CN105762532A - 一种远红外宽频带周期性吸波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能材料与器件技术领域，具体涉及一种远红外宽频带周期性吸波结构。本发明的吸波结构包括底层金属薄膜和吸波单元阵列。吸波单元阵列从底层至上依次为：第一介质层和圆形贴片阵列。圆形贴片阵列由圆形贴片横向和纵向等距设置于连续的第一介质层上。圆形贴片自底层至上依次为：第一金属层、第二介质层和第二金属层。底层金属薄膜和金属层的材质为Al，介质层为Al2O3。本发明采用2组金属?介质夹层结构，在8?11um内具有较大波段发射率，且具有宽频特性在8.7?9.96um波段内的发射率大于80％，应用于航天热控系统中以解决卫星散热问题。

Description

一种远红外宽频带周期性吸波结构
技术领域
本发明属于功能材料与器件技术领域，具体涉及一种远红外宽频带周期性吸波结构，应用于远红外发射率调制，大气窗口材料辐射特性调控，航天器热控系统等多个领域。
背景技术
周期性完美吸波结构(Perfectabsorber)是近年来从电磁超材料(Electromagneticmetamaterial)衍生出的一种新型电磁结构器件。这种吸波结构利用超材料的谐振特性：金属阵列单元会与入射电场产生电谐振，而上下平行的两层金属间会感应出方向平行的电流，导致与入射磁场产生磁谐振，从而使得电磁波被有效地局域在结构单元中。根据等效媒质理论，其电磁特性可以通过有效介电常数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，可以使得该结构与空间阻抗相匹配，从而使入射电磁波在谐振点的反射为零；同时由于底层金属阻止了入射波的透过，因此，可以形成一个近乎100％吸收效果的吸收峰。这种吸波结构具有吸收率高，电磁谐振特性可调，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，因此吸收频带窄、频带单一是其固有的缺点。
以航天器热控系统为例，当航天器运行与外太空时，其表面温度由自身向外辐射和来自外界的投射辐射两方面影响，而达到动态平衡。航天器表面正常工作温度范围应在268K-313K之间。由维恩位移定律，对应的波长应为9.26um-10.82um。航天器进行温度控制时，散热为主要问题。即当航天器温度高于正常温度范围时，也即对应的波长小于9.26um的波段，通过加大该波段对应的结构表面发射率，达到散热的目的。该段波长范围可取为8-11um，此类问题即可通过微尺度材料表面结构的波长选择性在8-11um波段激发高发射率峰，从而对航天器表面温度进行调控。因此在诸多应用领域中，如热辐射调制器，航天器热控系统等，迫切需要一种具有宽频带发射率可调到所需频段的周期性完美吸波结构。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种远红外宽频带周期性吸波结构，它工作在远红外波段，能够实现高吸收即高发射特性且具有较大带宽，在8-11um内具有较大波段发射率，且具有宽频特性，在8.7-9.96um波段内的发射率大于80％，应用于航天热控系统中以解决卫星散热问题。
该远红外宽频带周期性吸波结构，包括底层金属薄膜和吸波单元阵列。
所诉吸波单元阵列从底层至下而上依次为：第一介质层和圆形贴片阵列。
所述第一介质层设置于底层金属薄膜上，俯视两者完全重合且均为连续的。
所述圆形贴片阵列由圆形贴片横向和纵向等距设置于连续的第一介质层上，且横向和纵向上相邻圆形贴片的圆心距a＝6um，圆形贴片的直径d＝3.2um。
所述圆形贴片自底层至上依次为：第一金属层、第二介质层和第二金属层。
所述第一介质层的厚度为0.25um，第二介质层的厚度为0.3um，金属层的厚度均为0.1um，底层金属薄膜厚度为200nm。
所述底层金属薄膜和金属层的材质为Al，介质层材质为Al2O3。
本发明的远红外宽频带周期性吸波结构由两对金属-介质夹层结构以及底层连续金属薄膜组成。利用谐振峰的位置随介质厚度常数变化的特点调节吸收峰的特性。当在介质层中采用两种厚度相差不大的介质，由于每个谐振层产生的谐振峰相隔不远且近乎相互独立特点，可以叠加形成宽频带吸波结构。采用2组金属-介质夹层结构，其中介质层都为Al2O3，能够获得在8.7-9.96um波段内吸收率大于80％的宽频吸波结构。
本发明具有如下突出优点：
1、通过多层结构叠加的形式可以灵活实现在8-11um的宽频带吸收特性；
2、只需Al和Al2O3两种材料，不需其它材料，宽频带吸波结构制备工艺简单和材料成本低；
3、在8-11um内具有较大波段发射率，且具有宽频特性，在8.7-9.96um波段内的发射率大于80％，应用于航天热控系统中以解决卫星散热问题。
附图说明
图1(a)为每个吸波单元以及所占底层金属薄膜和第一介质层的均值范围，图1(b)为制作于Si基片上的单个吸波单元剖面图；
图2为本发明俯视示意图；
图3为本发明的吸收率曲线图；
附图标记：a为横向和纵向上相邻吸波单元圆心距，d为吸波单元直径，t1为底层金属薄膜，t2为第一介质层，t3为第一金属层，t4为第二介质层，t5为第二金属层。
具体实施方式
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金属层均为Al，介质层均为Al2O3，a＝6um，吸波单元的直径d＝3.2um，第一介质层的厚度为0.25um，第二介质层的厚度为0.3um，金属层的厚度均为0.1um，底层金属薄膜厚度为200nm。
通过商业电磁仿真软件CSTMicrowaveStudio获得反射率、透射率参数，计算得到吸收率曲线。
以圆形贴片的中心点作为参照。对圆形贴片而言，本发明以其圆心距作为阵列的行距和列距的参照基准。图1(a)示出了每个吸波单元以及所占底层金属薄膜和第一介质层的均值范围，底层金属薄膜和第一介质层为正方形，其边长a与正交方向的相邻圆形贴片的圆心距是相同的。
如图1(b)所示，采用2组金属-介质夹层结构和底层连续金属薄膜组成的吸波结构，实现宽频段吸波结构，在支撑性的Si基片上首先为200nm的连续金属Al薄膜，在其上为周期性的2组Al-Al2O3夹层结构。
Al2O3的介电常数为2.28，吸波结构的吸收率曲线如图3所示，图中可以看出，由于双层不同厚度的Al2O3介质的调制作用，该结构在8.7-9.96um波段处的吸收率都大于80％，获得了一个宽频吸收效果。

Claims (3)

1.一种远红外宽频带周期性吸波结构，包括底层金属薄膜和吸波单元阵列，其特征在于：
所诉吸波单元阵列从底层至下而上依次为：第一介质层和圆形贴片阵列；
所述第一介质层设置于底层金属薄膜上，俯视两者完全重合且均为连续的；
所述圆形贴片阵列由圆形贴片横向和纵向等距设置于连续的第一介质层上，且横向和纵向上相邻圆形贴片的圆心距a＝6um，圆形贴片的直径d＝3.2um；
所述圆形贴片自底层至上依次为：第一金属层、第二介质层和第二金属层；
所述第一介质层的厚度为0.25um，第二介质层的厚度为0.3um，金属层的厚度均为0.1um，底层金属薄膜厚度为200nm；
所述底层金属薄膜和金属层的材质为Al，介质层材质为Al2O3。
2.如权利要求1所述远红外宽频带周期性吸波结构，其特征在于：工作在远红外波段，在8-11um内具有较大波段发射率，且具有宽频特性在8.7-9.96um波段内的发射率大于80％。
3.如权利要求1所述远红外宽频带周期性吸波结构，其特征在于：应用于航天热控系统中以解决卫星散热问题。
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