CN104733056B - 一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器 - Google Patents

Abstract

一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器。本发明涉及一种超宽带吸收器。本发明是为解决现有超宽带吸收器吸收率低、入射角度小且吸收波长范围窄无法跨越多个波段吸收的问题，本发明采用器件物理尺寸与电磁波相互作用以及介质材料与电磁波相互作用两种方式共同作用，导致不同尺寸单元之间耦合叠加，以及同一单元不同介电常数之间耦合叠加，实现了超材料吸收器对电磁波超宽带吸收，吸收率超过92％的吸收波长范围为284～1524nm，包括部分紫外波，全部可见光和部分近红外波，并且在40°倾斜角入射条件下，吸收率仍能达到90％以上。本发明可应用于太阳能电池吸收、热发射器和光电设备领域。

Description

一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器

技术领域

本发明涉及一种超宽带吸收器。

背景技术

超材料，是一种具有非凡特性的人造复合电磁材料，已成为物理学、材料学、工程学和化学等学科研究热点，利用电磁超材料可以实现对电磁波性能的任意“调谐”，从而可实现诸如负折射率、亚衍射成像以及电磁隐身等奇特的电磁性能。近几年，基于电磁超材料的电磁谐振吸收器，通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数，可对入射到吸收器特定频率的电磁波实现100％完美吸收，因而受到国内外学术界的高度关注。

发明内容

本发明是为解决现有超宽带吸收器吸收率低、入射角度小且吸收波长范围窄无法跨越多个波段吸收的问题，而提供一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器。

本发明的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器由金属板衬底、第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层、第四介质层、第四金属层、第五介质层、第五金属层、第六介质层、第六金属层、第七介质层、第七金属层、第八介质层、第八金属层、第九介质层和第九金属层组成；金属板衬底水平放置在最下层，在所述金属板衬底的中心位置从下向上平行设置第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层、第四介质层、第四金属层、第五介质层、第五金属层、第六介质层、第六金属层、第七介质层、第七金属层、第八介质层、第八金属层、第九介质层和第九金属层；所述第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层、第四介质层、第四金属层、第五介质层、第五金属层、第六介质层、第六金属层、第七介质层、第七金属层、第八介质层、第八金属层、第九介质层和第九金属层为同心圆柱体；所述第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层和第三金属层的底面直径相同；所述第四介质层、第四金属层、第五介质层、第五金属层、第六介质层和第六金属层的底面直径相同；所述第七介质层、第七金属层、第八介质层、第八金属层、第九介质层和第九金属层的底面直径相同；且所述第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层和第三金属层的底面直径大于所述第四介质层、第四金属层、第五介质层、第五金属层、第六介质层和第六金属层的底面直径；所述第四介质层、第四金属层、第五介质层、第五金属层、第六介质层和第六金属层的底面直径大于所述第七介质层、第七金属层、第八介质层、第八金属层、第九介质层和第九金属层的底面直径；所述第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层、第六介质层、第七介质层、第八介质层和第九介质层的材料为有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层、第四介质层和第七介质层为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第二介质层、第五介质层和第八介质层为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第三介质层、第六介质层和第九介质层为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层、第四介质层和第七介质层的介电常数大于所述第二介质层、第五介质层和第八介质层的介电常数；所述第二介质层、第五介质层和第八介质层的介电常数大于第三介质层、第六介质层和第九介质层的介电常数；所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器的厚度为425nm。

本发明的有益效果：

本发明采用3×3的级联结构在同一单元通过不同介电常数之间耦合叠加以及不同尺寸单元之间耦合叠加两种机理共同作用，增加耦合叠加方式改进吸收带宽。本发明优点主要体现在以下三个方面：

1、改变超材料基本单元的物理尺寸，可以改变每个超材料单元对入射电磁波的响应，多个超材料基本单元按照一定规律排布，可使超材料对入射电磁波具有连续的宏观响应，本发明利用超材料的上述特点，分别将不同直径的圆形超级结构单元定义为有规律排布的多个超材料基本单元，从而实现整体的三个主吸收峰的叠加。

2、改变介质层介电常数，可以改变介质层对入射电磁波频率响应，介电常数增大，吸收频率降低，介电常数减小，对应的吸收频率增大，因此在每一个超级结构单元内叠加有规律变化的介质层，不同介电常数的介质层也可使超材料对入射电磁波具有连续的宏观响应，在对应的直径尺寸产生吸收峰的位置形成二次吸收叠加，从而拓宽吸收带宽。

3、本发明每一层介质厚度均为25nm，与现有技术相比，不同之处在于介质层厚度具有确定性，改变了传统的通过介质层厚度调节吸收的模式，所采用的周期性阵列图形结构是圆形，结构简单，易于加工制备。

4、本发明采用圆形单元结构，具有360度中心对称特点，对入射电磁波极化不敏感，并且吸收角度宽，在40°倾斜角入射条件下，吸收率仍能达到90％以上。

附图说明

图1为基于级联结构超材料的超宽带吸收器的结构示意图；

图2为基于级联结构超材料的超宽带吸收器电磁波垂直入射的吸收曲线；

图3为基于级联结构超材料的超宽带吸收器在不同条件下宽带吸收率的对比图，其中■为实施例一的曲线，●为实施例三的曲线，▲为实施例四的曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器由金属板衬底1、第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6、第三金属层7、第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12、第六金属层13、第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19组成；金属板衬底1水平放置在最下层，在所述金属板衬底1的中心位置从下向上平行设置第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6、第三金属层7、第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12、第六金属层13、第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19；所述第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6、第三金属层7、第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12、第六金属层13、第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19为同心圆柱体；所述第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6和第三金属层7的底面直径相同；所述第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12和第六金属层13的底面直径相同；所述第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19的底面直径相同；且所述第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6和第三金属层7的底面直径大于所述第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12和第六金属层13的底面直径；所述第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12和第六金属层13的底面直径大于所述第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19的底面直径；所述第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6、第四介质层8、第五介质层10、第六介质层12、第七介质层14、第八介质层16和第九介质层18的材料为有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层2、第四介质层8和第七介质层14为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第二介质层4、第五介质层10和第八介质层16为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第三介质层6、第六介质层12和第九介质层18为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层2、第四介质层8和第七介质层14的介电常数大于所述第二介质层4、第五介质层10和第八介质层16的介电常数；所述第二介质层4、第五介质层10和第八介质层16的介电常数大于第三介质层6、第六介质层12和第九介质层18的介电常数；所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器的厚度为425nm。

本实施方式采用3×3的级联结构在同一单元通过不同介电常数之间耦合叠加以及不同尺寸单元之间的耦合叠加两种机理共同作用，增加耦合叠加方式改进吸收带宽。本实施方式优点主要体现在以下三个方面：

1、改变超材料基本单元的物理尺寸，可以改变每个超材料单元对入射电磁波的响应，多个超材料基本单元按照一定规律排布，可使超材料对入射电磁波具有连续的宏观响应，本实施方式利用超材料的上述特点，分别将不同直径的圆形超级结构单元定义为有规律排布的多个超材料基本单元，从而实现整体的三个主吸收峰的叠加。

2、改变介质层介电常数，可以改变介质层对入射电磁波频率响应，介电常数增大，吸收频率降低，介电常数减小，对应的吸收频率增大，因此在每一个超级结构单元内叠加有规律变化的介质层，不同介电常数的介质层也可使超材料对入射电磁波具有连续的宏观响应，在对应的直径尺寸产生吸收峰的位置形成二次吸收叠加，从而拓宽吸收带宽。

3、本实施方式每一层介质厚度均为25nm，与现有技术相比不同之处在于介质层厚度具有确定性，改变了传统的通过介质层厚度调节吸收的模式，所采用的周期性阵列图形结构是圆形，结构简单，易于加工制备。

4、本实施方式采用圆形单元结构，具有360度中心对称特点，对入射电磁波极化不敏感，并且吸收角度宽，在40°倾斜角入射条件下，吸收率仍能达到90％以上。

具体实施方式二：本实施方式的与具体实施方式一不同的是：所述金属板衬底1、第一金属层3、第二金属层5、第三金属层7、第四金属层9、第五金属层11、第六金属层13、第七金属层15、第八金属层17和第九金属层19的材料均为金、铝或铜，厚度均为20nm；所述金属板衬底1为正方形金属板，其边长为400nm。如此设置，使透射率T(ω)为0，符合实际需要。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

本实施方式所述正方形金属板的厚度大于入射电磁波的趋肤深度。

本实施方式通过超材料吸收器吸收率计算公式A(w)＝1-R(ω)-T(ω)，其中R(ω)是反射率，T(ω)是透射率，为了增加吸收率必须减少反射率或透射率。由于连续的金属薄膜厚度大于入射电磁波的趋肤深度，能阻挡电磁波的传输，因此，在超宽带吸收器的最底层设置一个正方形金属板，正方形金属板的厚度大于入射电磁波的趋肤深度，使透射率T(ω)为0。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6和第三金属层7的底面直径为175nm。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12和第六金属层13的底面直径为123nm。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19的底面直径为75nm。其它步骤与参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述第一介质层2、第四介质层8和第七介质层14的介电常数均为4.6。其它步骤与参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述第二介质层4、第五介质层10和第八介质层16的介电常数均为3.2。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述第三介质层6、第六介质层12和第九介质层18为的介电常数均为1.8。其它步骤与参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6、第四介质层8、第五介质层10、第六介质层12、第七介质层14、第八介质层16和第九介质层18的厚度均为25nm。其它步骤与参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器吸收率超过92％的吸收波波长范围为284nm～1524nm。其它步骤与参数与具体实施方式一至九之一相同。

本实施方式所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器的吸收波波长范围为284nm～1524nm，包括紫外、可见光和近红外三个波段。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一、采用电磁场对基于级联结构超材料的超宽带吸收器进行检测，在定义频率为0～1.2PHz，边界条件为电场沿X轴，磁场沿Y轴，电磁波垂直入射到基于级联结构超材料的超宽带吸收器中第九金属层19的上表面；

所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器由金属板衬底1、第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6、第三金属层7、第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12、第六金属层13、第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19组成；金属板衬底1平行设置在最下层，在所述金属板衬底1的中心位置从下向上平行设置第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6、第三金属层7、第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12、第六金属层13、第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19；所述第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6、第三金属层7、第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12、第六金属层13、第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19为同心圆柱体；所述第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6、第四介质层8、第五介质层10、第六介质层12、第七介质层14、第八介质层16和第九介质层18的材料为有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层2、第四介质层8和第七介质层14为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第二介质层4、第五介质层10和第八介质层16为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第三介质层6、第六介质层12和第九介质层18为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器的厚度为425nm；所述第一介质层2、第一金属层3、第二介质层4、第二金属层5、第三介质层6和第三金属层7的底面直径为175nm；所述第四介质层8、第四金属层9、第五介质层10、第五金属层11、第六介质层12和第六金属层13的底面直径为123nm；所述第七介质层14、第七金属层15、第八介质层16、第八金属层17、第九介质层18和第九金属层19的底面直径为75nm；所述第一介质层2、第四介质层8和第七介质层14的介电常数均为4.6；所述第二介质层4、第五介质层10和第八介质层16的介电常数均为3.2；所述第三介质层6、第六介质层12和第九介质层18为的介电常数均为1.8；所述第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6、第四介质层8、第五介质层10、第六介质层12、第七介质层14、第八介质层16和第九介质层18的厚度均为25nm。所述金属板衬底1、第一金属层3、第二金属层5、第三金属层7、第四金属层9、第五金属层11、第六金属层13、第七金属层15、第八金属层17和第九金属层19的材料均为金、铝或铜，厚度均为20nm；所述金属板衬底1为正方形金属板，其边长为400nm。

图2为基于级联结构超材料的超宽带吸收器电磁波垂直入射的吸收曲线；从图中可以看出基于级联结构超材料的超宽带吸收器吸收率超过92％的波长范围为284nm～1524nm，吸收带宽为1240nm，其中284nm～380nm为紫外光吸收光谱，380～780nm为可见光吸收光谱，780～1524nm为近红外吸收光谱。

实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：边界条件为磁场沿X轴，电场沿Y轴，电磁波垂直入射到基于级联结构超材料的超宽带吸收器中第九金属层19的上表面。其他与实施例一相同。

基于级联结构超材料的超宽带吸收器吸收率超过92％的波长范围为284nm～1524nm，吸收带宽为1240nm，其中284nm～380nm为紫外光吸收光谱，380～780nm为可见光吸收光谱，780～1524nm为近红外吸收光谱。

实施例三：本实施例与实施例一或二的不同之处在于：边界条件为电场沿X轴，磁场沿Y轴，电磁波以40°倾斜角入射到基于级联结构超材料的超宽带吸收器中第九金属层19的上表面。其他与实施例一或二相同。

所述倾斜角为入射波方向与z轴的夹角。

实施例四：本实施例与实施例一至三之一的不同之处在于：边界条件为电场沿X轴，磁场沿Y轴，电磁波以50°倾斜角入射到基于级联结构超材料的超宽带吸收器中第九金属层19的上表面。其他与实施例一至三之一相同。

图3为基于级联结构超材料的超宽带吸收器在不同条件下宽带吸收率的对比图，其中■为实施例一的曲线，●为实施例三的曲线，▲为实施例四的曲线；由于基于级联结构超材料的超宽带吸收器结构对称，对入射电磁波极化不敏感，并且实施例一和实施例二的入射波均为垂直入射，所以基于级联结构超材料的超宽带吸收器在不同条件下宽带吸收率曲线为同一条，即曲线■也为实施例二的曲线，从图中可以看出当入射波以倾斜角为40°入射时，吸收率仍在90％以上，具有广角吸收特性。因此，这种超材料吸收器在太阳能电池、光电设备和光吸收热发射器中具有潜在的应用价值。

Claims (9)

1.一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于基于级联结构超材料的超宽带吸收器由金属板衬底(1)、第一介质层(2)、第一金属层(3)、第二介质层(4)、第二金属层(5)、第三介质层(6)、第三金属层(7)、第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)、第六金属层(13)、第七介质层(14)、第七金属层(15)、第八介质层(16)、第八金属层(17)、第九介质层(18)和第九金属层(19)组成；金属板衬底(1)水平放置在最下层，在所述金属板衬底(1)的中心位置从下向上平行设置第一介质层(2)、第一金属层(3)、第二介质层(4)、第二金属层(5)、第三介质层(6)、第三金属层(7)、第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)、第六金属层(13)、第七介质层(14)、第七金属层(15)、第八介质层(16)、第八金属层(17)、第九介质层(18)和第九金属层(19)；所述第一介质层(2)、第一金属层(3)、第二介质层(4)、第二金属层(5)、第三介质层(6)、第三金属层(7)、第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)、第六金属层(13)、第七介质层(14)、第七金属层(15)、第八介质层(16)、第八金属层(17)、第九介质层(18)和第九金属层(19)为同心圆柱体；所述第一介质层(2)、第一金属层(3)、第二介质层(4)、第二金属层(5)、第三介质层(6)和第三金属层(7)的底面直径相同；所述第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)和第六金属层(13)的底面直径相同；所述第七介质层(14)、第七金属层(15)、第八介质层(16)、第八金属层(17)、第九介质层(18)和第九金属层(19)的底面直径相同；且所述第一介质层(2)、第一金属层(3)、第二介质层(4)、第二金属层(5)、第三介质层(6)和第三金属层(7)的底面直径大于所述第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)和第六金属层(13)的底面直径；所述第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)和第六金属层(13)的底面直径大于所述第七介质层(14)、第七金属层(15)、第八介质层(16)、第八金属层(17)、第九介质层(18)和第九金属层(19)的底面直径；所述第一介质层(2)、第二介质层(4)、第三介质层(6)、第四介质层(8)、第五介质层(10)、第六介质层(12)、第七介质层(14)、第八介质层(16)和第九介质层(18)的材料为有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层(2)、第四介质层(8)和第七介质层(14)为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第二介质层(4)、第五介质层(10)和第八介质层(16)为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料，所述第三介质层(6)、第六介质层(12)和第九介质层(18)为同一种有机高分子聚合物或无机陶瓷材料；所述第一介质层(2)、第四介质层(8)和第七介质层(14)的介电常数大于所述第二介质层(4)、第五介质层(10)和第八介质层(16)的介电常数；所述第二介质层(4)、第五介质层(10)和第八介质层(16)的介电常数大于第三介质层(6)、第六介质层(12)和第九介质层(18)的介电常数；所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器的厚度为425nm；所述基于级联结构超材料的超宽带吸收器吸收率超过92％的吸收波波长范围为284nm～1524nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述金属板衬底(1)、第一金属层(3)、第二金属层(5)、第三金属层(7)、第四金属层(9)、第五金属层(11)、第六金属层(13)、第七金属层(15)、第八金属层(17)和第九金属层(19)的材料均为金、铝或铜，厚度均为20nm；所述金属板衬底(1)为正方形金属板，其边长为400nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第一介质层(2)、第一金属层(3)、第二介质层(4)、第二金属层(5)、第三介质层(6)和第三金属层(7)的底面直径为175nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第四介质层(8)、第四金属层(9)、第五介质层(10)、第五金属层(11)、第六介质层(12)和第六金属层(13)的底面直径为123nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第七介质层(14)、第七金属层(15)、第八介质层(16)、第八金属层(17)、第九介质层(18)和第九金属层(19)的底面直径为75nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第一介质层(2)、第四介质层(8)和第七介质层(14)的介电常数均为4.6。

7.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第二介质层(4)、第五介质层(10)和第八介质层(16)的介电常数均为3.2。

8.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第三介质层(6)、第六介质层(12)和第九介质层(18)为的介电常数均为1.8。

9.根据权利要求1所述的一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，其特征在于所述第一介质层(2)、第二介质层(4)、第三介质层(6)、第四介质层(8)、第五介质层(10)、第六介质层(12)、第七介质层(14)、第八介质层(16)和第九介质层(18)的厚度均为25nm。