CN110098489B - 一种基于四纳米柱耦合振子的可调超窄带吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四纳米柱耦合振子的近红外波段线性热光可调超窄带吸收体，属于超构材料吸收体技术领域。该吸收体包括多个周期性结构单元，每个周期性结构单元均为三层结构，底层为金属薄膜，中间层为电介质薄膜，顶层为由四个纳米柱耦合而成的振子，且振子的材料为非晶硅。该吸收体通过采用四纳米柱耦合非晶硅振子能在近红外波段形成一个超窄吸收带，成功实现了近红外波段线性热光可调超窄吸收体的设计。本发明吸收体可应用于微型光学开关，光学调节器和红外伪装。

Description

一种基于四纳米柱耦合振子的可调超窄带吸收体
技术领域
本发明涉及一种基于四纳米柱耦合振子的近红外波段线性热光可调超窄带吸收体，属于超构材料吸收体技术领域。
背景技术
超构材料吸收体是一种新型的人造电磁超构材料，其在能源转换与收集、成像、传感和探测方面都有很多潜在应用。通常研究的超构吸收体的结构都是金属-电介质-金属的三层三明治结构。底部是金属薄膜，中间层是电介质薄膜，顶部是周期性金属振子。超构材料吸收体能在某个波段形成接近100％的吸收，物理原理可以通过有效介质理论来解释。顶层的周期性排布振子能激发出电等离激元共振和磁等离激元共振，分别调节有效电导率和有效磁导率，使得其和真空阻抗匹配，反射率为零。底层的金属薄膜能够阻止入射电磁波的透射。故能形成近完美吸收。
但是，超构材料吸收体一经制造加工完成后，其物理特性就是固定的。近年来，热光可调窄带超构吸收体的研究一直是该领域的研究热点。研究人员通过将相变材料GST和VO2作为电介质薄膜集成到了超构材料吸收体的设计中，来实现多窄带吸收体的热光调控。但是由于相变材料GST和VO2的光学特性在临界温度附件会发生突变，也就是基于相变材料的热光可调超构吸收体只有“开”和“关”这两种状态，很难实现连续性调控。由于在近红外波段， GST和VO2自身对电磁波有一定的吸收作用还有顶层金属振子对入射电磁波的强烈欧姆损耗，基于相变材料的热光可调超构吸收体的带宽一般都是几百个纳米，很难设计出带宽只有几个纳米的超窄带热光可调超构吸收体。
发明内容
为解决现有热光可调超构吸收体的带宽宽(一般只能达到几百个纳米)且热光可调只能是在“开”和“关”两种状态之间进行切换调控、无法实现连续性调控的问题，本发明提供了一种基于四纳米柱耦合振子的近红外波段线性热光可调超窄带吸收体，该吸收体在近红外波段可以得到一个超窄吸收带且吸收带具有线性热光调节功能，采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种基于四纳米柱耦合振子的近红外波段线性热光可调超窄带吸收体，所述吸收体包括多个周期性结构单元，每个周期性结构单元均为三层结构，底层为金属薄膜，中间层为电介质薄膜，顶层为由四个纳米柱耦合而成的振子，且振子的材料为非晶硅。
优选地，所述金属薄膜为金薄膜。
优选地，所述电介质薄膜为氮化硅薄膜。
优选地，所述四个纳米柱均为长方体。
优选地，所述四个纳米柱按照2×2的方式排列耦合。
最优地，所述四个纳米柱均为长方体且其上底面和下底面均为正方形，四个纳米柱的上底面和下底面的边长均为260nm，厚度均为200nm，相邻纳米柱振子的耦合距离均为120nm，多个周期性结构单元的排列周期为800nm；所述金属薄膜采用厚度为200nm的金薄膜；所述电介质薄膜采用厚度为350nm的氮化硅薄膜。
本发明所述吸收体由多个单元结构呈周期性排列而成，周期排列的形状可以根据具体需求进行设计，周期排列的具体形状并不影响发明效果。
本发明中四纳米柱耦合振子是指由四个纳米柱耦合而成的振子，且振子的材料采用非晶硅。
本发明中四个纳米柱的厚度还可以称为四个纳米柱的高度，即上底面和下底面之间的垂直距离。
本发明中底层所采用的金属薄膜优选但不限于金薄膜，其他任意金属材质的薄膜同样适用于本发明方案。本发明中间层所采用的电介质薄膜优选但不限于氮化硅薄膜，其他材料的电介质薄膜同样适用于本发明方案。
本发明有益效果：
现有超构材料吸收体的每个单元为三层结构(底层、中间层和顶层)，顶层通常采用周期性金属振子，本发明利用能够激发出磁激元共振的高折射率电介质振子替换金属振子、并选用具有线性热光系数的非晶硅作为电介质振子的设计材料、且振子采用由四个纳米柱耦合的结构(即顶层采用四纳米柱耦合非晶硅振子)，通过这样的改进能够在近红外波段得到一个超窄吸收带，该超窄吸收带的带宽达几个纳米级别，其带宽比现有基于相变材料GST和VO2的吸收体的吸收带带宽小两个数量级；并且该超窄吸收带具有线性热光调节功能，能够实现线性热光的连续性调控。本发明成功实现了近红外波段线性热光可调超窄吸收体的设计，该吸收体可应用于微型光学开关，光学调节器和红外伪装。
附图说明
图1是本发明实施例1吸收体的结构单元的三维视图。
图2是本发明实施例1吸收体的结构单元的主视图。
图3是本发明实施例1吸收体的结构单元的俯视图。
图4是本发明实施例吸收体在室温20℃时的光谱吸收率图。
图5是本发明实施例吸收体在温度由室温20℃增加到90℃的光谱吸收率图。
图6是本发明实施例吸收体温度由20℃增加到120℃时吸收带峰值波长变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种基于四纳米柱耦合振子的近红外波段线性热光可调超窄带吸收体，该吸收体包括多个周期性结构单元，每个周期性结构单元均为三层结构，底层为金薄膜，中间层为氮化硅薄膜，顶层为由四个纳米柱耦合而成的振子且振子的材料为非晶硅材料(也称四纳米柱耦合非晶硅振子)。本实施例中四个纳米柱按照2×2的方式排列耦合，四个纳米柱均为长方体且其上底面和下底面均为正方形。具体采用如下参数：底层的金薄膜厚度T3＝200nm，中间的氮化硅电介质厚度T2＝350nm，结构单元的周期为P＝800 nm，顶层的四纳米柱耦合非晶硅振子厚度T1＝200nm，四个纳米柱振子的上底面和下底面的边长均为D＝260nm，相邻纳米柱振子的耦合距离W＝120nm。
本实施例所用非晶硅在室温20℃时的折射率为3.42且具有线性的热光系数3.25×10-4/℃。
图4是本发明实施例吸收体在室温20℃时的光谱吸收率图。如图4所示，在1064nm波长处有一个吸收带，吸收率高达97％，带宽只有1.4nm。图5是本发明实施例吸收体在温度由室温20℃增加到90℃的光谱吸收率变化图。图6是本发明实施例吸收体温度由20℃增加到120℃时吸收带峰值波长变化图。如图6所示，当温度由20℃增加到120℃时，峰值波长从1064nm增加到了1072nm，峰值波长和温度具有非常好的线性关系，热光调节灵敏度达到0.08nm/℃。
综合图4-图6的结果可知：本实施例的吸收体既实现了超窄带宽(1.4nm)，又实现了热光的线性连续调节且热光调节灵敏度高。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种吸收体，所述吸收体包括多个周期性结构单元，其特征在于，每个周期性结构单元均为三层结构，底层为金属薄膜，中间层为电介质薄膜，顶层为由四个纳米柱耦合而成的振子，且振子的材料为非晶硅；所述四个纳米柱按照2×2的方式排列耦合，四个纳米柱均为长方体且其上底面和下底面均为正方形，四个纳米柱之间的边相互平行，所述四个纳米柱耦合而成的振子能够激发出磁激元共振，从而在近红外波段得到一个超窄吸收带。
2.根据权利要求1所述的吸收体，其特征在于，所述金属薄膜为金薄膜。
3.根据权利要求1所述的吸收体，其特征在于，所述电介质薄膜为氮化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的吸收体，其特征在于，所述四个纳米柱的上底面和下底面的边长均为260 nm，厚度均为200 nm，相邻纳米柱振子的耦合距离均为120 nm，多个周期性结构单元的排列周期为800nm；所述金属薄膜采用厚度为200 nm的金薄膜；所述电介质薄膜采用厚度为350 nm的氮化硅薄膜。
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