CN114200559B - 超宽带可见光与近红外超材料吸波体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带可见光与近红外超材料吸波体，该吸波体是基于金属层、半导体层和电介质层的叠层型结构，结构单元中三层的材料从下到上依次是钨、磷化铟和二氧化硅，所述各层的外形都是长宽相等的正方柱型，其中磷化铟层和二氧化硅层具有相同的边长，并小于钨层的边长，且各层中心在竖直方向上对齐。本发明所述的超宽带超材料吸波体在400～1600nm的波长范围内呈现出超过85％的宽带吸收，平均吸收率达到了97.2％，同时具有极化无关性能与入射角不敏感性能。

Description

超宽带可见光与近红外超材料吸波体

技术领域

本发明涉及电磁波吸波体领域，尤其涉及一种工作于400~1600nm波长范围的三叠层结构的超宽带超材料吸波体。

背景技术

通常，我们把电磁波谱中波长为400~760nm的部分称为可见光，这也是整个电磁波谱中能被人眼所感知的部分，可见光的存在，不仅能让我们能够直接感知，记录这个世界的信息，同时由于短波长高频率的特点，也成为了能够传递大量信息的有效媒介。而近红外波段则指的是波长介于可见光以及中红外之间的电磁波，也是红外线中波长最短，频率最高的部分，通常定义其波长范围位于780~2528nm，也是人们最早发现的非可见光区域，其主要应用于化学分析方面，近红外光谱能够捕捉物质中化学键的信息并将其进行反映，可以清晰的确定物质的组成结构与含量，在生物医药，环境监测，石油化工，食品工业等领域发挥着重要的作用。可见光与近红外波段也是太阳波长范围中辐射功率量最高的部分，占到了总辐射量的95%，此外，400~1600nm波长范围的电磁波，不仅在太阳能光谱中占据着大部分的能量，同时也是大多数的光纤通信以及光学探测器所使用的波长范围，因此对于这一波段范围的高效率收集、控制与调控，不仅更有利于拓宽其在工业和科研领域的应用范围，对于环境保护和能源合理利用也具有重要的作用。

超材料（metamaterial）是一种具有天然材料所不具备的物理特性的人工材料，其主要是通过材料的复合以及在已知材料的表面或内部构建微型结构的方式，在某一物理场下实现人为设定的特殊功能，并通过这种材料的拓展形式来对传统材料无法实现的功能进行补充，自诞生以来，超材料在光学、声学、机械、电磁等领域有着广泛的应用，同时这种材料组合方式的存在也为搭建新型材料提供了一种新的方式和思想。基于超材料的电磁波/光波吸波体，是超材料在电磁学和光学领域应用的一个重要体现。其主要是通过设计加工与制造周期性的微结构，从而对电磁波的传播方式进行有效的调控，使传播中的电磁能转化为热能，化学能等其他形式的能量，与传统的吸波材料相比，不仅具有更薄的厚度，还具有更强的适应性以及角度特性，可以充分的应用于电磁隐身与屏蔽、雷达天线、传感成像、光热转化应用领域当中。同时，随着微纳加工的发展以及太阳能的广泛应用，电磁超材料的研究正在逐渐地向着高频率小尺度的方向发展，工作于红外以及光波段，并且对这一范围内的电磁波能够实现有效操纵的超材料吸波体也具有广泛的发展潜力和应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的超宽带可见光以及近红外波段的超材料吸波体，对于400~1600nm波段的电磁波具有超宽带的响应能力和吸收性能，兼具入射角和极化角不敏感的特性，在较大的入射和偏振角下依然能够保持良好的工作状态。同时该超材料吸波体本身的厚度小于人眼所能辨别的几何尺度，也拥有更加简单的材料组合方式，使其更加易于制造。可以充分利用于光热转化、探测、传感等应用领域当中。

为实现上述目的，本发明为实现上述发明目的提供以下技术方案：

本发明所提出的超宽带可见光与近红外超材料吸波体，整体是由竖直方向上的三层材料堆叠形成。

进一步地，上述结构由底部的金属基板、中部的半导体层以及顶部的电介质层组成，所述的金属层、半导体层和介质层均是长宽相同的正方柱型，且半导体层和电介质层具有相同的边长，均小于金属基板的边长。

进一步地，上述金属基板的材料为钨，半导体层的材料为磷化铟，电介质层的材料为二氧化硅。

进一步地，上述金属基板层的边长（结构周期）为400nm，厚度为400nm；磷化铟层边长为280nm，厚度为130nm；二氧化硅层的边长为280nm，厚度为90nm。

进一步的，上述二氧化硅层和磷化铟层的结构中心均在竖直方向上与金属基板的中心对齐。

进一步的，上述超宽带光波与近红外超材料吸波体是由上述的三层堆叠结构在二维平面上进行双向周期性排列组合而成。

本发明的有益效果：

本发明所述的超宽带光波与近红外超材料吸波体在400~1600nm的波长范围内具有宽带吸收的能力，在该波段范围内均具有超过85%的吸收率，同时，该吸波体在400~1400nm的波长范围内均具有超过95%的吸收能力。

本发明具有较高的平均吸收率，在400~1600nm波长范围内平均吸收率达到97.2%。

本发明仅有五个尺寸参数，结构构成十分简洁，顶部两层相同的边长的立方体有利于简化样品的加工制备的工艺与步骤，具有良好的工艺性。

本发明具有几乎完全的极化无关特性，吸收基本不会随着极化角变化。

本发明在横电（TE）和横磁（TM）的模式下均具有较高的吸收率，具备广角吸收能力，在59度入射角下，TE斜入射模式具有89.8%的平均吸收率， TM模式为92.3%。

附图说明

图1是本发明的单元结构和材料组成示意图。

图2是本发明的单元结构的主视图，并标明了尺寸。

图3是本发明的周期排列示意图。

图4是本发明在400~1600nm波段的吸收光谱。

图5是本发明在0~90°极化角下的极化响应光谱。

图6是本发明在TE模式下0~59°斜入射响应光谱。

图7是本发明在TM模式下0~59°斜入射响应光谱。

图8是本发明在TE斜入射模式下平均吸收率随入射角的变化曲线。

图9是本发明在TM斜入射模式下平均吸收率随入射角的变化曲线。

图10是本发明中金属基板层的边长（结构周期）在300~600nm范围内对吸收性能产生的影响。

图11是本发明中顶层和中层的边长在230~370nm范围内对吸收性能产生的影响。

图12是本发明中磷化铟层的厚度在90~170nm范围内对吸收性能产生的影响。

图13是本发明中二氧化硅层的厚度在50~130nm范围内对吸收性能产生的影响。

具体实施方式

下面结合图和对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明涉及一种超宽带可见光与近红外超材料吸波体，结果结构如图1所示，吸收器的单元结构由底部的钨层3（金属），中部的磷化铟层2（半导体）和顶部的二氧化硅层1（电介质）构成，三层结构均是长宽相等的正方柱型，且各个层的中心点在竖直方向上重合，单元整体呈现出纵向的堆叠结构，如图1所示。

所述钨层3的边长为400nm，厚度为400nm；磷化铟层2的边长为280nm，厚度为130nm；二氧化硅层1的边长为280nm，厚度为90nm，如图2所示。

所述宽波段可见光和近红外超材料吸波体由上述叠层结构在水平方向上进行双向周期性排列组合而成，如图3所示。

仿真计算：

采用光学仿真软件Lumerical FDTD Solution进行仿真运算，这一运算工具主要采用的是时域有限积分算法，通过直接求解麦克斯韦方程来计算材料和结构的散射特性。将两个周期排列的方向定义为x方向和y方向，平面波垂直于结构平面入射，平面波中的电场方向与x轴平行，磁场方向与y轴平行。

根据基尔霍夫定律，吸收率A(ω)、反射率R(ω)和透射率T(ω)之间的关系为A(ω)=1-R(ω)-T(ω)，对于本发明所述超材料吸波体，由于底部金属钨的厚度远大于工作波长（400~1600nm）下该材料的趋肤深度，因此透射率基本为0，仅通过计算反射率来计算吸收率，即A(ω)=1-R(ω)。将功率监视器放置于光源上方，用于捕捉平面波经过所述吸波体发射后电磁能量，从而得到反射率进而计算吸收率的数值。

本发明所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体的吸收光谱如图4所示，该吸波体在400~1600nm的波长范围内，所有的波长点吸收率均高于85%，其中400~1400nm范围内的波长点的吸收率均在95%以上，同时该波段范围内的平均吸收率达到了97.2%，具有较高的吸收能力。

本发明所述的超材料吸波体在0~90°极化角下的极化响应光谱如图5所示，吸收光谱几乎不随着极化角的转换而变化，因此该结构在、具有很好的极化无关性能，这是由于在xoy平面内，该吸波体具有四条对称轴，入射平面波沿各个方向发生作用都相同。

本发明所述的超材料吸波体在横电（TE）和横磁（TM）斜入射模式下的响应光谱如图6和图7所示，两种模式下斜入射平均吸收率随入射角的变化如图8和图9所示。

在TE斜入射模式下，随着入射角的增加，吸收率并没有发生较大的下降，仅在900nm波长附近降低较为明显，但最低吸收率也未低于75%；对于TE模式下的平均吸收率，入射角达到45°时，整个结构在工作范围内有超过95%的平均吸收率，59°时的平均吸收率为89.8%。

在TM斜入射模式下，与TE模式类似，吸收率也并未随着入射角产生较为明显的下降，所有角度下所有频点的吸收率也均高于75%，但是在频段内出现了吸收率跃变的现象，且随着入射角的增加该跃变点的波长逐渐增加。当入射角达到45°时，平均吸收率依然超过了95%，59°时的平均吸收率为92.4%。

三组结果综合反映出该吸收器具有良好的角度特性，可应用于复杂角度入射场景下的吸波应用。

本发明所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体的各个几何参数对于吸收的影响如图10~13所示，四幅图分别表示结构周期（钨层边长）、二氧化硅层边长（磷化铟层边长）、磷化铟层厚度以及二氧化硅层厚度的变化对400~1600nm波长范围平面波的吸收响应光谱（由于钨层的防透射作用，不能降低其厚度，且增加其厚度对于吸收影响较小，因此不将钨层厚度作为所讨论的尺寸参数）。

在所计算的范围内，结构周期的变化对于吸收的影响较大，当周期过大或过小时，均会在吸收频段内导致吸收率的整体下降并出现较为明显的低吸收点，但是当结构周期为350~400nm时，整体吸收率没有明显的变化。上面两层边长的变化对于吸收率的影响也比较大，当该尺寸过大或过小时，会在900nm以上的波长范围内出现较为明显的吸收率下降。而磷化铟层和二氧化硅层的厚度，在计算的尺寸参数变化范围内对吸收的影响较小，因此，这两个尺寸参数可以较为灵活的调整。

本发明是基于平面波与金属，半导体以及电介质的相互作用来消耗能量并产生吸收的，宽带吸收具体是由结构内产生的表面等离激元共振、腔共振、偶极谐振以及伍德异常等形成。

对于本发明的样品制备，可以选用硅作为衬底材料，对硅片进行化学机械抛光（CMP），来保证衬底的面形精度和表面质量；然后通过化学气相沉积（CVD）中的金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺沉积厚度为400nm的金属钨；再通过MOCVD在钨层上沉积约130nm厚的磷化铟层；再通过物理气相沉积（PVD）中的电子束蒸发沉积工艺沉积厚度约为90nm的二氧化硅薄膜。

薄膜叠层结构沉积组合之后，可通过图形加工技术在中层和顶层构建微结构。首先在样品表面旋转涂覆一层光刻胶；进行前烘之后，通过激光干涉光刻工艺进行曝光；曝光完成后，进行后烘；再将曝光部分的光刻胶溶解清除，通过反应离子刻蚀技术，分别刻蚀掉二氧化硅层和磷化铟层中没有被光刻胶保护的部分；最后去除光刻胶，即可完成样品制备。

综上，本发明通过简单的三层堆叠结构，在400~1600nm的波长范围实现了超宽带的吸收能力，并获得了97.2%的平均吸收率。本发明具有很好的偏振角不敏感特性，在TE和TM斜入射模式下均表现出了较好的广角吸收效果。作为一款超材料吸波体，本发明的单元结构十分简洁，仅由三种材料构成，且中层和顶层具有相同的边长，因此非常适合于加工制备与应用，可充分地应用于光热转化、探测、传感等领域当中。

以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超宽带可见光与近红外超材料吸波体，其特征在于：

（1）超材料的单元结构由三层构成，分别为底部的钨层，中部的磷化铟层和顶部的二氧化硅层，三层结构均为长宽相同的正方柱型，二氧化硅层和磷化铟层具有相同的边长，均小于钨层的边长，所述的超材料吸波体是由该单元结构在水平面内两个方向周期性排列形成；所述钨层的边长为400nm，厚度为400nm；磷化铟层的边长为280nm，厚度为130nm；二氧化硅层的边长为280nm，厚度为90nm；

（2）具有光波段和部分近红外波段的超宽带吸收；

（3）具有偏振无关特性以及较好的广角吸收能力，能够良好地适应复杂角度入射的场景；

（4）具有极为简洁的外形，结构仅有四个可调整的尺寸参数，中层和顶层相同的边长十分有利于加工与制备；各个结构尺寸对于吸收性能影响不同；其中结构周期以及中上层边长对于吸收有较为明显的影响，这两个参数过大或过小均会导致吸收性能的明显下降；而磷化铟和二氧化硅的厚度的变化对于吸收产生的影响较小。

2.根据权利要求1所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体，其特征在于：在400~1600nm的工作波段内所有的波长点均具有超过85%的吸收率，同时平均吸收率达到了97.2%，具有较好的吸收能力。

3.根据权利要求1所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体，其特征在于：由于单元在入射方向上具有四个对称轴，因此偏振角几乎不对其吸收光谱产生影响；同时在横电TE和横磁TM斜入射模式下，入射角的增加均未使吸收率产生明显的下降，59°时两种模式的平均吸收率分别为89.8%和92.4%，具有较好的入射不敏感性能，良好的偏振和入射特性使其能够更好的适应复杂入射场景。

4.根据权利要求1所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体，其特征在于：工作频段内的吸收能力主要由平面波照射下结构中出现的表面等离激元共振、腔共振、偶极谐振现象所形成。

5.根据权利要求1所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体，其特征在于：可通过化学机械抛光、物理气相沉积、化学气相沉积、激光干涉光刻以及反应离子刻蚀技术进行样品制备。

6.根据权利要求1所述的超宽带可见光与近红外超材料吸波体，其特征在于：该吸波体应用于光热转化、探测、传感领域当中。