CN108333653A - 基于耐火材料的电磁波吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于耐火材料的电磁波吸收器，所述电磁波吸收器包括防护膜层、介质膜层及颗粒结构层；其中，所述介质膜层的下表面设置有所述防护膜层，所述介质膜层的上表面设置有所述颗粒结构层；所述防护膜层的材质为耐火材料，所述颗粒结构层由耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。本发明基于耐火材料的电磁波吸收器通过引入耐火材料、利用耐火材料本身的材料特性，进而与入射电磁波产生电磁共振，形成高的电磁波吸收；通过防护膜层‑介质膜层‑颗粒结构层的三层结构体系，运用耐火材料在紫外‑可见‑近红外波段的电磁共振特性，实现宽波段的光谱吸收。

Description

基于耐火材料的电磁波吸收器

技术领域

本发明涉及光电功能材料与器件和光子学技术领域，特别是涉及一种基于耐火材料的电磁波吸收器。

背景技术

等离激元共振(Plasmonics)通常是指金属结构表面的自由电子在外加电磁波照射下引起的集体振荡，在金属表面形成局域电磁场增强效应。超材料是指人工设计的具有周期性结构的复合材料。完美吸收器的概念最早是在2008年(《Physical ReviewLetters》，第100卷，第207402页)提出，是一种基于超材料的电磁谐振吸收器。

典型的超材料完美吸收器有三层结构：顶层是由具有单个或多个电磁响应模式的金属微结构单元排列而成的二维周期阵列，中间层是一层介质或绝缘材料平板，底层通常是一层完整不透光的金属板。通过合理设计器件的结构尺寸及材料参数，能够与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而对入射到吸收器的特定频带内的电磁波实现百分之百的吸收。电磁波完美吸收器是实现高效的电磁波光谱吸收及其在光电探测器件中的一个必备元件。

自2008年起，电磁波完美吸收器(《Advanced Materials》，第24卷，第OP98页)的研究获得了国内外研究者的广泛关注。通过电磁共振现象实现了结构在共振波长处既没有反射(反射率接近为0)也没有透射(透射率为0)，从而根据吸收率A＝1-R-T(其中A代表吸收率，R代表反射率，T代表透射率)的定义可以得到吸收率A接近100％的完美吸收。通常定义测试的吸收率超过90％即为完美吸收。紫外、可见波段、近红外波段的电磁波完美吸收器可以作为光电效应或光电转换器的结构单元、热发射器的结构单元，或作为减小电磁波杂散发射的吸波涂层材料。在红外滤波器、光电探测器等技术领域的应用中，要求吸收器具有宽带光吸收的特性。

但是，现有电磁波完美吸收器的研究体系主要是基于金属-介质-金属的三层电磁共振结构体系或超材料体系。然而在这些三层结构电磁波完美吸收器体系中，往往只能吸收窄带的、单一共振波长的电磁波，无法实现对紫外、可见波段、近红外波段的宽带光吸收，从而限制了上述电磁波完美吸收器在红外滤波器、光电探测器等技术领域的广泛应用。

此外，这些电磁波完美吸收器体系都是基于贵金属材料及其微纳米结构，通过这些贵金属材料的自由电子振荡模式实现电磁波的耦合，这些自由电子振荡必然导致很强的欧姆损耗和热效应，导致贵金属微纳米材料的结构稳定性比较差，使得上述电磁波完美吸收器的使用范围比较小，从而进一步局限了此类吸收器在高强度电磁波照射下的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于耐火材料的电磁波吸收器，可实现紫外-可见-近红外波段的宽带吸收。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于耐火材料的电磁波吸收器，所述电磁波吸收器包括防护膜层、介质膜层及颗粒结构层；其中，所述介质膜层的下表面设置有所述防护膜层，所述介质膜层的上表面设置有所述颗粒结构层；所述防护膜层的材质为耐火材料，所述颗粒结构层由耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。

可选的，所述电磁波吸收器还包括衬底，所述衬底设置在所述防护膜层的底部。

可选的，所述耐火材料为钨、钒、钽中任意一种。

可选的，所述耐火材料颗粒为钨、钒、钽颗粒中至少一种。

可选的，当所述颗粒结构层为由两种或者两种以上的耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成时，所述颗粒结构层包括多个层叠的颗粒结构子层，每一颗粒结构子层由单独的一种耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。

可选的，所述防护膜层的厚度大于或等于100纳米。

可选的，所述介质膜层的材质为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氟化镁中任意一种。

可选的，所述介质膜层的材质为聚合物。

可选的，所述聚合物为聚苯乙烯。

可选的，所述耐火材料颗粒的结构形状为圆柱体或者立方体。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明基于耐火材料的电磁波吸收器通过引入耐火材料、利用耐火材料本身的材料特性，例如大的介电常数虚部及其损耗特性，进而与入射电磁波产生电磁共振，形成高的电磁波吸收；通过防护膜层-介质膜层-颗粒结构层的三层结构体系，运用耐火材料在紫外-可见-近红外波段的电磁共振特性，实现宽波段的光谱吸收。同时，通过利用耐火材料所提供的电磁共振模式与颗粒的几何尺寸大小相关的特性，实现吸收光谱在-紫外-可见-近红外范围内的光谱调谐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于耐火材料的电磁波吸收器的结构示意图；

图2是本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例一的光吸收图；

图3是本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例二的光吸收图；

图4是本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例三的光吸收图；

图5是本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例四的光吸收图；

图6是本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例五的光吸收图。

符号说明：

1—衬底，2—防护膜层，3—介质膜层，4—颗粒结构层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于耐火材料的电磁波吸收器，通过引入耐火材料、利用耐火材料本身的材料特性，例如大的介电常数虚部及其损耗特性，进而与入射电磁波产生电磁共振，形成高的电磁波吸收；通过防护膜层-介质膜层-颗粒结构层的三层结构体系，运用耐火材料在紫外-可见-近红外波段的电磁共振特性，实现宽波段的光谱吸收。同时，通过利用耐火材料所提供的电磁共振模式与颗粒的几何尺寸大小相关的特性，实现吸收光谱在-紫外-可见-近红外范围内的光谱调谐。

凡物理化学性质允许其在高温环境下(耐火度不低于1580℃)使用的材料都可以称为耐火材料。耐火材料广泛用于冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域。钨是银白色有光泽的金属，熔点极高(3410±20℃)，硬度很大，化学性质也比较稳定。钒是一种银灰色的金属。熔点1919±2℃，属于高熔点稀有金属之列。钽的硬度适中，熔点高达2995℃，仅次于碳，钨，铼和锇，位居第五。钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。除此之外，钽的韧性很强，比铜还要优异，钽有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性。无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及"王水"都不反应。由此可见，耐火材料钨、钒、钽不仅仅具备耐高温的特性，而且化学稳定性也高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明基于耐火材料的电磁波吸收器包括防护膜层2、介质膜层3及颗粒结构层4；其中，所述介质膜层3的下表面设置有所述防护膜层2，所述介质膜层4的上表面设置有所述颗粒结构层4；所述防护膜层2的材质为耐火材料，所述颗粒结构层4由耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。

优选的，本发明基于耐火材料的电磁波吸收器还包括衬底1，所述衬底1设置在所述防护膜层2的底部。所述衬底1的材质为硅片、玻璃、石英中至少一者。此外，所述衬底1的材质还可为柔性材料，也可为例如聚二甲基硅氧烷等聚合物。

进一步地，在本实施例中，所述耐火材料可为钨、钒、钽中任意一种。所述耐火材料颗粒为钨、钒、钽颗粒中至少一种。其中，所述耐火材料颗粒的结构形状为圆柱体或者立方体。

本发明中周期性排列的耐火材料颗粒阵列具备很强的光学共振与等离激元共振模式，并能在不同波段产生电磁共振耦合。通过调控此类结构的颗粒结构层中的材料属性、几何尺寸可以实现对共振模式的调控，进而获得不同光谱范围的电磁波吸收；同时可提高本发明基于耐火材料的电磁波吸收器的化学稳定性和耐高温。

进一步地，当所述颗粒结构层4为由两种或者两种以上的耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成时，所述颗粒结构层包括多个层叠的颗粒结构子层，每一颗粒结构子层由单独的一种耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。

优选的，所述防护膜层2的厚度大于或等于100纳米。

所述介质膜层3的材质为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氟化镁中任意一种。此外，所述介质膜层3的材质还可以为聚合物，例如聚苯乙烯。

本发明的耐火材料电磁波吸收器具有如下优点：

1、本发明基于耐火材料的电磁波吸收器的共振单元结构全部由耐火材料组成，而耐火材料具备耐高温高热的物理特性，从而可以有效避免以往常见的基于贵金属颗粒阵列或多元金属共振阵列复合结构等体系组成的电磁波吸收器所无法克服的内在金属欧姆损耗及其热效应和热不稳定性等难题。

2、通过采用耐火材料，利用颗粒结构层具备的强电磁共振模式，实现了紫外-可见-近红外波段的宽带吸收。

3、基于不同材料特性、尺寸大小的颗粒结构层，产生在紫外-可见-近红外波段的宽带电磁波吸收特性，在耐高温高热情况下的光电器件包括红外探测与光电转换、红外成像、太阳能抗反射涂料以及热辐射器等领域都具有广泛的应用前景。

下面结合图2-图6，详细说明：

实施例一：

图2所示为本发明基于耐火材料的电磁波吸收器一实施例的光吸收图。颗粒结构层只包含一种尺寸大小钨圆柱体颗粒阵列。衬底是硅片，钨膜层厚度为100纳米。介质膜层材料为氧化铝，厚度为40纳米。钨圆柱体颗粒阵列中的颗粒直径为100纳米，厚度为40纳米。颗粒阵列为正方阵列，晶格常数为150纳米。

从图2所示的光谱图上可以确定：在波长为0.634微米处的吸收率达到最大值为99.4％。在光谱范围从0.469微米到0.867微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过90％的宽波段的完美吸收光谱，即完美吸收带宽为398纳米。在光谱范围从0.381微米到1.089微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过80％的宽波段的吸收光谱，即吸收带宽为708纳米。表明钨耐火材料电磁波吸收器可以提供一个紫外-可见-近红外波段的电磁波吸收。

实施例二：

图3所示为本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例二的光吸收图。颗粒结构层只包含一种尺寸大小钒圆柱体颗粒阵列。衬底是硅片，钒膜层厚度为100纳米。介质膜层材料为氧化铝，厚度为40纳米。钒圆柱体颗粒阵列中的颗粒直径为100纳米，厚度为40纳米。颗粒阵列为正方阵列，晶格常数为150纳米。

从图3所示的光谱图上可以确定：在波长为0.684微米处的吸收率达到最大值为99.7％。在光谱范围从0.360微米到1.008微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过90％的宽波段的完美吸收光谱，即完美吸收带宽为648纳米。在光谱范围从0.336微米到1.262微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过80％的宽波段的吸收光谱，即吸收带宽为962纳米。表明钒耐火材料电磁波吸收器可以提供一个紫外-可见-近红外波段的宽波段电磁波完美吸收。

实施例三：

图4所示为本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例三光吸收图。颗粒结构层只包含一种尺寸大小钽圆柱体颗粒阵列。衬底是石英片，钽膜层厚度为100纳米。介质膜层材料为氧化铝，厚度为40纳米。钽圆柱体颗粒阵列中的颗粒直径为100纳米，厚度为40纳米。颗粒阵列为正方阵列，晶格常数为150纳米。在波长为0.616微米处的吸收率达到最大值为98.8％。

从图4所示的光谱图上可以确定：在光谱范围从0.461微米到0.951微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过90％的宽波段的完美吸收光谱，即完美吸收带宽为490纳米。在光谱范围从0.376微米到0.990微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过80％的宽波段的吸收光谱，即吸收带宽为614纳米。表明钽耐火材料电磁波吸收器同样可以提供一个紫外-可见-近红外波段的宽波段电磁波完美吸收。

实施例四：

图5所示为本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例四的光吸收图。颗粒结构层包含两种材料相同尺寸大小的圆柱体颗粒阵列。衬底是玻璃片，钨膜层厚度为100纳米。介质膜层材料为氧化铝，厚度为40纳米。钽圆柱体颗粒阵列中的颗粒直径为100纳米，厚度为40纳米；在钽圆柱体颗粒阵列上表面进一步堆叠一层钨圆柱体颗粒阵列，其中钨颗粒的直径和厚度分别为100纳米和40纳米。颗粒阵列为正方阵列，晶格常数为200纳米。

从图5所示的光谱图上可以确定：在波长为0.835微米处的吸收率达到最大值为97.9％。在光谱范围从0.524微米到1.038微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过90％的宽波段的完美吸收光谱，即完美吸收带宽为541纳米。在光谱范围从0.300微米到1.108微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过80％的宽波段的吸收光谱，即吸收带宽为808纳米。表明此类钨、钽复合耐火材料电磁波吸收器同样可以提供一个紫外-可见-近红外波段的宽波段电磁波完美吸收。

实施例五：

图6所示是本发明基于耐火材料的电磁波吸收器实施例五的光吸收图。颗粒结构层只包含一种尺寸大小钽方形颗粒阵列。衬底是石英片，钽膜层厚度为100纳米。介质膜层材料为二氧化硅，厚度为40纳米。钽方形颗粒阵列中的颗粒边长为100纳米，厚度为40纳米。颗粒阵列为三角阵列，晶格常数为200纳米。在波长为0.546微米处的吸收率达到最大值为99.9％。

从图6所示的光谱图上可以确定：在光谱范围从0.300微米到0.952微米的光谱范围内产生了一个吸收率超过90％的宽波段的完美吸收光谱，即完美吸收带宽为652纳米。表明基于钽耐火材料的方形颗粒阵列的电磁波吸收器同样可以提供一个紫外-可见-近红外波段的宽波段电磁波完美吸收。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述电磁波吸收器包括防护膜层、介质膜层及颗粒结构层；其中，所述介质膜层的下表面设置有所述防护膜层，所述介质膜层的上表面设置有所述颗粒结构层；所述防护膜层的材质为耐火材料，所述颗粒结构层由耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。

2.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述电磁波吸收器还包括衬底，所述衬底设置在所述防护膜层的底部。

3.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述耐火材料为钨、钒、钽中任意一种。

4.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述耐火材料颗粒为钨、钒、钽颗粒中至少一种。

5.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，当所述颗粒结构层为由两种或者两种以上的耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成时，所述颗粒结构层包括多个层叠的颗粒结构子层，每一颗粒结构子层由单独的一种耐火材料颗粒周期性排列的阵列组成。

6.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述防护膜层的厚度大于或等于100纳米。

7.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述介质膜层的材质为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氟化镁中任意一种。

8.根据权利要求1所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述介质膜层的材质为聚合物。

9.根据权利要求8所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述聚合物为聚苯乙烯。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于耐火材料的电磁波吸收器，其特征在于，所述耐火材料颗粒的结构形状为圆柱体或者立方体。