CN106772706B - 一种双介质宽带红外吸波超材料及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外人工电磁超材料领域，具体为一种双介质宽带红外吸波超材料及其设计方法。该超材料由下至上依次包括TiN薄膜、第一介质材料薄膜、第二介质材料薄膜和金属光栅。本发明利用第一介质材料薄膜的高介电特性激发驻波、金属光栅激发空气‑金属表面等离子体基元、金属光栅和TiN基底激发磁谐振和第二介质材料薄膜降低磁谐振的激发波长，通过调整光栅的大小、介质层的材料以及介质层的厚度，使驻波、表面等离子体基元以及磁谐振三种谐振方式发生耦合，在不同红外波段实现宽带的吸波效果。本发明设计方便，结构简单，易于制作。5μm‑8μm波段范围内，在80％吸收率处的带宽达到1.9μm；8μm‑14μm波段范围内，在80％吸收率处的带宽达到3.7μm。
Description
技术领域
本发明属于红外人工电磁超材料领域，涉及一种双介质宽带红外吸波超材料及其设计方法。
背景技术
随着人工电磁超材料的迅速发展，相比传统电磁材料，红外人工电磁超材料因其具有负折射率、完美吸收和选择吸收等特性而受到越来越多的关注。宽带红外吸收一直以来都是红外人工电磁超材料的研究热点。一方面根据热力学Plank定律，对于表面温度在零度至一千度的物体，其主要的红外辐射波段位于2μm-14μm。另一方面由于大气环境对不同波段的电磁波存在不同程度的吸收，电磁波在3μm-5μm的中红外波段以及8μm-14μm的远红外波段存在两个透明的传输窗口。因此吸收波段位于3μm-14μm的红外吸波结构是红外吸波研究的重点。在热平衡状态下，Kirchhoff定律给出物体的发射率等于该物体在相同温度下的吸收率，所以通过宽带红外吸波结构改变物体的吸收率从而可以改变物体的辐射特性，3μm-14μm的红外吸波结构在红外传感、红外成像、热控制等相关技术领域具有较大的潜在应用价值。
目前得到广泛应用的宽带红外吸波结构是基于金属(光栅结构)-介质-金属的三明治型结构，为了达到宽带吸波的目的，需要将多个不同的三明治结构叠加在一起，在设计和工艺实现方面都面临很大难度。此外，传统三明治结构依赖图案设计，为了实现不同波段的吸波性能，需要进行新的图案设计和制作，可调节性与可复用性较差。就吸波效果而言，传统三明治结构在80％吸收率处的红外吸收带宽多局限于1个微米，远远达不到5μm-8μm波段和8μm-14μm波段对红外吸波性能的要求。
因此，现有的红外人工电磁材料存在设计复杂，工艺复杂，带宽有限，适用性差等缺陷。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为了实现不同红外波段的宽带吸收性能，本发明提供了一种双介质宽带红外吸波超材料及其设计方法。
一种双介质宽带红外吸波超材料，由下至上依次包括TiN薄膜、第一介质材料薄膜、第二介质材料薄膜和金属光栅。
所述TiN薄膜的厚度大于红外波段电磁波在TiN中的趋肤深度。金属光栅的单元结构为金属方块，周期为5μm，金属方块的边长为1.6μm-2.1μm，金属薄膜的厚度大于红外波段电磁波在金属中的趋肤深度，金属光栅的材料为铝、铜、金或银。第一介质材料薄膜的相对介电常数大于5，厚度为400nm～700nm；第二介质材料薄膜的相对介电常数小于2.5，厚度为200nm-500nm。两种介质材料薄膜的总厚度小于1μm。
本发明的设计方法是基于不同吸波机理的耦合。涉及的三种吸波机理分别为：驻波，磁谐振以及表面等离子体基元。具体设计方法如下：
步骤1、判断是否需要表面等离子体基元参与耦合。
如果吸收波段包括5μm-5.5μm，考虑表面等离子体基元的耦合，第一介质材料薄膜的厚度(h2)小于500nm；如果吸收波段不包括5μm-5.5μm，排除表面等离子体基元的耦合，第一种介质材料薄膜的厚度(h2)大于500nm。
步骤2、确定第一介质材料薄膜的相对介电常数(ε1)。
限定第一介质材料薄膜的厚度为最大边界厚度，即h2＝700nm，入射波长取吸收波段的中心波长，根据驻波激发波长λ≈4ε1 1/2h2，计算ε1的最佳值。选择相对介电常数最接近ε1最佳值的材料为第一介质材料。第二介质材料薄膜的相对介电常数在吸收波段小于2.5。
步骤3、确定金属方块边长(l)和第一介质材料薄膜的厚度(h2)。
限定第二介质材料薄膜的厚度为中心厚度，即h3＝350nm。在1.6μm-2.1μm范围内依次取l的值，根据步骤1的结果，针对每一个l的值在400nm-500nm或500nm-700nm范围内扫描第一介质材料薄膜的厚度h2，观察吸收曲线中磁谐振与驻波的耦合效果，选取宽带吸收效果最好的一对l与h2的值。
步骤4、确定第二介质材料薄膜的厚度(h3)。
在200nm-500nm范围内扫描第二介质材料薄膜的厚度h3，观察吸收曲线中磁谐振与驻波的耦合效果，选取宽带吸收效果最好的h3的值。
本发明利用第一介质材料薄膜的高介电特性激发驻波、金属光栅激发空气-金属表面等离子体基元、金属光栅和TiN基底激发磁谐振和第二介质材料薄膜降低磁谐振的激发波长，通过调整光栅的大小、介质层的材料以及介质层的厚度，使驻波、表面等离子体基元以及磁谐振三种谐振方式发生耦合，在不同红外波段实现宽带的吸波效果。
综上所述，本发明设计方便，结构简单，易于制作。5μm-8μm波段范围内，本发明在80％吸收率处的带宽达到1.9μm；8μm-14μm波段范围内，本发明在80％吸收率处的带宽达到3.7μm。传统三明治型红外吸波结构在80％吸收率处的带宽一般小于1μm；否则为了实现更宽的吸收频带，需要进行非常复杂的结构和图案设计。可见与传统三明治型吸波结构相比，本发明在吸收带宽和结构设计方面具有明显优势。
附图说明
图1为本发明一个周期单元的结构模型；
图2为实施例1的红外吸波性能仿真结果图；
图3为实施例2的红外吸波性能仿真结果图；
图4为实施例1对应的具有相同ZnSe薄膜厚度的三明治模型的红外吸波性能仿真结果图；
图5为实施例2对应的具有相同Ge薄膜厚度的三明治模型的红外吸波性能仿真结果图。
具体实施方式
实施例1：
宽带吸波范围在5-8μm的双介质红外吸波超材料，由下至上分别为TiN薄膜，ZnSe薄膜，MgF薄膜以及Al光栅。
TiN薄膜的厚度为200nm，ZnSe薄膜的厚度为400nm，MgF薄膜的厚度为500nm，Al光栅的厚度为60nm。Al光栅的单元结构由金属方块构成，金属方块的边长为1.7μm，单元周期为5μm。采用严格耦合波法得到的仿真结果如图2所示，5μm-8μm波段范围内，本实施例在80％吸收率处的带宽为1.9μm。
实施例2：
宽带吸波范围在8-14μm的双介质红外吸波超材料，由下至上依次为TiN薄膜，Ge薄膜，ZnO薄膜以及Al光栅。
TiN薄膜的厚度为200nm，Ge薄膜的厚度为600nm，ZnO薄膜的厚度为200nm，Al光栅的厚度为130nm。Al光栅的单元结构由金属方块构成，金属方块的边长为2μm，单元周期为5μm。采用严格耦合波法得到的仿真结果如图3所示，8μm-14μm波段范围内，本实施例在80％吸收率处的带宽为3.7μm。
综上所述，本发明设计方便，结构简单，易于制作。5μm-8μm波段范围内，本发明在80％吸收率处的带宽达到1.9μm；8μm-14μm波段范围内，本发明在80％吸收率处的带宽达到3.7μm。本发明能够在红外波段实现不同波段范围的宽带吸收，在红外隐身、红外成像以及热辐射控制等相关技术领域具有较大的潜在应用价值。
Claims (3)
1.一种双介质宽带红外吸波超材料，其特征在于：由下至上依次包括TiN薄膜、第一介质材料薄膜、第二介质材料薄膜和金属光栅；
所述TiN薄膜的厚度大于红外波段电磁波在TiN中的趋肤深度；金属光栅的单元结构为金属方块，周期为5μm；金属方块的边长为1.6μm-2.1μm；金属光栅的厚度大于红外波段电磁波在金属中的趋肤深度；第一介质材料薄膜的相对介电常数大于5，厚度为400nm～700nm；第二介质材料薄膜的相对介电常数小于2.5，厚度为200nm-500nm；两种介质材料薄膜的总厚度小于1μm。
2.如权利要求1所述双介质宽带红外吸波超材料，其特征在于：所述金属光栅的材料为铝、铜、金或银。
3.如权利要求1所述双介质宽带红外吸波超材料，其设计方法具体如下：
步骤1、判断是否需要表面等离子体基元参与耦合；
如果吸收波段包括5μm-5.5μm，考虑表面等离子体基元的耦合，第一介质材料薄膜的厚度h2小于500nm；如果吸收波段不包括5μm-5.5μm，排除表面等离子体基元的耦合，第一种介质材料薄膜的厚度h2大于500nm；
步骤2、确定第一介质材料薄膜的相对介电常数ε1；
限定第一介质材料薄膜的厚度为最大边界厚度，即h2＝700nm；入射波长取吸收波段的中心波长，根据驻波激发波长λ≈4ε1 1/2h2，计算ε1的最佳值；然后选择相对介电常数最接近ε1最佳值的材料为第一介质材料，第二介质材料薄膜的相对介电常数在吸收波段小于2.5；
步骤3、确定金属方块边长l和第一介质材料薄膜的厚度h2；
限定第二介质材料薄膜的厚度为中心厚度，即h3＝350nm；在1.6μm-2.1μm范围内依次取l的值，根据步骤1的结果，针对每一个l的值在400nm-500nm或500nm-700nm范围内扫描第一介质材料薄膜的厚度h2，观察吸收曲线中磁谐振与驻波的耦合效果，选取宽带吸收效果最好的一对l与h2的值；
步骤4、确定第二介质材料薄膜的厚度h3；
在200nm-500nm范围内扫描第二介质材料薄膜的厚度h3，观察吸收曲线中磁谐振与驻波的耦合效果，选取宽带吸收效果最好的h3的值。
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