CN103823256A - 基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料 - Google Patents
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Abstract
基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，属于红外光电材料与器件技术领域，本发明包括底层金属薄膜和置于底层金属薄膜上的图形化谐振吸波层，所述谐振吸波层包含至少10个重叠的谐振层，每个谐振层包含一个介质层和一个金属层；沿自底层向上的方向，各谐振层中介质层材料的介电常数值为梯度增大或减小。本发明具有结构简单、波段可控、吸收效率高、吸收频带宽等优点，可应用于红外伪装、红外点阵成像、红外辐射能量调控以及红外光电器件等多个领域。
Description
技术领域
本发明属于红外光电材料与器件技术领域。
背景技术
周期性完美吸波结构(Perfect absorber)是近年来从电磁超材料(Electromagnetic metamaterial)衍生出的一种新型电磁结构器件。这种周期吸波结构利用超材料的谐振特性：入射电场与金属阵列单元产生电谐振，并且在上下平行的两层金属间感应出反向平行电流，导致入射磁场与感应磁场产生磁谐振，从而使得电磁波被有效地局域在单元结构中，使反射的电磁波为零，同时由于底层连续金属膜阻止了入射波的透过，所以可以在特定波段形成一个接近100%吸收率的吸收峰。这种周期吸波结构具有吸收效率高，谐振频段可调，对入射角度、极化方向不敏感等诸多优点。然而由于这种吸收效果是基于周期性完美吸波结构的电磁谐振特性产生，因此频段单一、吸收频带窄是其固有的缺陷。但是在红外辐射调制、红外点阵成像、红外伪装等诸多应用领域中，迫切需要一种具有宽频带吸收效果的周期吸波结构来获取更多的红外能量。目前针对这一缺陷主要采用多谐振图案的设计方法，将多个临近谐振峰叠加来实现宽频带吸收。然而局限于周期单元内谐振图案叠加个数的限制，吸收峰的宽度提高范围有限。因此，针对这一技术难题，提出了一种基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前中红外波段周期吸波材料吸收频带窄的技术缺陷，提出一种基于介质调控的宽频带周期吸波结构。该结构采用将若干个产生于不同谐振层中单一频点的谐振峰叠加的方式，获得了一个宽频带的吸收峰，可以极大提高了中红外波段周期吸波材料的能量获取效率。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，包括底层金属薄膜和置于底层金属薄膜上的图形化谐振吸波层，所述谐振吸波层包含至少10个重叠的谐振层，每个谐振层包含一个介质层和一个金属层；沿自底层向上的方向，各谐振层中介质层材料的介电常数值为梯度增大或减小。
进一步的，所述谐振吸波层排布为吸波单元阵列，每个吸波单元为正方形，其周期长度为P，正方形贴片边长为L，其中，1μm≤P≤4μm，0.4μm≤L≤3.6μm。谐振吸波层所包含的谐振层的层数为N，10≤N≤40，谐振吸波层中金属层厚度为tm，介质层厚度为td，5nm≤tm≤25nm，10nm≤td≤50nm。
谐振层中的介质材料的介电常数变化范围为：1≤εd≤30，介质层的介电常数梯度变化范围为：0.1≤Δε≤2。
更进一步的，所述谐振吸波层排布为吸波单元阵列，每个吸波单元为实心圆形、矩形、圆环形或十字形。
所述“周期长度”是指周期性结构中相邻两个重复的单元的距离，在本发明中，周期长度为相邻两个单元的中心点的距离。
本发明具有如下的优点：
1、通过将若干个谐振层中产生的单频点吸收峰叠加的设计方式，极大的扩展了吸收峰的带宽，极大的提高了中红外波段周期吸波材料的能量获取效率；
2、采用谐振单元纵向叠加的方式，叠加数目不会受制于单元周期大小的限制，可以叠加更多的单频点谐振峰，从而获得更宽的吸收峰；
3、该结构由于对称的形貌，所以对极化角度不明感，而且在大角度下也有很好的吸收效果；
4、通过对谐振单元图案形状、尺寸的调节和谐振层中介质层材料的介电常数变化范围、变化梯度的设计，可以灵活的调控吸收峰的位置，满足不同波段对红外电磁波吸收的要求；
5、本设计方法中的结构在制备过程中只需一次光刻即可实现结构的图形化，无需通过复杂的层间尺寸渐变来达到带宽的叠加；
6、本发明所设计的周期吸波结构厚度薄，体积小，可实现与其他器件的良好兼容；
7、本发明所设计的周期吸波结构制备工艺简单、易于实现，可通过半导体加工技术获得大面积的周期吸波结构。
综上所述，本发明具有结构简单、波段可控、吸收效率高、吸收频带宽等优点，可应用于红外伪装、红外点阵成像、红外辐射能量调控以及红外光电器件等多个领域。
附图说明
图1为本发明的周期吸波材料的正面结构示意图。
图2为本发明的周期吸波材料的一个周期单元的侧面结构示意图。其中，1是底层金属薄膜，其上是叠加了N层的“金属-介质”谐振层，图中有阴影图形为金属层，无阴影图形为介质层。
图3为本发明的周期吸波结构DM-1的吸收率曲线。
图4为本发明的周期吸波结构DM-2的吸收率曲线。
图5为本发明的周期吸波结构DM-3的吸收率曲线。
具体实施方式
中红外波段宽频带周期吸波材料，包括底层金属薄膜和设置于底层金属薄膜上的图形化的谐振吸波层，其特征在于，所述谐振吸波层包含至少10个以上重叠的谐振层，每个谐振层由介质层和金属层构成，各谐振层中介质层材料的介电常数值按一定的梯度增大或减小。
所述图形化的谐振吸波层排布为吸波单元阵列，每个吸波单元为正方形贴片，其周期长度为P，正方形贴片边长为L，谐振吸波层中金属层厚度为tm，介质层厚度为td，其中，1μm≤P≤4μm，0.4μm≤L≤3.6μm，5nm≤tm≤25nm，10nm≤td≤50nm。
其吸波单元阵列采用多个谐振层叠加的方式纵向排布，谐振层数N至少大于10，其变化范围为10≤N≤40，在谐振层中的介质材料的介电常数按梯度在一定的范围内变化，介质层的介电常数变化范围为：1≤εd≤30，介质层的介电常数梯度变化范围为：0.1≤Δε≤2。
参见图1和2。本实施方式包括底层金属薄膜和置于底层金属薄膜上的图形化的谐振吸波层。所述的“金属-介质”谐振层为正方形的电磁谐振阵列结构，其周期为P，正方形贴片的边长为L。
本发明的要点：
1）所述“金属-介质”谐振层数N应至少大于10，以实现将若干个谐振层中单频点吸收峰相互叠加的目的；
2）在不同的谐振层中，介质材料的介电常数应在一定的范围内按梯度变化，介电常数变化范围为：1≤εd≤30，介质层的介电常数变化梯度范围为：0.1≤Δε≤2；
3）谐振单元内的图案不但可以由矩形、方形贴片构成，还可以由尺寸渐变的圆形、十字形、环形等常用的电磁谐振结构组成；
4）所述结构中图形化谐振单元的尺寸可调节，其中周期：1μm≤P≤4μm，贴片边长：0.4μm≤L≤3.6μm；5）所述结构中底层连续金属薄膜及图形化金属贴片的材料可以是金、银或铝。
本发明的宽频带周期吸波结构是基于周期性电磁结构介电调控特性来实现的。在阵列单元的每个谐振层中会产生一个谐振峰，由于介质的调控作用，按梯度线性变化的介电常数使得单频点谐振峰的位置也是在一个频率范围内按线性变化的，同时由于多层结构间的电磁耦合作用，这些单频点的吸收峰叠加在一起形成了宽频带的吸收峰。
在本发明中，吸波结构设计在以Si为支撑的衬底基片上，底层的连续金属薄膜及上层的金属贴片薄膜均为Al。以下示例中，谐振单元尺寸为恒定值，通过改变谐振层的层数和介质层材料介电常数变化范围、变化梯度实现对宽频带吸收峰的调制。通过商业电磁仿真软件CST Microwave Studio获得结构的反射率、透射率参数，计算得到吸收率曲线。
实施例1：
如图3所示，采用双层的“金属-介质”谐振层结构和底层连续金属薄膜组成的周期吸波结构，实现宽频带的吸波结构DM-1。在支撑性的Si衬底基片上首先为厚度100nm的连续金属Al薄膜1，其上为N层的“金属-介质”谐振层结构。其中谐振层的层数N=20，介质层介电常数的变化范围为：2≤εd≤11.5，变化梯度为：Δε=0.5。DM-1的周期P=1.4μm，正方形贴片边长L=0.7μm，金属谐振层的厚度为15nm，介质谐振层的厚度为25nm。其吸收率曲线如图3所示，从图中可以看出，由于多层结构间的电磁耦合作用，该结构在3.2～5.1μm的波段内实现了一个吸收率高达80%的吸收峰，实现了一种高效吸收的宽频带周期吸波结构。
实施例2：
如图4所示，采用双层的“金属-介质”谐振层结构和底层连续金属薄膜组成的周期吸波结构，实现宽频带的吸波结构DM-2。在支撑性的Si衬底基片上首先为厚度100nm的连续金属Al薄膜1，其上为N层的“金属-介质”谐振层结构。其中谐振层的层数N=15，介质层介电常数的变化范围为：2≤εd≤9，变化梯度为：Δε=0.5。DM-2的周期P=1.4μm，正方形贴片边长L=0.7μm，金属谐振层的厚度为15nm，介质谐振层的厚度为25nm。其吸收率曲线如图3所示，从图中可以看出，由于多层结构间的电磁耦合作用，该结构在3.2～4.7μm的波段内实现了一个吸收率高达80%的吸收峰，实现了一种高效吸收的宽频带周期吸波结构。
实施例3：
如图5所示，采用双层的“金属-介质”谐振层结构和底层连续金属薄膜组成的周期吸波结构，实现宽频带的吸波结构DM-1。在支撑性的Si衬底基片上首先为厚度100nm的连续金属Al薄膜1，其上为N层的“金属-介质”谐振层结构。其中谐振层的层数N=20，介质层介电常数的变化范围为：2≤εd≤21，变化梯度为：Δε=1。DM-3的周期P=1.4μm，正方形贴片边长L=0.7μm，金属谐振层的厚度为15nm，介质谐振层的厚度为25nm。其吸收率曲线如图3所示，从图中可以看出，由于多层结构间的电磁耦合作用，该结构在3.6～6.7μm的波段内实现了一个吸收率高达80%的吸收峰，实现了一种高效吸收的宽频带周期吸波结构。
综上所述，本发明基于周期性吸波结构的介电调控特性和电磁耦合特性，采用将若干个谐振层中的单频点吸收峰叠加的设计方式，在中红外波段实现了高吸收率的宽频带吸收峰。不能以本发明的实施方式限定本发明实施的范围，即依本发明权利要求及说明书中内容所做的简单衍化，如采用不同介质变化范围、不同介质变化梯度、不同谐振图形、不同尺寸、不同频段，但本质上是利用介质的调控特性将多个谐振层中的单频点吸收峰叠加的设计方式获得宽频段吸波效果的结构，皆应属于本发明专利覆盖的保护范围内。
Claims (9)
1.基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，包括底层金属薄膜和置于底层金属薄膜上的图形化谐振吸波层，所述谐振吸波层包含至少10个重叠的谐振层，每个谐振层包含一个介质层和一个金属层；沿自底层向上的方向，各谐振层中介质层材料的介电常数值为梯度增大或减小。
2.如权利要求1所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述谐振吸波层排布为吸波单元阵列，每个吸波单元为正方形，其周期长度为P，正方形贴片边长为L，其中，1μm≤P≤4μm，0.4μm≤L≤3.6μm。
3.如权利要求1所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述谐振吸波层中金属层的厚度5nm≤tm≤25nm，介质层的厚度10nm≤td≤50nm。
4.如权利要求1所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，谐振吸波层所包含的谐振层的层数为N，10≤N≤40。
5.如权利要求1所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，谐振层中的介质材料的介电常数变化范围为：1≤εd≤30，介质层的介电常数梯度变化范围为：0.1≤Δε≤2。
6.如权利要求1所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述谐振吸波层排布为吸波单元阵列，每个吸波单元为实心圆形、矩形、圆环形或十字形。
7.如权利要求2所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，底层金属薄膜为厚度100nm的连续金属Al薄膜，其上为具有20层谐振层的谐振吸波层，介质层介电常数的变化范围为：2≤εd≤11.5，变化梯度为：Δε=0.5，周期长度P=1.4μm，正方形吸波单元的边长L=0.7μm，金属谐振层的厚度为15nm，介质谐振层的厚度为25nm。
8.如权利要求2所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，底层金属薄膜为厚度100nm的连续金属Al薄膜，其上为具有15层谐振层的谐振吸波层，介质层介电常数的变化范围为：2≤εd≤9，变化梯度为：Δε=0.5，周期长度P=1.4μm，正方形吸波单元的边长L=0.7μm，金属谐振层的厚度为15nm，介质谐振层的厚度为25nm。
9.如权利要求2所述的基于介质调控的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，底层金属薄膜为厚度100nm的连续金属Al薄膜，其上为具有20层谐振层的谐振吸波层，介质层介电常数的变化范围为：2≤εd≤21，变化梯度为：Δε=1，周期长度P=1.4μm，正方形吸波单元的边长L=0.7μm，金属谐振层的厚度为15nm，介质谐振层的厚度为25nm。
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