazio (formulazione ai potenziali misti + RWG); metodi di accelerazione per il calcolo numerico delle serie e degli integrali necessari all'analisi delle strutture periodiche.

Eccitazione da una singola sorgente aperiodica: calcolo numerico delle funzioni di Green delle strutture periodiche mediante il cosiddetto Array Scanning Method

Tematiche di ricerca e applicazioni

Realizzazione di antenne miniaturizzate caricate con materiali innovativi - Roma Tre

Analisi di substrati innovativi di tipo Metamateriale con soppressione completa delle onde superficiali per antenne planari a elevata efficienza - Sapienza

Analisi di substrati innovativi di tipo Metamateriale per antenne a onda leaky a elevata direttività ed efficienza e con proprietà avanzate di scansione del fascio - Sapienza

Uso di strutture EBG e Metamateriali nella realizzazione di Antenne Integrate Attive - Sapienza (Firenze, Pisa, Roma-Tor Vergata, Trieste)

Materiali EBG per antenne molto direttive - Roma Tre

Realizzazione di dispositivi di imaging ad elevata risoluzione - Roma Tre

Materiali nano-strutturati: motivazioni

Dispositivi plasmonici: utilizzano le proprietà ottiche di nano-strutture metalliche di varie forme di tipo periodico o quasi-periodico.

Nano-misture: materiali realizzati tramite nano-inclusioni 3D di mezzi con caratteristiche differenti dal mezzo ospitante.

Potenzialità dell’utilizzo di materiali nanostrutturati come superfici selettive in frequenza (schermi, filtri spaziali, FSS, ..), lenti per imaging ad alta risoluzione, dispositivi fotonici per la trasmissione straordinaria (a elevato guadagno) della luce attraverso aperture sub-wavelength.

Necessità di metodi di analisi e di progetto e di tecniche per la caratterizzazione sperimentale dei materiali

Dispositivi plasmonici periodici

Trasmissione straordinaria della radiazione luminosa attraverso

aperture di dimensioni ben inferiori alla lunghezza d’onda in superfici

metalliche corrugate periodicamente

Analisi in termini di onde leaky plasmoniche eccitate ai due lati del metallo e guidate lungo la nano-corrugazione periodica

Ottimizzazione della trasmissione straordinaria attraverso tecniche di

sintesi di strutture a onda leaky periodiche volte a massimizzare la

radiazione al broadside

Nano-misture

Materiali capaci di esibire proprietà selettive in frequenza nel loro volume senza passband indesiderate o limitazioni inerenti la loro topologia

Utilizzati in schermi, riflettori e filtri spaziali

Nano-inclusioni metalliche

Assorbitori alle microondedi spessore ridotto rispetto

agli usuali composti in ferrite

Nano-strati metallici su substrati plastici

Fogli metallici ultrasottili trasparentialle frequenze ottiche

Metodi di analisi

eff

Caratterizzazione attraverso “mixing formulas” del tipo Maxwell-Garnett, Clausius-Mossotti modificato e Bruggeman.

eff

Caratterizzazione sperimentale attraverso formule empiriche di “rilassamento” (Cole-Cole, Cole-Davidson, Havriliak–Negami, etc.) o di tipo “risonante” (Born e Wolf, Miles, Wertphal, e Hippel)

Caratterizzazione attraverso circuiti equivalenti per la stima del comportamento in frequenza di permittività “complesse” valide in un ampio intervallo di concentrazione di nano-inclusioni metalliche

MezzoospitanteInclusioni

Omogeneizzazione

Tematiche di ricerca e applicazioni

Superfici selettive in frequenza basate su nano-misture - Sapienza

Uso di nanomateriali per la realizzazione di sensori ad infrarossi ad alta risoluzione - Roma Tre

Uso di materiali sintetici per l’invisibilità - Roma Tre

Realizzazione di nanocircuiti ottici - Roma Tre

Analisi e ottimizzazione di dispositivi plasmonici per la trasmissione straordinaria attraverso aperture “subwavelength” - Sapienza

Caratterizzazione sperimentale dei materiali mediante misure in guida d’onda e in spazio libero - Sapienza