CN111443505A - 深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法及系统 - Google Patents

深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法及系统 Download PDF

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CN111443505A CN202010475575.4A CN202010475575A CN111443505A CN 111443505 A CN111443505 A CN 111443505A CN 202010475575 A CN202010475575 A CN 202010475575A CN 111443505 A CN111443505 A CN 111443505A
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Abstract

本发明提供了一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法及系统，包括：步骤S1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；步骤S2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg，宽度为w，周期为p；步骤S3：在TM偏振下(Ex，Hy，kz)，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；步骤S4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t。本发明通过利用深亚波长磁性的近零材料，同时解决了现有的热辐射发射(吸收)器件设计性能不可调控的问题，通过改变外加磁场的大小，实现了可重构的非互易性发射(吸收)功能。

Description

深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法及系统
技术领域
本发明涉及发射及吸收器件技术领域，具体地，涉及一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法及系统，尤其是一种深亚波长尺寸非互易性完美发射及完美吸收器件构造方法及系统。
背景技术
热发射/吸收器件是实现辐射能量的收集、利用和转换的重要元器件，其在辐射制冷、远(近)场热光伏、太阳能电池等方面都具有重要的应用价值。宏观物体的热辐射特性表现为宽谱、各向异性、非偏振的特点，近年来，超材料和超表面的兴起为在亚波长甚至深亚波长尺度下调控热辐射特性提供了全新的平台。然而，目前大部分吸收/发射器的设计仍基于基尔霍夫定律，认为吸收比等于发射率，这不可避免地给系统带来固有的能量损失，比如对于太阳能电池而言，当吸收比等于发射率，吸收器从太阳吸收多少比例的能量，也会向外发射相同比例能量。因此，研究如何打破传统的基尔霍夫定律，设计新型的非互易性的发射/吸收器件具有重要的理论和应用价值。而目前非互易性热发射特性的研究尚处于起步阶段，大多基于体块的磁性材料，利用传统的光栅结构激发表面波来打破吸收和发射的平衡，然而该方法要求有较大的入射倾角，且为了实现高的发射或吸收特性，结构的厚度通常很大，这不仅增加了加工成本还不利于与其他器件的集成。此外，由于自然界材料的磁光响应通常很弱，因此，如何在保证高吸收/发射特性的同时增强磁光效应也是目前亟需解决的问题。
专利文献CN106025051B公开了一种发射辐射的半导体器件及其制造方法，该半导体器件具有芯片连接区(3)，发射辐射的半导体芯片(1)，以及光吸收材料(4)，其中发射辐射的半导体芯片(1)固定在芯片连接区(3)处，芯片连接区(3)在所述芯片连接区没有被发射辐射的半导体芯片(1)覆盖的位置处用该光吸收材料(4)覆盖，以及发射辐射的半导体芯片(1)局部地没有光吸收材料(4)。该专利在性能上仍然有待提高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法及系统。
根据本发明提供的一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法，包括：步骤S1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；
步骤S2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg,宽度为w，周期为p；
步骤S3：在TM偏振下(Ex,Hy,kz)，其中Ex表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，Hy表示入射磁场沿y方向，kz表示入射方向沿z方向，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；
步骤S4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t，能够同时激发非对称的Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，有效打破传统发射(吸收)器设计遵循的基尔霍夫定律，使得在近零波长λ0附近，结构的吸收比α(θ)≠发射率e(θ)，其中θ为入射角度，从而获取深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数εxx的实部趋近于0
Figure BDA0002515770830000021
几何尺寸为平板结构，理论上在x,y方向为无限大，具有深亚波长厚度t～λ0/50，其中λ0为介电常数趋近于0的波长的大小；
步骤S1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段反射率约等于1。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：使得介电光栅的结构尺寸均在亚波长范围，满足tg,w,p<λ0/10,其中周期沿着x方向；
步骤S2.2：选用相应工作波段的材料；所述材料的吸收强度低于设定阈值，所述材料的介电常数高于设定阈值；如硅Si，锗Ge，碳化硅SiC等；
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：使得外加磁场存在时B≠0，所述B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε＝[εxx,iεxy,0；-iεxy,εyy,0；0,0,εzz]，其中εxx,εyy,εzz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位
Figure BDA0002515770830000022
εxy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时εxy＝0。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：采用无介电光栅结构，调节吸收层厚度至深亚波长尺度，在介电常数近零位置激发Berreman模态，外加直流磁场B存在时，打破波矢空间kx和-kx支持的电磁模态对称性，从而有效打破传统热发射(吸收)器件设计的基尔霍夫定律，实现非互易性吸收和发射；
步骤S4.2：介电光栅存在时，采用光栅结构提供补偿波矢
Figure BDA0002515770830000031
m为衍射阶数，可取±1,±2,±3…，使得在特定角度能有效激发surface epsilon-near-zero模态，使得该结构能同时支持辐射态(radiative modes)和表面态(surface modes)从而存在至少两个非互易性发射(吸收)峰。
根据本发明提供的一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造系统，包括：模块M1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；
模块M2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg,宽度为w，周期为p；
步骤S3：在TM偏振下(Ex,Hy,kz)，其中Ex表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，Hy表示入射磁场沿y方向，kz表示入射方向沿z方向，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；
模块M4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t，能够同时激发非对称的Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，有效打破传统发射(吸收)器设计遵循的基尔霍夫定律，使得在近零波长λ0附近，结构的吸收比α(θ)≠发射率e(θ)，其中θ为入射角度，从而获取深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数εxx的实部趋近于0
Figure BDA0002515770830000032
几何尺寸为平板结构，理论上在x,y方向为无限大，具有深亚波长厚度t～λ0/50，其中λ0为介电常数趋近于0的波长的大小；
模块M1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段反射率约等于1。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：使得介电光栅的结构尺寸均在亚波长范围，满足tg,w,p<λ0/10,其中周期沿着x方向；
模块M2.2：选用相应工作波段的材料；所述材料的吸收强度低于设定阈值，所述材料的介电常数高于设定阈值；如硅Si，锗Ge，碳化硅SiC等；
优选地，所述模块M3包括：
模块M3.1：使得外加磁场存在时B≠0，所述B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε＝[εxx,iεxy,0；-iεxy,εyy,0；0,0,εzz]，其中εxx,εyy,εzz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位
Figure BDA0002515770830000041
εxy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时εxy＝0。
优选地，所述模块M4包括：
模块M4.1：采用无介电光栅结构，调节吸收层厚度至深亚波长尺度，在介电常数近零位置激发Berreman模态，外加直流磁场B存在时，打破波矢空间kx和-kx支持的电磁模态对称性，从而有效打破传统热发射(吸收)器件设计的基尔霍夫定律，实现非互易性吸收和发射；
模块M4.2：介电光栅存在时，采用光栅结构提供补偿波矢
Figure BDA0002515770830000042
m为衍射阶数，可取±1,±2,±3…，使得在特定角度能有效激发surface epsilon-near-zero模态，使得该结构能同时支持辐射态(radiative modes)和表面态(surface modes)从而存在至少两个非互易性发射(吸收)峰。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过利用深亚波长厚度的近零材料有效激发高能量密度的Berreman模态，显著降低结构几何尺寸，解决了传统的热辐射发射(吸收)器件尺寸较大、不易集成的问题，并且在小入射角度下即可实现完美的发射和吸收特性，发射(吸收)峰的位置可通过入射角度θ和吸收层厚度t进行调整。对于其中具体的实施案例：吸收层为InAs材料，高反射层为金属Al，无介电光栅、无外加磁场下，吸收层厚度分别为200nm、450nm、700nm时，可分别在入射角为40°、22.5°和17.5°时实现100％的完美发射(吸收)特性。
2、本发明通过利用深亚波长磁性的近零材料在近零波长λ0附近的场增强效应和强磁光效应，在显著降低结构尺寸的同时能在低磁场条件下打破吸收-发射互易特性，解决了现有的非互易性发射吸收器件尺寸较大、对外加磁场大小要求高的特点，在低外加磁场、深亚波长尺度实现了完全打破基尔霍夫定律的非互易性发射(吸收)特性，发射(吸收)峰的位置可通过入射角度θ、吸收层厚度t和外加直流磁场大小B进行调整。对于其中具体的实施案例：吸收层为InAs材料，高反射层为金属Al，无介电光栅，外加磁场为1T时，磁性的近零材料厚度为200nm时，吸收比与发射率的差值|Δ|在37.5°时为0.59，磁性的近零材料厚度为450nm时，吸收比与发射率的差值|Δ|在22.5°时为0.9，磁性的近零材料厚度为700nm时，吸收比与发射率的差值|Δ|在17.5°时为0.92。其中|Δ(θ)|＝|e(θ)-α(θ)|。
3、本发明通过在深亚波长磁近零吸收层上增加亚波长介电光栅结构，使得设计结构能同时激发Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，解决了现有的非互易性发射(吸收)器件仅存在单个发射峰的问题，使得在工作波段存在至少两个非互易性发射(吸收)峰。新的吸收峰的波峰位置可通过光栅周期p进行调整，周期改变不影响由Berreman模态所产生的发射(吸收)峰，新的吸收峰的强度可通过入射角度θ进行调整。对于其中具体的实施案例：高反射层为金属Al，吸收层为InAs材料，厚度为250nm，介电光栅材料为硅Si，厚度为tg＝1.75μm，宽度为w＝3μm，周期为p＝4.5μm。外加磁场为1T时，在原单峰发射谱上增加了强度很大的新的发射峰，而相同条件下的吸收图谱则无新的吸收峰，实现了双峰非互易性发射(吸收)器件的设计。
4、本发明通过利用深亚波长磁性的近零材料，同时解决了现有的热辐射发射(吸收)器件设计性能不可调控的问题，通过改变外加磁场的大小，实现了可重构的非互易性发射(吸收)功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中双层非互易性发射器结构示意图。
图2为本发明实施例中增加介电光栅后的结构示意图。
图3为本发明实施例中结构在无外加磁场条件下吸收/发射图谱随近零材料层厚度的变化示意图。
图4为本发明实施案例中外加磁场为1T时，近零材料层厚度为200nm、450nm和700nm，发射率与吸收比差值最大时的发射吸收图谱示意图。
图5为本发明实施例中结构入射角度为27.5°时外加磁场1T时不同厚度近零材料的发射/吸收图谱对比示意图。
图6为本发明实施例中结构近零材料为450nm时入射角为27.5°时不同大小外加磁场下发射率与吸收比的对比示意图。
图7为本发明实施例中结构光栅周期为4.5μm时外加磁场1T下不同入射角度的发射与吸收图谱对比示意图。
图8为本发明实施例中结构入射角度为35°时外加磁场1T下不同周期下的发射与吸收图谱对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造方法，包括：步骤S1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；
步骤S2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg,宽度为w，周期为p；
步骤S3：在TM偏振下(Ex,Hy,kz)，其中Ex表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，Hy表示入射磁场沿y方向，kz表示入射方向沿z方向，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；
步骤S4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t，能够同时激发非对称的Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，有效打破传统发射(吸收)器设计遵循的基尔霍夫定律，使得在近零波长λ0附近，结构的吸收比α(θ)≠发射率e(θ)，其中θ为入射角度，从而获取深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数εxx的实部趋近于0
Figure BDA0002515770830000061
几何尺寸为平板结构，理论上在x,y方向为无限大，具有深亚波长厚度t～λ0/50，其中λ0为介电常数趋近于0的波长的大小；
步骤S1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段反射率约等于1。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：使得介电光栅的结构尺寸均在亚波长范围，满足tg,w,p<λ0/10,其中周期沿着x方向；
步骤S2.2：选用相应工作波段的材料；所述材料的吸收强度低于设定阈值，所述材料的介电常数高于设定阈值；如硅Si，锗Ge，碳化硅SiC等；
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：使得外加磁场存在时B≠0，所述B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε＝[εxx,iεxy,0；-iεxy,εyy,0；0,0,εzz]，其中εxx,εyy,εzz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位
Figure BDA0002515770830000071
εxy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时εxy＝0。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：采用无介电光栅结构，调节吸收层厚度至深亚波长尺度，在介电常数近零位置激发Berreman模态，外加直流磁场B存在时，打破波矢空间kx和-kx支持的电磁模态对称性，从而有效打破传统热发射(吸收)器件设计的基尔霍夫定律，实现非互易性吸收和发射；
步骤S4.2：介电光栅存在时，采用光栅结构提供补偿波矢
Figure BDA0002515770830000072
m为衍射阶数，可取±1,±2,±3…，在特定角度能有效激发surface epsilon-near-zero模态，使得该结构能同时支持辐射态(radiative modes)和表面态(surface modes)，从而存在至少两个非互易性发射(吸收)峰。
根据本发明提供的一种深亚波长尺寸非互易性发射/吸收器件构造系统，包括：模块M1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；
模块M2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg,宽度为w，周期为p；
步骤S3：在TM偏振下(Ex,Hy,kz)，其中Ex表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，Hy表示入射磁场沿y方向，kz表示入射方向沿z方向，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；
模块M4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t，能够同时激发非对称的Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，有效打破传统发射(吸收)器设计遵循的基尔霍夫定律，使得在近零波长λ0附近，结构的吸收比α(θ)≠发射率e(θ)，其中θ为入射角度，从而获取深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数εxx的实部趋近于0
Figure BDA0002515770830000073
几何尺寸为平板结构，理论上在x,y方向为无限大，具有深亚波长厚度t～λ0/50，其中λ0为介电常数趋近于0的波长的大小；
模块M1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段反射率约等于1。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：使得介电光栅的结构尺寸均在亚波长范围，满足tg,w,p<λ0/10,其中周期沿着x方向；
模块M2.2：选用相应工作波段的材料；所述材料的吸收强度低于设定阈值，所述材料的介电常数高于设定阈值；如硅Si，锗Ge，碳化硅SiC等；
优选地，所述模块M3包括：
模块M3.1：使得外加磁场存在时B≠0，所述B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε＝[εxx,iεxy,0；-iεxy,εyy,0；0,0,εzz]，其中εxx,εyy,εzz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位
Figure BDA0002515770830000081
εxy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时εxy＝0。
优选地，所述模块M4包括：
模块M4.1：采用无介电光栅结构，调节吸收层厚度至深亚波长尺度，在介电常数近零位置激发Berreman模态，外加直流磁场B存在时，打破波矢空间kx和-kx支持的电磁模态对称性，从而有效打破传统热发射(吸收)器件设计的基尔霍夫定律，实现非互易性吸收和发射；
模块M4.2：介电光栅存在时，采用光栅结构提供补偿波矢
Figure BDA0002515770830000082
m为衍射阶数，可取±1,±2,±3…，使得在特定角度能有效激发surface epsilon-near-zero模态，使得该结构能同时支持辐射态(radiative modes)和表面态(surface modes)从而存在至少两个非互易性发射(吸收)峰。
具体地，在一个实施例中，一种深亚波长尺度非互易性发射/吸收器件的设计方法，该结构可由高反层与磁性的近零材料层组成，在外加磁场条件下使得吸收比与发射率不再遵循热辐射的基尔霍夫定律，实现非互易性热发射。其中，高反层可由金属Al材料组成，厚度大于100nm即可，吸收层由磁性的近零材料组成，需满足在工作波段介电常数的实部趋近于0(Re(ε)→0)，厚度为深亚波长尺度(t～λ/50)，TM偏振下(Ex,Hy,kz)，能有效激发Berreman模态，使得在相同入射条件下结构发射率与吸收比不再相等。进一步在双层结构上增加亚波长介电光栅，可额外激发Epsilon-near-zero模态，实现双波段的非互易性发射。优选地，对于双层结构，外加磁场为1T时，近零材料厚度为450nm，入射角为22.5°下发射率和吸收比差值可达0.9；近零材料厚度为700nm，入射角为17.5°下发射率和吸收比差值可达0.92。此外，本发明所述的非互易性吸收发射器件的最优工作角度和发射吸收性能还可通过改变近零材料层厚度和外加磁场大小来调整。
图1和图2是本发明所实现的深亚波长尺度非互易性发射/吸收器件的结构示意图。其中高反射基底材料为Al，厚度为100nm，磁性的近零材料为InAs，在外加磁场沿着z方向。当外加磁场不为0时，TM偏振入射下，InAs材料的介电常数为张量εInAs＝[εxx,iεxy,0；-iεxy,εyy,0；0,0,εzz]。其中，非对角元和对角元可由如下公式得到：
Figure BDA0002515770830000091
和εzz＝ε∞-ωp/(ω(ω+iΓ))。
式子中ε∞＝12.37,Γ＝1.55×1012rad/s,
Figure BDA0002515770830000092
ωc＝eB/m*，ne为自由电子密度。对于上述条件的InAs材料，无外加磁场时，在7.8×1013rad/s附近存在介电常数趋近于0的情况，满足本发明对磁性的近零材料的要求。其他磁性的近零材料包括InSb，石墨烯或多层膜超材料等也可发现满足本发明要求的工作波段。近零材料层的厚度必须为深亚波长尺度，即t～λ/50。图2中的光栅结构尺寸均为亚波长尺度，优选地材料为Si，厚度为tg＝1.75μm，宽度为3μm。
基于本发明所提出的材料近零特性，可通过改变入射角度和近零材料厚度在深亚波长结构尺寸下实现完美发射/吸收特性。图3是本发明图1双层结构在无外加磁场条件下不同厚度近零材料的发射/吸收图谱。无外加磁场条件，结构的吸收发射特性遵循基尔霍夫定律：发射率＝吸收比。每一个深亚波长厚度结构均对应一个最佳的入射角度使得吸收比/发射率，根据本发明图3所示，欲在大角度条件下实现完美发射/吸收，可减小近零材料层厚度。而对于传统结构(t＞＞λ/50)，在任何角度都无法实现100％的完美发射或吸收(如图3中t＝5μm的结果)。
实施案例1
外加磁场存在下，热辐射的基尔霍夫定律被打破，同一入射角度下，吸收比与发射率不再相等。本发明所提出的通过激发近零材料层的Berreman模态，增大吸收比与发射率的差值，实现完全打破基尔霍夫定律。图4为本发明图1双层结构在外加磁场1T时不同厚度近零材料的发射率和吸收比随入射角度和工作角频率的变化。对于具体的实施案例，近零材料厚度为200nm，入射角度为40°时，吸收比与发射率之差可达|Δ|＝0.59；近零材料厚度为450nm时，入射角度为22.5°时，吸收比与发射率之差可达|Δ|＝0.9；近零材料厚度为700nm时，入射角度为17.5°时，吸收比与发射率之差可达|Δ|＝0.92。
根据本发明所设计的非互易性发射/吸收器件，通过激发非对称的Berreman模态，同时利用其对厚度和入射角度的敏感特性，调节吸收、发射峰的峰值位置和宽度，窄谱吸收/发射特性依赖更小厚度的磁性的近零材料。对于具体的实施案例，图5为本发明图1双层结构在外加磁场1T，入射角度27.5°时，3种深亚波长厚度下的吸收、发射图谱的变化，如与厚度为450nm和700nm的计算结果相比，厚度为1200nm时，发射率图谱峰值减小、宽度增加。
根据本发明所设计的非互易性发射/吸收器件，利用磁性的近零材料对外加磁场的敏感特性，本发明能实现对非互易性发射、吸收图谱的动态调控。对于具体的实施案例，图6为本发明图1双层结构近零材料厚度为450nm时不同大小外加磁场条件下发射/吸收图谱对比，同一入射角度下吸收峰与发射峰的位置以及距离可通过外加磁场大小调控，但不影响发射吸收峰高度，外加磁场强度越大，同一角度下吸收峰与发射峰的位置相距越远。
实施案例2
根据本发明所提出的设计原则，增加亚波长介电光栅，设计结构能同时支持非对称的Berreman模态和Epsilon-near-zero模态，可实现多峰值非互易性发射其中光栅的厚度为1.75μm，宽度为3μm，周期为4.5μm。对于具体的实施案例，通过利用光栅结构激发非对称的Epsilon-near-near模态，如图7所示，使得在同一入射角度下实现高发射、低吸收特性，并且吸收峰位置对入射角度不敏感，角度条件仅改变吸收峰高度。图8为本发明图3增加光栅结构后发射/吸收图谱随周期大小的变化，利用非对称Berreman模态实现的非互易性发射吸收特性完全不受周期的影响，而利用非对称Epsilon-near-zero模态实现的非互易性发射吸收特性的波谱特性则可以通过周期灵活调控。需要说明的是介电光栅的材料不限于本发明所示例的材料，其他该波段的介电材料如SiC、Ge等均能实现本发明的技术要求。
本发明通过利用深亚波长厚度的近零材料有效激发高能量密度的Berreman模态，显著降低结构几何尺寸，解决了传统的热辐射发射(吸收)器件尺寸较大、不易集成的问题，并且在小入射角度下即可实现完美的发射和吸收特性，发射(吸收)峰的位置可通过入射角度θ和吸收层厚度t进行调整。对于其中具体的实施案例：吸收层为InAs材料，高反射层为金属Al，无介电光栅、无外加磁场下，吸收层厚度分别为200nm、450nm、700nm时，可分别在入射角为40°、22.5°和17.5°时实现100％的完美发射(吸收)特性。本发明通过利用深亚波长磁性的近零材料在近零波长λ0附近的场增强效应和强磁光效应，在显著降低结构尺寸的同时能在低磁场条件下打破吸收-发射互易特性，解决了现有的非互易性发射吸收器件尺寸较大、对外加磁场大小要求高的特点，在低外加磁场、深亚波长尺度实现了完全打破基尔霍夫定律的非互易性发射(吸收)特性，发射(吸收)峰的位置可通过入射角度θ、吸收层厚度t和外加直流磁场大小B进行调整。对于其中具体的实施案例：吸收层为InAs材料，高反射层为金属Al，无介电光栅，外加磁场为1T时，磁性的近零材料厚度为200nm时，吸收比与发射率的差值|Δ|在37.5°时为0.59，磁性的近零材料厚度为450nm时，吸收比与发射率的差值|Δ|在22.5°时为0.9，磁性的近零材料厚度为700nm时，吸收比与发射率的差值|Δ|在17.5°时为0.92。其中|Δ(θ)|＝|e(θ)-α(θ)|。本发明通过在深亚波长磁近零吸收层上增加亚波长介电光栅结构，使得设计结构能同时激发Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，解决了现有的非互易性发射(吸收)器件仅存在单个发射峰的问题，使得在工作波段存在至少两个非互易性发射(吸收)峰。新的吸收峰的波峰位置可通过光栅周期p进行调整，周期改变不影响由Berreman模态所产生的发射(吸收)峰，新的吸收峰的强度可通过入射角度θ进行调整。对于其中具体的实施案例：高反射层为金属Al，吸收层为InAs材料，厚度为250nm，介电光栅材料为硅Si，厚度为tg＝1.75μm，宽度为w＝3μm，周期为p＝4.5μm。外加磁场为1T时，在原单峰发射谱上增加了强度很大的新的发射峰，而相同条件下的吸收图谱则无新的吸收峰，实现了双峰非互易性发射(吸收)器件的设计。本发明通过利用深亚波长磁性的近零材料，同时解决了现有的热辐射发射(吸收)器件设计性能不可调控的问题，通过改变外加磁场的大小，实现了可重构的非互易性发射(吸收)功能。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；
步骤S2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg，宽度为w，周期为p；
步骤S3：在TM偏振下(Ex，Hy，kz)，其中Ex表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，Hy表示入射磁场沿y方向，kz表示入射方向沿z方向，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；
步骤S4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t，能够同时激发非对称的Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，使得在近零波长λ0附近，结构的吸收比α(θ)≠发射率e(θ)，其中θ为入射角度，从而获取深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件。
2.根据权利要求1所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数εxx的实部趋近于0，几何尺寸为平板结构，具有深亚波长厚度t～λ0/50，其中λ0为介电常数趋近于0的波长的大小；
步骤S1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段反射率约等于1。
3.根据权利要求1所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：使得介电光栅的结构尺寸均在亚波长范围，满足tg，w，p<λ0/10，光栅的高度为tg，宽度为w，周期为p，其中周期沿着x方向；
步骤S2.2：选用相应工作波段的材料；所述材料的吸收强度低于设定阈值，所述材料的介电常数高于设定阈值。
4.根据权利要求1所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：使得外加磁场存在时B≠0，所述B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε＝[εxx，iεxy，0；-iεxy，εyy，0；0，0，εzz]，其中εxx，εyy，εzz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位
Figure FDA0002515770820000021
εxy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时εxy＝0。
5.根据权利要求1所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：采用无介电光栅结构，调节吸收层厚度至深亚波长尺度，在介电常数近零位置激发Berreman模态，外加直流磁场B存在时，打破波矢空间kx和-kx支持的电磁模态对称性；
步骤S4.2：介电光栅存在时，采用光栅结构提供补偿波矢
Figure FDA0002515770820000022
m为衍射阶数，可取±1，±2，±3...，使得在特定角度能有效激发surface epsilon-near-zero模态，使得该结构能同时支持辐射态和表面态。
6.一种深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造系统，其特征在于，包括：
模块M1：选择磁性的近零材料层作为吸收层，选择高反基底作为反射层；
模块M2：在上述反射层和吸收层上布置高介电常数的亚波长光栅结构，光栅的高度为tg，宽度为w，周期为p；
模块M3：在TM偏振下(Ex，Hy，kz)，其中Ex表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，Hy表示入射磁场沿y方向，kz表示入射方向沿z方向，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；
模块M4：调节外加磁场B大小和吸收层厚度t，能够同时激发非对称的Berreman模态和surface epsilon-near-zero模态，使得在近零波长λ0附近，结构的吸收比α(θ)≠发射率e(θ)，其中θ为入射角度，从而获取深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件。
7.根据权利要求6所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数εxx的实部趋近于0，几何尺寸为平板结构，理论上在x，y方向为无限大，具有深亚波长厚度t～λ0/50，其中λ0为介电常数趋近于0的波长的大小；
模块M1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段反射率约等于1。
8.根据权利要求6所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：使得介电光栅的结构尺寸均在亚波长范围，满足tg，w，p<λ0/10，其中周期沿着x方向；
模块M2.2：选用相应工作波段的材料；所述材料的吸收强度低于设定阈值，所述材料的介电常数高于设定阈值。
9.根据权利要求6所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述模块M3包括：
模块M3.1：使得外加磁场存在时B≠0，所述B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε＝[εxx，iεxy，0；-iεxy，εyy，0；0，0，εzz]，其中εxx，εyy，εzz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位
Figure FDA0002515770820000031
εxy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时εxy＝0。
10.根据权利要求6所述的深亚波长尺寸非互易性发射及吸收器件构造方法，其特征在于，所述模块M4包括：
模块M4.1：采用无介电光栅结构，调节吸收层厚度至深亚波长尺度，在介电常数近零位置激发Berreman模态，外加直流磁场B存在时，打破波矢空间kx和-kx支持的电磁模态对称性；
模块M4.2：介电光栅存在时，采用光栅结构提供补偿波矢
Figure FDA0002515770820000032
m为衍射阶数，可取±1，±2，±3...，使得在特定角度能有效激发surface epsilon-near-zero模态，使得该结构能同时支持辐射态和表面态。
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