超材料（Metamaterials,MTMs）是一种人工设计的周期性亚波长单元结构,具有非自然的电磁特性,可以实现电磁波传播特性的调制。其中,在红外和更低频率下模拟光学表面等离激元电磁特性的人工金属表面结构被称为“人工表面等离激元超材料（Spoof surface plasmon polaritons metamaterials,SSPP MTMs）”。传统的超材料由于结构固定,其谐振频率、谐振强度、极化方向和相位等电磁响应参数不受外部因素影响,阻碍了其在实时控制器件领域的应用和发展。因此,结合可调节材料的“有源超材料”被提出,用于在外部激励条件下实现超材料电磁响应参数的动态调制。近年来,大量的基于变容二极管、相变材料、液晶材料、超导材料、三五族半导体材料和石墨烯的有源超材料被报道。但是这些实验室阶段的研究忽略了实际生产中需要考虑的成本和产量因素,并且与超大规模平面集成电路的工艺兼容性也很少被提及。例如,焊接变容二极管所需要的较大空间不适用于紧凑的高频集成电路;本质上基于热效应的形变材料、相变材料、液晶材料和超导材料在调制速度上略有欠缺;而具有超快调制速度的三五族半导体材料受限于高昂的外延生长费用和复杂的加工流程不适合大规模、低沉本的应用场景;同样具有超快调制速度的石墨烯也受限于大面积均匀材料的获得;已报道的透明氧化物材料虽然具有低成本、大面积和高兼容性等优势,但是其调制性能仍需要进一步提高。因此,在微波和太赫兹频率范围亟需开发一种具有低成本、高均一性、合理调制深度和英尺尺寸的有源MTMs和有源SSPP MTMs。本论文针对有源MTMs和有源SSPPMTMs的研究现状,利用有限元仿真模拟、微纳加工技术和薄膜生长技术,设计并验证了新型MTMs和SSPP MTMs及其动态调制方法。首先,提出了 一种基于开口谐振环（Split-ring resonators,SRRs）的新型SSPPMTMs并研究了其传感检测应用。然后,基于铟镓锌氧（InGaZnO,IGZO）肖特基二极管（Schottky barrier diodes,SBDs）提出了一种在毫米波频率动态调制SSPP MTMs的新方法,并拓展该方法实现了毫米波频率SSPP MTMs的多频多比特调制和太赫兹（Terahertz,THz）频率电场耦合电容电感超材料（Electric-field-coupled inductor-capacitor metamaterials,ELC MTMs）的动态调制。最后,基于单层石墨烯薄膜提出了一种具有超高品质因子的石墨烯SSPPMTMs,并在外部偏置下实现了透射率和反射率的动态调制。本论文的主要研究内容如下:1、基于SRRs的新型SSPP MTMs及其生物传感应用研究（1）提出了一种基于SRRs的新型SSPPMTMs。该器件在设计谐振频率49 GHz处的电尺寸仅为0.052 λ0×0.278 λ0,是已报道SSPP MTMs中的最小尺寸。在所设计的SSPP MTMs中,SRRs取代了传统SSPP MTMs中的矩形齿状结构,既实现了 SSPP MTMs的截止频率响应,又额外引入了由SRR谐振所引起的带阻响应。为了验证该设计,制备并表征了以两个共平面波导作为输入和输出馈电的SSPP MTM器件,实验结果与仿真结果保持了良好的一致性。该器件的带阻响应中心频率为49GHz,最大幅度衰减为-31 dB,-10 dB带宽为4.1 GHz,品质因子达到了 93,并且在10-45 GHz的带通频率范围具有小于-1.6 dB的低插入损耗。与已报道的SSPP MTMs相比,这种基于SRRs的SSPP MTMs具有尺寸小、高品质因子、低通带插入损耗的特点,可以在微波和太赫兹波电路中实现电路的小型化。（2）研究了所设计的SSPP MTMs在生物传感领域的应用。所设计的SSPP MTMs中带阻响应来源于SRR谐振,其谐振频率随SRR间隙电容中的等效介电常数改变。同时,SRR谐振使得局域电场出现了 250倍的增强,因此该器件在检测介电常数差异时具有超高灵敏度。在蔗糖溶液浓度检测中,水的谐振频率为48.2 GHz,浓度为0.25 mg/ml、0.43 mg/ml和1 mg/ml的蔗糖溶液的频率分别为49.6 GHz、50.75 GHz和51.9GHz。其中,当蔗糖溶液浓度为0.25mg/mL时,传感器的谐振频移达到了 1.4GHz,其灵敏度约为已报道的SRR传感器在检测蔗糖溶液浓度时灵敏度的18倍。在卵巢癌检测中,该SSPPMTM生物传感器的初始谐振频率为53.980 GHz,负载石蜡后的谐振频率为53.800 GHz。当负载正常卵巢组织、浆液性卵巢癌组织和透明卵巢癌组织三种卵巢癌组织时,该传感器的谐振频率分别为 53.852-53.915 GHz、53.722-53.798 GHz 和 53.750-53.800 GHz,平均谐振频率分别为53.8904 GHz、53.7680 GHz和53.7770 GHz,相对于无负载时的谐振频率分别产生了 90MHz、212MHz和203MHz的红移。根据统计结果可以得出,癌变卵巢组织的谐振频率红移大约为正常卵巢组织谐振频率红移的两倍。此外,浆液性卵巢癌细胞表现出比透明卵巢癌细胞组织更大的谐振幅度。因此,所设计的基于SRRs的SSPP MTM生物传感器可用于蔗糖溶液浓度检测和卵巢癌检测等传感检测领域,实现无标记、无损伤、高分辨率和高灵敏度检测。2、基于IGZO SBDs的有源SSPP MTMs动态调制方法研究（1）提出了一种基于IGZO SBDs的SSPP MTMs动态调制方法,在毫米波频率范围实现了对透射率、反射率和吸收率的显著调制。所提出的动态调制方法包括基于SRRs的新型SSPP MTMs和桥接SRR间隙电容两端的IGZO SBDs。通过IGZO SBDs可以调节SRR间隙电容中的IGZO薄膜的平均电导率,从而实现SRR谐振幅度和相应SSPP MTMs衰减的调制。经实验验证,该方法可以对SSPP MTMs的透射率和吸收率分别实现高达40%和19%的调制深度,这是目前已报道的SSPPMTMs动态调制实验结果中的最大调制深度。根据从IGZO SBDs的电流-电压曲线提取的平均电导率变化范围,通过有限元模拟仿真,该调制方法显示出了对于SSPPMTMs实现高达67%的理想透射率调制深度。（2）提出了一种基于叉指型SRRs和IGZO SBDs的多频多比特SSPPMTMs幅度调制方法。在该设计中,通过采用叉指型电容代替传统SRRs中的平行板电容,可以在不影响调制深度的情况下实现更大的调幅频谱范围。作为验证,设计了一种双频SSPP MTM器件,并通过色散特性、电场分布、表面电流密度分布和传输特性对该器件进行了仿真模拟。该器件的总长度为11.13 mm,在37.4GHz时等效为1.38个波长,远小于已报道的其他多频带阻滤波器。在实验验证中,通过使用两个独立的偏置电压,该器件在34.7 GHz谐振频率处实现了从-12.5 dB、-9 dB到-6.2 dB的3-bit幅度调制,并在50 GHz谐振频率处实现了从-26 dB、-13 dB到-8.5 dB的3-bit幅度调制。该方法为SSPPMTMs在微波和太赫兹波段的多频多比特幅度调制提供了新的思路。3、基于IGZO SBDs的有源ELC MTMs动态调制方法研究（1）提出了一种基于IGZO SBDs在室温下重构ELC MTMs的方法,在太赫兹频率范围实现了对电磁波透射率的动态调制。在该方法中,IGZO SBDs桥接了 ELC MTMs中的电容结构,同时引入金属线施加偏置电压,使得ELC MTMs间隙电容中的平均电导率在不改变电容的条件下可以被外部偏置调节。经过实验验证,在谐振频率0.39THz处的透射率可以从-14.2 dB连续调制到-9.9 dB,对应于14.3%的透射深度调制。该方法为高工业兼容性薄膜技术与有源THz MTMs的结合铺平了道路。（2）提出了一种精确模拟IGZO SBDs动态调制ELC MTMs的方法。通过在有限元仿真模型的ELC电容两侧设计两个U型电阻片,使得间隙电容和谐振频率不会随薄膜电导率的变化发生改变。当电阻片的平均电导率从7.9×10-6S/m变化到0.23 S/m时,在0.388 THz的谐振频率处,透射率可以从-14.5 dB逐渐调节到-9.9 dB,对应于13%的透射深度调制,与实验结果具有良好的一致性。4、基于石墨烯的有源SSPP MTMs研究提出了一种具有超高品质因子的石墨烯基SSPP MTMs,并通过偏置电压实现了对该器件透射率和反射率的显著调制。在该器件仿真模型中,两个石墨烯电阻片作为负载被紧凑地设计在每个SRR中并分别与间隙电容两端相连。通过旋涂的LiClO4离子凝胶施加偏置电压即可调节石墨烯薄膜的方块电阻,从而实现石墨烯基SSPP MTMs透射率和反射率的动态调制。随着石墨烯的方块电阻从2400Ω/□减小到500Ω/□、350Ω/□和250Ω/□时,所提出的基于石墨烯的有源SSPP MTMs在谐振频率85 GHz处的透射率也从-52 dB逐渐降低到-35.3 dB、-26.5 dB和-21.7dB。作为实验验证,基于单层CVD石墨烯薄膜制备并表征了所提出的石墨烯基SSPP MTMs。实验结果表明,在石墨烯的狄拉克点附近,该器件表现出了高达1471的超高品质因子。同时,LiClO4离子凝胶在偏置电压下对于无源SSPP MTMs的透射率没有表现出影响。随着偏置电压从-1 V逐渐增加到0 V、1 V和2 V,所提出的基于石墨烯的有源SSPP MTMs的透射率和反射率与仿真结果保持了良好的一致性。当偏置电压进一步增加到V=5 V时,石墨烯基SSPP MTMs的透射率和反射率分别实现了 15%和44%的调制深度,并且没有出现谐振频移现象。