CN106405697B - 一种动态可调的多频电磁吸波材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种动态可调的多频电磁吸波材料，该材料自下而上依次包括：底层金属反射层，介质间隔层以及顶层金属亚波长结构阵列。所述介质间隔层所用材料为GST相变材料，本发明通过电激发、光激发或热激发的方式改变GST材料的晶态(相)，从而改变其介电常数等光学参数，实现吸波材料在红外范围内的多频带吸收以及吸波频带的动态调制，提高了吸波材料的灵活性，并且本发明还可实现与复杂面形物体共形的设计。

Description

一种动态可调的多频电磁吸波材料
技术领域
本发明属于电磁波吸收领域，尤其涉及一种动态可调的多频电磁吸波材料。
背景技术
传统吸波材料的电磁响应特性取决于材料本身原子分子的性质，因此仍存在着一些自身难以克服的缺陷，比如吸收带宽窄，密度大，环境适应性差。随着一些应用领域对设备隐蔽性的要求，对吸收器的小型化、平板化、集成化提出了迫切的需求。人工构造的材料以其奇异的电磁响应特性得到了越来越多的关注，这些特性包括人工磁特性，负磁导率，负折射率以及双曲色散。这些人工结构材料称之为电磁超材料。电磁超材料可在亚波长尺度范围内实现对光束的调制作用，为吸波材料的设计研究提供了一种新的思路与手段。双/多频的吸波器、极化不敏感的吸波器、宽带吸波器等各种新颖的吸波器在各个频段不断的涌现，电磁超材料吸波器的潜在应用价值也得到不断地开发。
通常情况下，当超材料吸波结构中的谐振图案形状、尺寸、重复周期，以及构成材料和其他结构参数确定后，其吸波效果也就确定了。然而随着发展需要，这种静态的传统电磁超材料已不能满足更加灵活的应用需求。但是通过某些外界激励，如温度、电流、电压和光照等使吸波结构中的某个参数是一个可控的变量，就能够通过这些外界激励实现可调节吸收的目的。M.J.Dicken等人利用VO2的相变制备了基于温度控制的可调节吸波材料(H.S.Choi,J.S.Ahn,J.H.Jung,et al..Mid-infrared Properties of A VO2Film NeartheMetal-insulator Transition[J].Phys.Rev.B,1996,54(7):4621)。在温度低于相变温度时，VO2在结构中充当介质层的作用，能够使结构有效的吸收电磁波；然而在温度接近或高于相变温度时，VO2逐渐地变成了金属，结构的吸收效果明显变差，而且由于VO2相变温度较低，此材料易受环境影响，不适用于复杂环境下的可调吸收，并且其激发方式只限于热激发。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中上述缺陷，提供一种在红外范围内实现多频带吸收以及吸波频带可动态调制的电磁吸波材料。
本发明解决其技术问题采用的技术方案为：一种动态可调的多频电磁吸波材料，所述吸波材料自下而上依次包括：底层金属反射层，介质间隔层以及顶层周期排布的金属亚波长结构阵列。其中，所述介质间隔层材料为GST相变材料。该吸波材料的工作方式为：通过电激发、光激发或热激发的方式改变GST材料的晶态(相)，从而改变其介电常数等光学参数，实现吸波材料在红外范围内的多频带吸收以及吸波频带的动态调制。
其中，所述底层金属反射层所用金属的电导率大于104；所述金属反射层厚度t大于金属的趋肤深度；所述GST相变材料的厚度d小于工作波长。
其中，所述金属亚波长结构包括：孔或孔的互补结构；所用金属的电导率大于104。
其中，所述吸波材料在红外波束入射角度为0°—80°范围内可实现吸收率大于80％的吸收。
本发明优点在于：可通过多种激发方式(电激发、光激发或热激发)实现吸波材料在红外范围的动态调制，并可应用于复杂环境中。此外，本发明设计简单、轻薄可实现与复杂面形物体共形的设计。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中周期排列的金属亚波长结构的电镜图；
图3为本发明在常温和加温后得到的吸收测试谱线。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
首先阐述本发明的设计原理：
照射在金属表面的光子与金属中的自由电子相互作用激发表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)，在这种相互作用中，当入射光频率与金属中的自由电子的共振频率相同时，金属中的自由电子发生集体振荡，使得电磁波以表面等离子体表面波的形式局域在金属的表面传播，实现对光波的吸收。
SPP波长的表达式为：
其中，p为单元结构的周期，εm，εd分别为金属和介质的介电常数。
由上式可知，超材料的吸收峰位与介质层材料参数相关。因而，可以通过电激发，光激发，热激发等方式改变介质材料的介电常数，进而对超表面的吸收峰进行调制。
基于上述原理结合附图详细介绍本发明。
如图1所示为本发明一种动态可调的多频电磁吸波材料的结构示意图，该材料从下至上依次包括：金属反射层1、介质隔离层2、周期排列的金属亚波长结构阵列3，其中，所述金属层为100nm厚的金膜，所述介质为60nm厚的GST相变材料，所述金属亚波长结构为35nm厚的金结构，周期为400nm。图2为本发明周期排列的金属亚波长结构的电镜图。
分别在常温和220℃高温下，采用红外波束垂直入射本发明的吸波材料，并用傅里叶红外光谱仪对该吸波材料反射谱进行测试。得到图3所示的本发明吸波材料在常温和加温后得到的吸收测试谱线。实验结果表明，通过加温改变了样品吸收峰的位置，实现了在近红外范围内的多频带吸收，吸收率大于80％，且吸收谱动态可调。
尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

Claims (1)

1.一种动态可调的多频电磁吸波材料，其特征在于，该吸波材料自下而上依次包括：底层金属反射层，介质间隔层以及顶层周期排布的金属亚波长结构阵列，其中，所述介质间隔层材料为GST相变材料，该吸波材料的工作方式为：通过热激发的方式改变GST材料的晶态，从而改变其介电常数，实现吸波材料在红外范围内的多频带吸收以及吸波频带的动态调制；
所述底层金属反射层所用金属的电导率大于104；所述金属反射层厚度t大于金属的趋肤深度；
所述GST相变材料的厚度d小于工作波长；
所述金属亚波长结构包括：孔或孔的互补结构；所用金属的电导率大于104；
所述吸波材料在红外波束入射角度为0°—80°范围内可实现吸收率大于80％的吸收；
其中，所述金属层为100nm厚的金膜，所述介质为60nm厚的GST相变材料，所述金属亚波长结构为35nm厚的金结构，周期为400nm；
分别在常温和220℃高温下，采用红外波束垂直入射吸波材料，并用傅里叶红外光谱仪对该吸波材料反射谱进行测试，通过加温改变了样品吸收峰的位置，实现了在近红外范围内的多频带吸收，吸收率大于80％，且吸收谱动态可调。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106772706B (zh) * 2017-03-03 2018-07-27 电子科技大学 一种双介质宽带红外吸波超材料及其设计方法
CN107831607B (zh) * 2017-12-15 2020-01-10 中国科学院光电技术研究所 一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件
CN108279511A (zh) * 2017-12-28 2018-07-13 宁波大学 一种基于相变材料的电光调制器
CN110031925A (zh) * 2019-04-30 2019-07-19 深圳大学 吸收器及其制备方法
CN110196464B (zh) * 2019-07-01 2022-07-29 江南大学 一种实现超宽带光吸收的方法以及一种复合微结构
CN110402073B (zh) * 2019-07-15 2020-06-23 上海理工大学 多频段微波可调吸收的超材料吸收装置
CN112993583B (zh) * 2021-01-31 2023-03-10 郑州大学 一种实现可调谐超宽带的二氧化钒超材料结构及其应用
CN115236776B (zh) * 2022-06-23 2023-07-21 中国科学院物理研究所 具有亚波长结构的超宽带吸波器及其制备方法和应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101724811A (zh) * 2009-12-25 2010-06-09 中国科学院光电技术研究所 一种基于亚波长金属孔阵列的电磁完美吸收体
CN103247839A (zh) * 2013-04-02 2013-08-14 华中科技大学 一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器及其控制方法
WO2016126896A1 (en) * 2015-02-03 2016-08-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101724811A (zh) * 2009-12-25 2010-06-09 中国科学院光电技术研究所 一种基于亚波长金属孔阵列的电磁完美吸收体
CN103247839A (zh) * 2013-04-02 2013-08-14 华中科技大学 一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器及其控制方法
WO2016126896A1 (en) * 2015-02-03 2016-08-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An optoelectronic framework enabled by low-dimensional phase-change films;Peiman Hosseini,et al.;《Letter》;20140710;第511卷;第206-211页 *
Rapid phase transition of a phase-change metamaterial perfect absorber;Tun Cao,et al.;《OPTICAL MATERIALS EXPRESS》;20130801;第3卷(第8期);第1101-1110页 *
Tun Cao,et al..Rapid phase transition of a phase-change metamaterial perfect absorber.《OPTICAL MATERIALS EXPRESS》.2013,第3卷(第8期),第1101-1110页. *
Ultra-thin perfect absorber employing a tunable phase change material;Mikhail A.Kats, et al.;《Applied Physics Letters》;20121126;第101卷;第221101-1-5页 *
基于Ga_SbTe的高性能相变存储器的设计与仿真;尹文;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20080715(第7期);全文 *
相变存储器材料的研究进展和应用前景;尹琦璕 等;《新材料产业》;20160731(第7期);第56-62页 *
相变材料等离子体刻蚀的研究进展;李俊焘 等;《微纳电子技术》;20140531;第51卷(第5期);第315-323页 *

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