CN105742826A - 可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料。通过将超材料的谐振单元移离其中心位置,并旋转一个角度，改变其对于电磁波的透过特性。使得原本的偶极子变成四偶极子，共振得到增强,使其在近红外波段中形成一个尖锐的高品质因数的法诺共振，从而增强对近红外光的吸收。本发明可应用于光电池、慢光、传感、非线性及光开关等领域。

Description

可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料
技术领域
本发明涉及一种近红外波吸收材料。
背景技术
传统的近红外波吸收器通常是基于一种单一尺寸等离子体谐振结构产生的单一频段的共振吸收，以及基于两种及以上不同尺寸的复杂等离子体谐振结构产生的两个及以上分立频段的共振吸收。这类吸收器结构设计复杂、尺寸面积有限且制作成本高，使得这类吸收器难以有效推广应用。
有的研究者通过组合不同共振频段的共振单元以获得多个吸收频带从而展宽吸收带宽，但却进一步增加了制作工艺的难度和降低了生产的可重复性，限制了此类吸收器的实用性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可以在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料，包括介质层和金属层，以及形状相同的谐振子A和谐振子B；
所述介质层材料选自硅、二氧化硅或锗，厚度为20纳米至10微米；
所述介质层(覆盖于金属层上方，其材料选自Al、Ag、Au、Cu或Ni，厚度为20纳米至10微米；
所述谐振子A和谐振子B形成于介质层的上表面，其材料选自Al、Ag、Au、Cu或Ni，高度为1纳米至1微米；
所述谐振子A和谐振子B均为柱体；所述谐振子A和谐振子B在介质层上表面投影图形的中心点关于介质层上表面的中心点对称；
所述谐振子A和谐振子B在介质层上表面投影图形的中心点的连线所在的直线记为x轴；
所述谐振子A在介质层上表面投影图形的对称轴记为线段K1；
所述谐振子B在介质层上表面投影图形的对称轴记为线段K2；
线段K1垂直于x轴，线段K1与线段K2夹角为α，α＞0°。
进一步，所述谐振子A和谐振子B在介质层上表面投影图形的中心点分别记为Oa和Ob，介质层上表面的中心点为x轴的o点；Oa点与o点的连线记为L1,Ob点与o点的连线记为L2；L1的取值范围为50纳米至200纳米，L2＝L1。
进一步，所述金属层的上下表面为矩形，其边长范围是宽度为1微米至2厘米；
所述介质层的上下表面为矩形，其边长范围是宽度在1微米至2厘米；
所述谐振子A的上下底面均为大小相同的椭圆，所述线段K1为椭圆的长轴；K1的长度范围为20纳米至1微米；
所述谐振子B的上下底面均为大小相同的椭圆，所述线段K2为椭圆的长轴；K2的长度范围为20纳米至1微米。
值得说明的是，本发明通过将超材料的谐振单元移离其中心位置,并旋转一个角度，改变其对于电磁波的透过特性。使得原本的偶极子变成四偶极子，共振得到增强,使其在近红外波段中形成一个尖锐的高品质因数的法诺共振，从而增强对近红外光的吸收。本发明的技术效果是毋庸置疑的，其结构可以产生法诺共振，从而增强电磁波收效果，可用于增强光电池的光电转换能力以及调控器件对电磁波的吸收能力。对近红外波的吸收效果，通过实施例得到验证。本发明可应用于光电池、慢光、传感、滤波器、非线性及光开关等领域。
附图说明
图1为本发明实施例的器件结构示意图；
图2为图1器件的俯视图；
图3为图1器件的生产工艺流程图；
图4为本发明的实施方式示意图；
图5为本发明的实施方式示意图；
图6为验证实施例所涉及产品的技术效果的实验方法示意图；
图7为实施例所涉及产品的技术效果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
参见图1，一种可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料，包括介质层1和金属层2，以及形状相同的谐振子A和谐振子B；
实施例中，在，玻璃衬底上形成金属层2，玻璃衬底材料为玻璃、厚度为2微米、宽为1微米、长为1微米；
金属层2材料为金、厚度为200纳米、宽为600纳米、长为600纳米；
所述介质层1形成于金属层2上表面，其材料为二氧化硅、厚度为100纳米、宽为600纳米、长为600纳米；
所述谐振子A和谐振子B形成于介质层1的上表面，其材料为金、高度为50纳米；
参见图2，所述谐振子A和谐振子B形状相同，均为椭圆柱体(即上下表面均为相同形状和尺寸的椭圆)；
介质层1上表面为一个矩形，其长度为600纳米的对称轴记为x轴；
所述谐振子A和谐振子B在介质层1上表面投影图形的中心点即为椭圆的中心，分别记为Oa和Ob，介质层1上表面的中心点为x轴的o点；Oa和Ob均位于x轴上(即所述谐振子A和谐振子B在介质层2上表面投影图形的中心点的连线为x轴)。
Oa点与o点的连线记为L1,Ob点与o点的连线记为L2；L1的取值范围为50到200纳米，实施例中，取值为100纳米，L2＝L1。
所述谐振子A在介质层1上表面投影图形的对称轴记为线段K1；实施例中，线段K1为椭圆的长轴；K1的长度为300纳米；
所述谐振子B在介质层1上表面投影图形的对称轴记为线段K2；实施例中，线段K2为椭圆的长轴；K2的长度为300纳米；
线段K1垂直于x轴，线段K1与线段K2夹角为α，α＝20°。值得说明的是，参见图2谐振子B可以看作是从初始位置B0旋转20°到达位置B，初始位置B0和谐振子A的位置A是关于轴对称的。
参见图4，本发明涉及的器件可以用常规方法制造，其结构通过材料生长工艺实现,包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延技术；所述的谐振单元阵列通过干法或者湿法刻蚀工艺实现,包括电子束曝光、聚焦离子束曝光、反应离子束刻蚀等。
为验证本实施例所涉及产品的技术效果，参见图6，采用的实验方法是将一束单位强度的平面光垂直入射于器件表面，通过测量透过器件的透射光光强与反射回器件的反射光光强，计算得到器件的吸收率。在测量透射和反射光强时，利用半透半反镜以及相同的光强接收器，设置对照组，以消除器件以及外界带来的测量误差。
实验结果如图7所示(其中：实线为实验组、虚线为对照组)可以发现，本实施例所涉及的器件能够增强320太赫兹到350太赫兹波段的电磁波的吸收。在峰值334.5太赫兹，可实现99.8％的吸收。
参见图5，除了椭圆底面形状的共振子，还可以是三角形或圆形或矩形底面的共振子。

Claims (3)

1.一种可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料，其特征在于:包括介质层(1)和金属层(2)，以及形状相同的谐振子A和谐振子B；
所述介质层(1)材料选自硅、二氧化硅或锗，厚度为20纳米至10微米；
所述介质层(1)覆盖于金属层(2)上方，其材料选自Al、Ag、Au、Cu或Ni，厚度为20纳米至10微米；
所述谐振子A和谐振子B形成于介质层(1)的上表面，其材料选自Al、Ag、Au、Cu或Ni，高度为1纳米至1微米；
所述谐振子A和谐振子B均为柱体。所述谐振子A和谐振子B在介质层(1)上表面投影图形的中心点关于介质层(1)上表面的中心点对称；
所述谐振子A和谐振子B在介质层(1)上表面投影图形的中心点的连线所在的直线记为x轴；
所述谐振子A在介质层(1)上表面投影图形的对称轴记为线段K1；
所述谐振子B在介质层(1)上表面投影图形的对称轴记为线段K2；
线段K1垂直于x轴，线段K1与线段K2夹角为α，α＞0°。
2.根据权利要求1或2所述的一种可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料，其特征在于：所述谐振子A和谐振子B在介质层(1)上表面投影图形的中心点分别记为Oa和Ob，介质层(1)上表面的中心点为x轴的o点；Oa点与o点的连线记为L1,Ob点与o点的连线记为L2；L1的取值范围为50纳米至200纳米，L2＝L1。
3.根据权利要求1或2所述的一种可在近红外波段利用法诺共振增强吸收的不对称超材料，其特征在于：所述金属层(2)的上下表面为矩形，其边长范围是宽度为1微米至2厘米；
所述介质层(1)的上下表面为矩形，其边长范围是宽度在1微米至2厘米；
所述谐振子A的上下底面均为大小相同的椭圆，所述线段K1为椭圆的长轴；K1的长度范围为20纳米至1微米；
所述谐振子B的上下底面均为大小相同的椭圆，所述线段K2为椭圆的长轴；K2的长度范围为20纳米至1微米。
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