CN103913788A - 中红外波段宽频带周期吸波材料 - Google Patents
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Abstract
中红外波段宽频带周期吸波材料，属于功能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，其特征在于，所述谐振吸波层至少包括两个重叠的谐振层，每个谐振层包括介质层和金属层，各谐振层的介质层材料的介电常数值依次增高或降低。本发明通过将多个谐振层中的宽频带吸收峰叠加的设计方式，极大的扩展了吸收峰的带宽，能够在给定的波段获取更多的入射波能量。
Description
技术领域
本发明属于功能材料与器件技术领域，涉及红外周期吸波结构，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。
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。根据等效煤质理论，其电磁特性可以用有效介电常数[ε(ω)]和有效磁导率[μ(ω)]表示。通过对电谐振和磁谐振的合理调制，可以使得该结构与自由空间阻抗匹配：使得入射电磁波在谐振点的反射为零，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，谐振频点可调，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。
发明内容
本发明的技术解决问题是，针对目前中红外波段周期吸波结构吸收频带窄的技术缺陷，提出一种宽频带周期吸波结构。该结构采用将多个宽频带谐振层叠加的方式，极大的扩宽了中红外波段周期吸波结构的吸收带宽。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，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，所述谐振吸波层至少包括两个重叠的谐振层，每个谐振层包括介质层和金属层，各谐振层的介质层材料的介电常数值依次增高或降低。
进一步的说，本发明共有两个谐振层，其中，两个介质层的材料分别为Al2O3和Y2O3，或者Al2O3和MgF2，或者Al2O3和ZnS，或者Y2O3和ZnS，或者Y2O3和ZnSe。
或者，本发明共有三个谐振层，其中，三个介质层的材料分别为MgF2、Al2O3和Y2O3，或者MgF2、Al2O3和ZnS，或者Al2O3、Y2O3和ZnS。
所述图形化的谐振吸波层为吸波单元阵列，每个吸波单元由5个矩形复合贴片构成，其中，第一、第二矩形复合贴片为长方形，第三矩形复合贴片为正方形，吸波单元即由两个横向和两个纵向的矩形贴片围绕中心正方形贴片构成。阵列的横向、纵向周期长度皆为P，第一、第二矩形复合贴片的边长分别为L1和L2，第三矩形复合贴片的边长为L3，其中，4μm≤P≤6μm，1.5μm≤L1≤2μm，1.2μm≤L2≤1.6μm，1.3μm≤L3≤1.8μm，且L2＜L3＜L1。
更具体的说，所述图形化的谐振吸波层的图形为吸波单元阵列，每个吸波单元由3个矩形复合贴片构成，3个矩形复合贴片皆为正交方式设置，其中，第一矩形复合贴片为正方形，第二、第三矩形复合贴片皆为长方形，且第二、第三矩形复合贴片全等但长边相互垂直，第一、第二矩形复合贴片的中点处于同一条阵列行线，第一、第三矩形复合贴片的中点处于同一条阵列列线；第一矩形复合贴片到第二矩形复合贴片的距离与第一矩形复合贴片到第三矩形复合贴片的距离相等，阵列的横向、纵向周期长度皆为P，第二、第三矩形复合贴片的边长分别为L1和L2，第一矩形复合贴片的边长为L3，4μm≤P≤6μm，1.5μm≤L1≤2μm，1.2μm≤L2≤1.6μm，1.3μm≤L3≤1.8μm，且L2＜L3＜L1。
所述行线为阵列中各单元中点横向连线的平行线，所述列线为阵列中各单元中点纵向连线的平行线。所述正交方式设置是指矩形的边分别平行于行线和列线。
本发明具有如下的优点：
1、通过将多个谐振层中的宽频带吸收峰叠加的设计方式，极大的扩展了吸收峰的带宽，能够在给定的波段获取更多的入射波能量；
2、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选取，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；
3、本发明所设计的周期吸波结构简单，各谐振层中的谐振单元图案相同，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；
4、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；
5、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、易于制备、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为所发明的周期吸波结构的正面结构示意图。
图2为所发明的双谐振层周期吸波结构的侧面结构示意图。其中，1是底层金属薄膜，2是下层“金属-介质”谐振层，3是上层“金属-介质”谐振层，且在2，3中有阴影图形为金属层，无阴影图形为介质层。
图3为所发明的三谐振层周期吸波结构的侧面结构示意图。其中，10是底层金属薄膜，20是下层“金属-介质”谐振层，30是中间层“金属-介质”谐振层，40是上层“金属-介质”谐振层，且在20，30，40中有阴影图形为金属层，无阴影图形为介质层。
图4为所发明的周期吸波结构BM-1的吸收率曲线。
图5为所发明的周期吸波结构BM-2的吸收率曲线。
图6为所发明的周期吸波结构BM-3的吸收率曲线。
具体实施方式
本发明提供一种中红外波段宽频带周期吸波材料，如图1～3所示，包括底层连续金属薄膜和位于底层金属薄膜之上的多层图形化“金属-介质”谐振层。所述底层金属薄膜的厚度远大于中红外波段的金属趋肤深度，以阻止入射波透过该结构。所述的“金属-介质”谐振层为一种的尺寸渐变的电磁谐振阵列结构，谐振图案单元包括横向和纵向对称分布的矩形贴片，其周期为P，矩形贴片的长边和短边长度分别为L1和L2。矩形贴片中间的正方形贴片是用来补偿矩形贴片的尺 寸差异，其长度为L3，且有L2＜L3＜L1。
上述技术方案中：1）所述“金属-介质”谐振层可以为两层（如图2所示），也可以为三层（如图3所示），甚至更多的层数，以实现将两个，三个，甚至更多单谐振层中的宽频带吸收峰相互叠加的目的；2）在不同的谐振层中应选用介电常数值接近且大小渐变的介质层材料，如双谐振层结构中可选用“Al2O3+Y2O3”、“Al2O3+MgF2”、“Al2O3+ZnS”、“Y2O3+ZnS”、“Y2O3+ZnSe”等介质组合的方式，三谐振层中可选用“MgF2+Al2O3+Y2O3”、“MgF2+Al2O3+ZnS”、“Al2O3+Y2O3+ZnS”等介质组合的方式；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4μm≤P≤6μm，1.5μm≤L1≤2μm，1.2μm≤L2≤1.6μm，1.3μm≤L3≤1.8μm；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。
本发明中所述的宽频带周期吸波结构是基于周期性电磁结构的尺寸谐振特性和介电调控特性来实现的。在单个谐振层中，利用结构单元的尺寸谐振特性，在多个频点同时发生电磁谐振，获得宽频带的吸收峰。在不同谐振层中，选用介电常数值接近且大小渐变的介质层材料，利用介电常数对谐振峰位置线性调控的谐振特性，产生多个位于不同频段的宽频带吸收峰。最终，多层的谐振结构将产生于各谐振层中的宽频带吸收峰叠加，实现了一种高性能的中红外波段宽频带周期吸波材料。
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的材料，实现对宽频带吸收峰的调制。给出了两组分别采用“Al2O3+Y2O3”、“Al2O3+MgF2”介质组合的双层谐振结构，以及一组采用“MgF2+Al2O3+Y2O3”介质组合的三层谐振结构。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。
具体实施方式一：
如图2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BM-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，其上为双层的“金属-介质”谐振层结构。 下层谐振层2中的介质为厚度100nm的Y2O3薄膜，其介电常数实部为3.21，上层谐振层3中的介质为厚度150nm的Al2O3薄膜，其介电常数实部为2.28，且两谐振层中的金属贴片层厚度皆为50nm。BM-1的周期P=4.7μm，谐振单元内贴片尺寸L1=1.7μm，L2=1.5μm，L3=1.6μm。其吸收率曲线如图4所示，从图中可以看出，由于双谐振层叠加的调制作用，该结构在5.2～6.7μm的波段内实现了一个吸收率高于87%的吸收峰，实现了一种高效吸收的宽频带周期吸波结构。
具体实施方式二：
如图2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BM-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，其上为双层的“金属-介质”谐振层结构。下层谐振层中的介质为厚度100nm的Al2O3薄膜，其介电常数实部为2.28，上层谐振层中的介质为厚度150nm的MgF2薄膜，其介电常数实部为1.75，并且两谐振层中的金属贴片层厚度皆为50nm。BM-1的周期P=4.7μm，谐振单元内贴片尺寸L1=1.7μm，L2=1.5μm，L3=1.6μm。其吸收率曲线如图5所示，从图中可以看出，由于双谐振层叠加的调制作用，该结构在4.6～6.1μm的波段内实现了一个吸收率高于75%的吸收峰，实现了一种高效吸收的宽频带周期吸波结构。
具体实施方式三：
如图3所示，采用三层的“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BM-3。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10，其上为三层的“金属-介质”谐振层结构。底层谐振层20中的介质为厚度150nm的MgF2薄膜，其介电常数实部为1.75，中层谐振层30中的介质为厚度100nm的Al2O3薄膜，其介电常数实部为2.28，顶层谐振层40中的介质为厚度150nm的Y2O3薄膜，其介电常数实部为3.21，并且三谐振层中的金属贴片层厚度皆为50nm。BM-3的周期P=4.7μm，谐振单元内贴片尺寸L1=1.7μm，L2=1.5μm，L3=1.6μm。其吸收率曲线如图6所示，从图中可以看出，由于三个谐振层叠加的调制作用，该结构在5.1～6.8μm的波段内实现了一个吸收率高于61%的吸收峰，并且在4.7～5.1μm也有一个吸收率达到48%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，本发明基于周期性电磁结构的尺寸谐振特性和介电调控特性， 采用将多个谐振层中的宽频带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。以上所述为本发明的示范施例，不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明权利要求及发明说明书中内容所做的简单衍化，如采用不同介质、不同谐振图形、不同尺寸、不同频段，但本质上是利用将多个谐振层中的宽频带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.中红外波段宽频带周期吸波材料，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，其特征在于，所述谐振吸波层至少包括两个重叠的谐振层，每个谐振层包括介质层和金属层，各谐振层的介质层材料的介电常数值依次增高或降低。
2.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述图形化的谐振吸波层为吸波单元阵列，每个吸波单元由5个矩形复合贴片构成，其中，第一、第二矩形复合贴片为长方形，第三矩形复合贴片为正方形，吸波单元即由两个横向和两个纵向的矩形贴片围绕中心正方形贴片构成。阵列的横向、纵向周期长度皆为P，第一、第二矩形复合贴片的边长分别为L1和L2，第三矩形复合贴片的边长为L3，其中，4μm≤P≤6μm，1.5μm≤L1≤2μm，1.2μm≤L2≤1.6μm，1.3μm≤L3≤1.8μm，且L2＜L3＜L1。
3.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，共有两个谐振层，其中，两个介质层的材料分别为Al2O3和Y2O3，或者Al2O3和MgF2，或者Al2O3和ZnS，或者Y2O3和ZnS，或者Y2O3和ZnSe。
4.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，共有三个谐振层，其中，三个介质层的材料分别为MgF2、Al2O3和Y2O3，或者MgF2、Al2O3和ZnS，或者Al2O3、Y2O3和ZnS。
5.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述金属层的材料为金、银或者铝。
6.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，金属薄膜为厚度100nm的连续Al薄膜，其上为两个谐振层结构，下层谐振层中的介质为厚度100nm的Y2O3薄膜，其介电常数实部为3.21，上层谐振层中的介质为厚度150nm的Al2O3薄膜，其介电常数实部为2.28，且两谐振层中的金属贴片层厚度皆为50nm，阵列的横向、纵向周期皆为P=4.7μm，谐振单元内贴片尺寸L1=1.7μm，L2=1.5μm，L3=1.6μm。
7.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，金属薄膜为厚度100nm的连续Al薄膜，其上为两个谐振层结构，下层谐振层中的介质为厚度100nm的Al2O3薄膜，其介电常数实部为2.28，上层谐振层中的介质为厚度150nm的MgF2薄膜，其介电常数实部为1.75，并且两谐振层中的金属贴片层厚度皆为50nm，阵列的横向、纵向周期皆为P=4.7μm，谐振单元内贴片尺寸L1=1.7μm，L2=1.5μm，L3=1.6μm。
8.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，金属薄膜为厚度100nm的连续金属Al薄膜，其上为三层的谐振层结构，下层谐振层中的介质为厚度150nm的MgF2薄膜，其介电常数实部为1.75，中层谐振层中的介质为厚度100nm的Al2O3薄膜，其介电常数实部为2.28，上层谐振层中的介质为厚度150nm的Y2O3薄膜，其介电常数实部为3.21，并且三个谐振层中的金属贴片层厚度皆为50nm，阵列的横向、纵向周期皆为P=4.7μm，谐振单元内贴片尺寸L1=1.7μm，L2=1.5μm，L3=1.6μm。
9.如权利要求1所述的中红外波段宽频带周期吸波材料，其特征在于，所述图形化的谐振吸波层的图形为吸波单元阵列，每个吸波单元由3个矩形复合贴片构成，3个矩形复合贴片皆为正交方式设置，其中，第一矩形复合贴片为正方形，第二、第三矩形复合贴片皆为长方形，且第二、第三矩形复合贴片全等但长边相互垂直，第一、第二矩形复合贴片的中点处于同一条阵列行线，第一、第三矩形复合贴片的中点处于同一条阵列列线；第一矩形复合贴片到第二矩形复合贴片的距离与第一矩形复合贴片到第三矩形复合贴片的距离相等，阵列的横向、纵向周期长度皆为P，第二、第三矩形复合贴片的边长分别为L1和L2，第一矩形复合贴片的边长为L3，4μm≤P≤6μm，1.5μm≤L1≤2μm，1.2μm≤L2≤1.6μm，1.3μm≤L3≤1.8μm，且L2＜L3＜L1。
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