CN110187420B - 一种双频段超材料吸波器及折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双频段超材料吸波器，包括多个单元结构，多个单元结构以方阵形式周期性排列；单元结构包括金属平面基底、SiO2圆柱体、单层MoS2薄膜，金属平面基底上以方阵形式周期性设置多个SiO2圆柱体，单层MoS2薄膜覆盖于SiO2圆柱体上。该双频段超材料吸波器在可见光范围内实现两个吸收带，最大吸收率高达99.9％。通过调整结构参数，可调节该双频段超材料吸波器吸收峰的频段。本发明还提供一种折射率传感器，广泛应用于检测环境变化的场合中，如检测湿度，化学品，压力等。并且该折射率传感器具有在可见光和近红外光谱范围中应用的巨大潜力，例如波长选择性光电探测器和等离子体传感器。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种双频段超材料吸波器及折射率传感器。
背景技术
吸波材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，通过材料的各种不同的损耗机制，将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的。当前高速发展的新科技正引领着世界范围内的各行各类电气、电子设备向高频化、小型化趋势发展，高频电磁干扰问题必将越发突显，吸波材料必然有越来越广阔的应用空间。
近些年来，国际上尝试采用超材料来实现对信号的完美吸收。通过设计超材料内部亚波长的单元尺寸结构，可以获得独特的电磁响应组合，使得这种结构能够对目标探测频段的电磁波进行吸波。但是，现有的超材料吸波器通常具有复杂的结构，比如叠加的材料层数多、单元结构的形貌复杂多样等。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种单元结构简单的双频段超材料吸波器，可以通过调整单位结构的尺寸调节吸收峰的频段，并可应用于折射率传感器，具有很高的灵活性和实用价值。
具体的技术方案为：
一种双频段超材料吸波器，包括多个单元结构，多个单元结构以方阵形式周期性排列；每个所述的单元结构包括金属平面基底、SiO2圆柱体、单层MoS2薄膜，所述的金属平面基底上以方阵形式周期性设置多个SiO2圆柱体，单层MoS2薄膜覆盖于SiO2圆柱体顶部上。
所述的金属平面基底以金为材料。所述的单层MoS2薄膜厚度为0.615nm。
所述的SiO2圆柱体高度、SiO2圆柱体阵列周期、SiO2圆柱体直径的参数均为可调，用来调节吸收峰的频段。
单层MoS2是直接间隙半导体，其中电子容易被激发。由于其强烈受限的激子和自旋-轨道耦合，单层MoS2在605nm和660nm处具有两个突出的吸收峰。本发明通过调节双频段超材料吸波器的结构参数和入射角，可以在很宽的范围内调节MoS2吸收的峰值波长。
基于单层MoS2薄膜结构的吸收光谱在可见光区域显示出两个完美的吸收峰，最大吸收率高达99.9％。MoS2-SiO2-Au结构可以认为是法布里-珀罗(F-P)空腔谐振器。高折射率介质谐振器的光腔谐振和金属-电介质界面处的等离子体相关的偶极谐振是形成高吸收率的主要机制。
该双频段超材料吸波器件对折射率的改变十分敏感，可作为折射率传感器，具有良好的传感性能。
因此本发明还提供一种折射率传感器，包括上述的双频段超材料吸波器。
该双频段超材料吸波器作为折射率传感器，可广泛应用于检测环境变化的场合中，如检测湿度，化学品，压力等。并且该折射率传感器具有在可见光和近红外光谱范围中应用的巨大潜力，例如波长选择性光电探测器和等离子体传感器。
本发明提供的双频段超材料吸波器及折射率传感器，与现有技术相比，具有的优点在于：
(1)在可见光范围内实现两个吸收带，最大吸收率高达99.9％；
(2)可通过调整相关的结构参数如SiO2圆柱高度、SiO2圆柱阵列周期、SiO2圆柱直径填来调节吸收峰的频段；
(3)该双频段超材料吸波器对折射率的改变十分敏感，可作为折射率传感器，广泛应用于检测环境变化的场合中，如检测湿度，化学品，压力等。
附图说明
图1为实施例的吸波器件的圆柱形MoS2阵列示意图；
图2为实施例的吸波器件的单元结构示意图；
图3为实施例的吸波器件单层MoS2的介电常数的实部和虚部随波长变化的示意图；
图4为实施例的吸波器件的阻抗随波长变化的示意图；
图5为实施例的吸波器件的吸收率与波长关系的示意图；
图6为实施例的吸波器件的吸收率与圆柱形SiO2厚度，波长的关系示意图；
图7为实施例的吸波器件的吸收率与圆柱形SiO2周期，波长的关系示意图；
图8为实施例的吸波器件的吸收率与圆柱形SiO2厚度，波长的关系示意图；
图9为实施例的吸波器件的吸收率与极化角度，波长的关系示意图；
图10为实施例的吸波器件的两个吸收峰P1和P2不同折射率下的光谱。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，一种双频段超材料吸波器，包括多个单元结构，多个单元结构以方阵形式周期性排列；所述的单元结构包括金属平面基底、SiO2圆柱体、单层MoS2薄膜，所述的金属平面基底上以方阵形式周期性设置多个SiO2圆柱体，单层MoS2薄膜覆盖于SiO2圆柱体上。
如图2所示，为x-z平面中单元结构的轮廓。金属平面基底1以金为基底的平坦平面。TE波以垂直于SiO2圆柱体2的方向入射。SiO2圆柱体2上覆盖着一层MoS2薄膜3。
在本实施例中，SiO2圆柱体2的圆形表面的直径为W，高度为h，阵列的周期为Λ。F＝W/Λ被定义为SiO2圆柱体2在x方向上的填充因子。
在该双频段超材料吸波器设计中，单层MoS2薄膜厚度为0.615nm的薄膜。本发明中使用的单层MoS2的介电常数与波长的关系如图3所示，在图3中，实线代表实部，虚线代表虚部。
MoS2薄膜是高折射率半导体，本实施例中MoS2-SiO2-Au结构可以认为是法布里-珀罗(F-P)空腔谐振器。根据传输线理论，阻抗匹配时，反射率为0。双频段超材料吸波器有效阻抗如图4所示，黑色曲线表示阻抗实部，灰色曲线表示阻抗虚部。水平虚线代表自由空间的归一化阻抗。双频段超材料吸波器的阻抗在谐振波长附近达到极值，并明显接近两个峰值波长处的自由空间的值。由于单层MoS2在可见光范围内不具有强共振行为，因此高吸收率主要是由于设计的共振结构产生的共振。
如图5所示，为吸收率和波长的关系。取h＝200nm，Λ＝580nm即F＝0.8，在583nm和770nm的波长处出现两个突出的峰，其标记为P1和P2，P1和P2的最大值都达到了接近完美的吸收，P1的读数为96.0％，P2的读数为99.9％。
该双频段吸波器件吸收率依赖于SiO2圆柱体的高度、填充因子和周期等参数。当SiO2圆柱体的高度h在介电层中约为四分之一波长距离时，因为在入射光和反射光之间产生相长干涉，双频段超材料吸波器达到最大吸收率。介电层高度h对双频段超材料吸波器光学特性的影响，如图6所示。SiO2圆柱体高度h处于0.17至0.30μm时，两个吸收峰均达到接近100％的吸光度。
周期Λ和填充因子F对吸收效果有着直接的影响。周期和填充因子对吸收效果的影响，如图7和图8所示。本发明提供的双频段超材料吸波器可以通过调整SiO2圆柱体高度，SiO2圆柱体阵列周期，SiO2圆柱体直径的参数来调节吸收峰的频段，使得该双频段超材料吸波器能够吸收不同频段的波，因此具有较强的灵活性。
该双频段超材料吸波器结构的还具有的优点是具有旋转对称性，这使得该双频段超材料吸波器的吸收率对垂直入射时的极化角不敏感。极化角定义为平面波的正x轴和电矢量之间的角度，如图9所示，对于从0°到90°变化的极化角度，该双频段超材料吸波器吸收性能均相同。
该双频段吸波器件在可见光范围内实现两个吸收带，最大吸收率高达99.9％；通过调整结构参数，可调节该吸波器件吸收峰的频段。
由于该吸波器件对折射率的改变十分敏感，可以用于传感器中，用于折射率的检测，具有良好的传感性能。
针对不同的背景折射率，该双频段超材料吸波器的吸收峰所在频段将发生改变。如图10所示，呈现了P1和P2各自对折射率的灵敏度。图10中曲线的斜率表明，对于P1和P2，灵敏度S分别达到了500nm/RIU(Refractive Index Unit)和200nm/RIU。
以上，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内,可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种双频段超材料吸波器，其特征在于，由多个单元结构组成，多个单元结构以周期性排列；每个所述的单元结构由金属平面基底、SiO2圆柱体、单层MoS2薄膜组成，所述的单层MoS2薄膜厚度为0.615nm；所述的金属平面基底上以周期性设置多个SiO2圆柱体，单层MoS2薄膜覆盖于SiO2圆柱体顶部上。
2.根据权利要求1所述的一种双频段超材料吸波器，其特征在于，所述的金属平面基底的材料为金。
3.根据权利要求1所述的一种双频段超材料吸波器，其特征在于，所述的SiO2圆柱体高度、SiO2圆柱体阵列周期、SiO2圆柱体直径的参数均为可调，用来调节吸收峰的频段。
4.根据权利要求1所述的一种双频段超材料吸波器，其特征在于，所述的周期性排列为方阵形式排列。
5.一种折射率传感器，其特征在于，包括权利要求1到4任一项所述的双频段超材料吸波器。
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Non-Patent Citations (4)
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| A tunable dual-band graphene-based perfect absorber in the optical communication band;Jing Yue等;《Optics and Laser Technology》;20180720;第1-3部分，第404-407页 * |
| Broadband absorption engineeing to enhance light absorption in monolayer MoS2;Shah Mohammad Bahauddin等;《ACS Photonics》;20160427;全文 * |
| Dual-band total absorption via guided-mode resonance in a monolayer MoS2 covered dielectric grating structure;Jigang Hu等;《Proc. SPIE》;20181025;第1-2部分，第108230T-1至108230T-5页 * |
| Ultra-broadband absorber from visible to near-infrared using plasmonic metamaterial;Lei Lei等;《Optics Express》;20180305;全文 * |
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