CN113314849A - 一种超材料宽带吸波体周期单元及超材料宽带吸波体 - Google Patents

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CN113314849A CN202110427308.4A CN202110427308A CN113314849A CN 113314849 A CN113314849 A CN 113314849A CN 202110427308 A CN202110427308 A CN 202110427308A CN 113314849 A CN113314849 A CN 113314849A
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李玉涟
郭力
陈子豪
李昌健
张海铭
陆培铭
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张奕涵
孙涛涛
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Abstract

本发明涉及一种超材料宽带吸波体周期单元，包含上层结构和下层结构；所述上层结构的形状为正N棱台，N≥4；所述下层结构为薄膜衬底，设置于上层结构底部。本发明还提供一种堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，包含上层结构和下层结构，所述上层结构由至少20个形状相似的上层模块堆叠形成，所述下层结构为薄膜衬底，设置于上层结构底部。本发明还提供一种超材料宽带吸波体，是由所述周期单元在x‑y平面上周期排列组成。本发明具有制作成本低、对太赫兹技术频域的覆盖率高以及能够实现中远红外超宽带吸收等优点。

Description

一种超材料宽带吸波体周期单元及超材料宽带吸波体
技术领域
本发明涉及电磁波超材料领域，特别涉及一种超材料宽带吸波体，以及涉及一种构成所述超材料宽带吸波体的周期单元。
背景技术
超材料是由人工构建的基本“单元”组成的亚波长结构的复合材料体，可以超越自然界材料本征参数的限制，实现自然材料所不具有的物理特性和功能，这些被人工结构改性过的材料被统称为“超材料”。超材料的宏观物质特性由它的结构决定而不是由材料本征特性决定，所以超材料的诞生为材料界引入一个全新的设计理念，改变了以往自然界中有何种材料制造出何种物件的惯例，开创了逆向设计的方法，即针对电磁波的应用需求制造出相应功能的材料，在材料科学领域具有重大历史意义。太赫兹(THz)技术，指的是频率范围从0.1THz到10THz，是远红外中的重要技术之一。吸波体是一种应用十分广泛的电磁器件，其中宽带吸波体在热光伏、光探测、辐射测量和生物传感器中具有重要作用和意义。
传统超材料宽带吸波体的周期单元结构通常由顶层金属谐振器/中间介质间隔器/底部金属衬底三层组成，工作原理是通过几个谐振峰的叠加实现宽带吸收，根据A(吸收率)＝1-透射率(T)-反射率(R)，在谐振频率下，透射率T 和反射率R都达到最小，吸收率A最大。传统超材料宽带吸波体存在如下缺点，金属谐振峰的带宽较窄，这将会限制其应用；需要设计复杂的顶层金属结构，制作工艺复杂；使用贵金属，制作成本高；目前虽然已经可以实现在太赫兹频域或中远红外频域的宽带吸收，但是目前在太赫兹技术频域覆盖率不高，另外很少能同时实现在这两个频域的宽带吸收。
发明内容
本发明的目的是提供一种超材料宽带吸波体周期单元及超材料宽带吸波体，以实现降低超材料宽带吸波体的成本、提高对太赫兹技术频域的覆盖率以及实现中远红外超宽带的吸收。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种超材料宽带吸波体周期单元，其包含上层结构和下层结构，上层结构为顶层表面层，其主要作用是阻抗匹配，下层结构为底层衬底层，其主要作用是阻碍电磁波透射；
其中，所述上层结构为正N棱台，N≥4，所述上层结构的顶面具有一第一内接圆，其直径的范围为0～12μm，所述上层结构的底面具有一第二内接圆，其直径的范围为35～50μm；
或，所述上层结构的形状为圆台，所述上层结构的顶面直径范围为 0～12μm，底面直径范围为35～50μm。
其中，所述下层结构为薄膜衬底，设置于上层结构底部。
其中，所述上层结构高度范围为100～120μm。
其中，所述上层结构的材料为介质材料Ta2O5。
其中，所述下层结构的材料为介质材料Ta2O5，下层结构的衬底厚度范围为135～200μm；或所述下层结构的材料为金属材料，下层结构的衬底厚度大于所采用的金属材料的趋肤深度。
一种超材料宽带吸波体，所述吸波体是由上述的同一超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面周期排列组成。
一种堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，其包含上层结构和下层结构；
其中，所述上层结构由至少20个形状相似的上层模块堆叠形成；每个所述上层模块的形状为正N棱柱，N≥4，该上层结构的最顶层上层模块具有一第一内接圆，所述第一内接圆的直径范围为0～12μm；该上层结构的最底层上层模块具有一第二内接圆，第二内接圆的直径范围为35～50μm；
或，每个所述上层模块的形状为圆柱，该上层结构的最顶层上层模块的底面直径范围为0～12μm，该上层结构的最底层上层模块的底面直径范围为 35～50μm。
其中，所述下层结构为薄膜衬底，设置于上层结构底部。
其中，所述上层结构的堆叠高度范围为100～120μm；
当上层模块为正N棱柱时，由下向上第i层的棱柱内接圆直径为b-i× (b-a)/M，高度为c/M，其中，20≤i≤M-1；M为堆叠总层数；b为最底层上层模块的第二内接圆直径；a为最顶层上层模块的第一内接圆直径；c为上层结构的堆叠高度；
当上层模块为圆柱时，由下向上第i层的圆柱直径为b-i×(b-a)/M，高度为c/M，其中，20≤i≤M-1；M为堆叠总层数；b为最底层上层模块的圆直径； a为最顶层上层模块的圆直径；c为上层结构的堆叠高度。
其中，所述上层结构的材料为介质材料Ta2O5。
其中，所述下层结构的材料为介质材料Ta2O5，下层结构的衬底厚度范围为135～200μm；或所述下层结构的材料为金属材料，下层结构的衬底厚度大于所采用的金属材料的趋肤深度。
一种超材料宽带吸波体，所述吸波体是由上所述的堆叠式同一超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面周期排列组成。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的超材料宽带吸波体周期单元和超材料宽带吸波体，具有如下有益效果：
1.本发明提出的吸波体90％吸收频带的相对带宽大于194％；
2.本发明提出的吸波体频带太赫兹技术频带覆盖率大于85％；
3.本发明提出的吸波体频带同时工作在太赫兹技术和中远红外频域；
4.本发明制作工艺成熟、简单；
5.本发明可以应用于光探测、无损成像、辐射测量和生物传感器。
附图说明
图1为本发明的超材料宽带吸波体周期单元的结构正视图；
图2为本发明的超材料宽带吸波体周期单元的结构侧视图；
图3为本发明的超材料宽带吸波体周期单元的结构俯视图；
图4为本发明的超材料宽带吸波体周期单元的结构立体图；
图5为本发明参数设置为上层结构为正四棱台第一内接圆直径为0μm，正四棱台第二内接圆直径为50μm，正四棱台高为120μm，下层结构材料为 Ta2O5，衬底厚度为150μm，构成的吸波体的电磁波吸收率仿真结果图；
图6为本发明参数设置为上层结构为正四棱台第一内接圆直径为0μm，正四棱台第二内接圆直径为40μm，正四棱台高为100μm，下层结构材料为银，衬底厚度为0.1μm，构成的吸波体的电磁波吸收率仿真结果图；
图7为本发明参数设置为上层结构为正六棱台第一内接圆直径为8μm，正四棱台第二内接圆直径为38μm，正四棱台高为116μm，下层结构材料为 Ta2O5，衬底厚度为150μm，构成的吸波体的电磁波吸收率仿真结果图；
图8为本发明参数设置为上层结构为圆台顶面直径为0μm，圆台底面直径为40μm，圆台高为100μm，下层结构材料为Ta2O5，衬底厚度为145μm，构成的吸波体的电磁波吸收率仿真结果图；
图9为本发明的超材料宽带吸波体周期单元上层结构为20层正二十棱柱堆叠的结构示意图。
图10为本发明的超材料宽带吸波体周期单元上层结构为20层正二十棱柱堆叠，构成的吸波体的电磁波吸收率仿真结果图。
图11为本发明的超材料宽带吸波体周期单元上层结构为25层圆柱堆叠的结构示意图。
图12为本发明的超材料宽带吸波体周期单元上层结构为25层圆柱堆叠，构成的吸波体的电磁波吸收率仿真结果图。
图13为本发明的超材料宽带吸波体上层结构为正四棱台的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图1～附图13，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种超材料宽带吸波体周期单元，如图1～4所示，其中图 1，图2，图3和图4分别表示超材料宽带吸波体周期单元的正面视图，侧面视图，顶面视图以及立体图；所述超材料宽带吸波体周期单元包括上层结构 1和下层结构2；所述上层结构1采用介质材料Ta2O5(五氧化二钽)，所述下层结构2采用介质材料Ta2O5或金属材料，其中金属材料包括如金、银、铜、铝等。
其中，所述上层结构1的形状为正N棱台(N≥4，本实施例中，上层结构1采用正4棱台)。所述上层结构1的顶面具有一第一内接圆3，本实施例中，由于上层结构1为正四棱台，因此该第一内接圆3的直径与上层结构1 的顶面边长相同，将第一内接圆3的直径设置为a(0≤a≤12μm)，用于限制上层结构1的顶面大小。所述上层结构1的底面具有一第二内接圆4，同样，该第二内接圆4的直径与上层结构1的底面边长相同，将第二内接圆4的直径设置为b(35≤b≤50μm)，用于控制上层结构1的底面大小。进一步，上层结构1的高度设置为c(100≤c≤120μm)。
在本发明的其他优选实施例中，所述上层结构1的形状还可为圆台，此时，该上层结构1的顶面圆直径设置为a(0≤a≤12μm)，底面圆直径设置为b (35≤b≤50μm)，上层结构1的高度设置为c(100≤c≤120μm)。
其中，所述下层结构2为薄膜衬底，设置于上层结构1底部。当下层结构2与上层结构1使用的材料均为Ta2O5时，通过刻蚀过程，将一块Ta2O5晶圆的上半部分刻蚀成上层结构1(正N棱台或圆台)，下半部分无需刻蚀即构成下层结构2(薄膜衬底)，下层结构2(Ta2O5)的衬底厚度d设置范围为 135～200μm。
当下层结构2采用金属材料时(即与上层结构1(Ta2O5)采用不同材料)，需先通过沉积过程，构造下层结构2，之后在下层结构2的表面进一步沉积上层结构1(Ta2O5)，最后通过刻蚀过程对上层结构1进行形状构造(形成正N棱台或圆台)；其中，下层结构2(金属材料)的衬底厚度d大于该下层结构2所采用的金属材料的趋肤深度。
本发明中，所述超材料宽带吸波体周期单元的上层结构1的主要作用是阻抗匹配，下层结构2的主要作用是阻碍电磁波透射。
本发明还提供一种超材料宽带吸波体，其由上述记载的超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面周期排列组成。
具体的，如图13所示，本实施例中的一种超材料宽带吸波体，是由超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面无限周期排列组成。其中，所述超材料宽带吸波体周期单元上层结构1为正四棱台。图13a，图13b和图13c分别表示超材料宽带吸波体的主视图，俯视图以及左视图。
实施例1：
本实施例中的超材料宽带吸波体周期单元的上层结构1为正四棱台，材料采用Ta2O5，该正四棱台顶面的第一内接圆3的直径a为0μm(即顶部为锥形)，该正四棱台底面的第二内接圆4的直径b为50μm，正四棱台高c为 120μm。超材料宽带吸波体周期单元的下层结构2的材料采用Ta2O5，衬底厚度d为150μm。由上述所提到的周期单元构成的吸波体，其仿真结果如图5 所示，本实施例中的超材料宽带吸波体在0.7～100THz范围内对于电磁波的吸收大于90％，90％吸收频带的相对带宽为197.2％，太赫兹技术频带覆盖率为93.9％。
实施例2：
本实施例中的超材料宽带吸波体周期单元的上层结构1为正四棱台，材料采用Ta2O5，该正四棱台顶面的第一内接圆3的直径a为0μm(即顶部为锥形)，正四棱台底面的第二内接圆4的直径b为40μm，正四棱台高c为 100μm。超材料宽带吸波体周期单元的下层结构2的材料采用金属银，衬底厚度d为0.1μm。由上述所提到的周期单元构成的吸波体，其仿真结果如图6所示，本实施例中的超材料宽带吸波体在1.5～100THz范围内对于电磁波的吸收大于90％，90％吸收频带的相对带宽为194.4％，太赫兹技术频带覆盖率为86.7％。
实施例3：
本实施例中的超材料宽带吸波体周期单元的上层结构1为正六棱台，材料采用Ta2O5，该正六棱台顶面的第一内接圆3的直径a为8μm，正六棱台底面的第二内接圆4的直径b为38μm，正六棱台高c为116μm。超材料宽带吸波体周期单元的下层结构2的材料采用Ta2O5，衬底厚度d为150μm。由上述所提到的周期单元构成的吸波体，其仿真结果如图7所示，本实施例中的超材料宽带吸波体在0.95～100THz范围内对于电磁波的吸收大于90％， 90％吸收频带的相对带宽为196.2％，太赫兹技术频带覆盖率为91.4％。
实施例4：
本实施例中的超材料宽带吸波体周期单元的上层结构1为圆台，材料采用Ta2O5，该圆台顶面的圆直径a为0μm(即顶部为锥形)，该圆台底面的圆直径b为40μm，正四棱台高c为100μm。超材料宽带吸波体周期单元的下层结构2的材料采用Ta2O5，衬底厚度d为145μm。由上述所提到的周期单元构成的吸波体，其仿真结果如图8所示，本实施例中的超材料宽带吸波体在0.96～100THz范围内对于电磁波的吸收大于90％，90％吸收频带的相对带宽196.1％，太赫兹技术频带覆盖率91.3％。
本发明还提供一种堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，如图9所示，包括上层结构1和下层结构2；其中，该上层结构1是由至少20个形状相似的上层模块11堆叠形成的，且每个上层模块11的形状均为正N棱柱(N≥4，本实施例中，上层模块11均采用正20棱柱)；该上层结构1的最顶层上层模块11具有一第一内接圆，将第一内接圆的直径设置为a(0≤a≤12μm)，用于限制上层结构1的顶面大小；所述上层结构1的最底层上层模块11具有一第二内接圆，将第二内接圆的直径设置为b(35≤b≤50μm)，用于控制上层结构 1的底面大小。进一步，上层结构1的堆叠高度设置为c(100≤c≤120μm)。由下向上第i(20≤i≤M-1)层上层模块11(棱柱)的内接圆直径为b-i×(b-a)/M，高度为c/M，M为堆叠总层数。
在本发明的其他优选实施例中，堆叠形成上层结构1的各个上层模块11 的形状还可为圆柱；此时，该上层结构1的最顶层上层模块11的圆直径设置为a(0≤a≤12μm)，上层结构1的最底层上层模块11的圆直径设置为b (35≤b≤50μm)，上层结构1的堆叠高度设置为c(100≤c≤120μm)。
所述下层结构2同样为薄膜衬底，设置于上层结构1底部，若下层结构 2采用介质材料Ta2O5，其衬底厚度d的设置范围为135～200μm，若下层结构 2采用金、银、铜、铝等的金属材料，其衬底厚度d大于该下层结构2所采用的金属材料的趋肤深度。
本发明还提供一种超材料宽带吸波体，其由上述所记载的堆叠式超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面周期排列组成。
具体的，本实施例中的一种超材料宽带吸波体，是由堆叠式超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面无限周期排列组成。其中，所述堆叠式超材料宽带吸波体周期单元的上层结构1为由20层正二十棱柱堆叠形成。
实施例5：
本实例中的堆叠式超材料宽带吸波体周期单元上层结构1是由20层正二十棱柱的上层模块11堆叠形成，所有上层模块11的材料均采用Ta2O5，三维示意图如图9所示，最上层正二十棱柱的内接圆的直径a为12μm，最底层正二十棱柱的内接圆的直径b为44μm，整个上层结构1的堆叠厚度c为 108μm。由下向上第i(20≤i≤M-1)层棱柱的内接圆是直径为b-i×(b-a)/M，高度为c/M，M为堆叠总层数。堆叠式超材料宽带吸波体周期单元的下层结构2的材料采用Ta2O5，衬底厚度d为154μm。由上述所提到的周期单元构成的吸波体，其仿真结果如图10所示，本实施例中的堆叠式超材料宽带吸波体在0.93～100THz范围内对于电磁波的吸收大于90％，90％吸收频带的相对带宽196.3％，太赫兹技术频带覆盖率91.6％。
实施例6：
本实例中的堆叠式超材料宽带吸波体周期单元上层结构1是由25层圆柱的上层模块11堆叠形成，所有上层模块11的材料均采用Ta2O5，三维示意图如图11所示，最上层圆柱的圆面直径a为10μm，最底层圆柱的圆面直径 b为36μm，整个上层结构1的堆叠厚度c为120μm。由下向上第i(20≤i≤M-1) 层圆柱的圆面直径为b-i×(b-a)/M，高度为c/M，M为堆叠总层数。堆叠式超材料宽带吸波体周期单元的下层结构2的材料采用Ta2O5，衬底厚度d为 135μm。由上述所提到的周期单元构成的吸波体，其仿真结果如图12所示，本实施例中的堆叠式超材料宽带吸波体在0.95～100THz范围内对于电磁波的吸收大于90％，90％吸收频带的相对带宽196.2％，太赫兹技术频带覆盖率 91.4％。
综上所述，与现有超材料吸波体相比，本发明所提供的一种超材料宽带吸波体，具有制作成本低、对太赫兹技术频域的覆盖率高以及能够实现中远红外超宽带吸收等优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述周期单元包含上层结构(1)和下层结构(2)；
所述上层结构(1)的形状为正N棱台，N≥4；所述上层结构(1)的顶面具有一第一内接圆(3)，所述第一内接圆(3)的直径范围为0～12μm；所述上层结构(1)的底面具有一第二内接圆(4)，所述第二内接圆(4)的直径范围为35～50μm；
或，所述上层结构(1)的形状为圆台，所述上层结构(1)的顶面直径范围为0～12μm，底面直径范围为35～50μm；
所述下层结构(2)为薄膜衬底，设置于上层结构(1)底部。
2.如权利要求1所述的超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述上层结构(1)高度范围为100～120μm。
3.如权利要求1所述的超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述上层结构(1)的材料为介质材料Ta2O5。
4.如权利要求1所述的超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述下层结构(2)的材料为介质材料Ta2O5，下层结构(2)的衬底厚度范围为135～200μm；或所述下层结构(2)的材料为金属材料，下层结构(2)的衬底厚度大于所采用的金属材料的趋肤深度。
5.一种超材料宽带吸波体，其特征在于，所述吸波体是由如权利要求1～4中任一项所述的同一超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面周期排列组成。
6.一种堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述周期单元包含上层结构(1)和下层结构(2)；
所述上层结构(1)由至少20个形状相似的上层模块(11)堆叠形成；
每个所述上层模块(11)的形状为正N棱柱，N≥4，该上层结构(1)的最顶层上层模块(11)具有一第一内接圆，所述第一内接圆的直径范围为0～12μm；该上层结构(1)的最底层上层模块(11)具有一第二内接圆，第二内接圆的直径范围为35～50μm；
或，每个所述上层模块(11)的形状为圆柱，该上层结构(1)的最顶层上层模块(11)的底面直径范围为0～12μm，该上层结构(1)的最底层上层模块(11)的底面直径范围为35～50μm；
所述下层结构(2)为薄膜衬底，设置于上层结构(1)底部。
7.如权利要求6所述的堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述上层结构(1)的堆叠高度范围为100～120μm；
当上层模块(11)为正N棱柱时，由下向上第i层的棱柱内接圆直径为b-i×(b-a)/M，高度为c/M，其中，20≤i≤M-1；M为堆叠总层数；b为最底层上层模块(11)的第二内接圆直径；a为最顶层上层模块(11)的第一内接圆直径；c为上层结构(1)的堆叠高度；
当上层模块(11)为圆柱时，由下向上第i层的圆柱直径为b-i×(b-a)/M，高度为c/M，其中，20≤i≤M-1；M为堆叠总层数；b为最底层上层模块(11)的圆直径；a为最顶层上层模块(11)的圆直径；c为上层结构(1)的堆叠高度。
8.如权利要求6所述的堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述上层结构(1)的材料为介质材料Ta2O5。
9.如权利要求6所述的堆叠式超材料宽带吸波体周期单元，其特征在于，所述下层结构(2)的材料为介质材料Ta2O5，下层结构(2)的衬底厚度范围为135～200μm；或所述下层结构(2)的材料为金属材料，下层结构(2)的衬底厚度大于所采用的金属材料的趋肤深度。
10.一种超材料宽带吸波体，其特征在于，所述吸波体是由如权利要求6～9中任一项所述的同一堆叠式超材料宽带吸波体周期单元在x-y平面周期排列组成。
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