CN115084813A - 亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法及系统，包括如下步骤：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变；在TM偏振下(E_x,H_y,k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向；使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态；调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)‑α(θ)|的大小进行调控。本发明通过设计多层波长位置从底层到顶层逐层梯度红移的磁性介电常数近零材料，使得ENZ波段覆盖宽波段，在外加磁场条件下实现了宽谱非互易热发射和吸收。

Description

亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法及系统

技术领域

本发明涉及非互易设备技术领域，具体地，涉及亚波长尺寸宽谱非互易发射/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、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，认为在热平衡条件下，对于给定波长和角度，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，比如对于辐射制冷器件，其在向外界辐射多少比例的能量，其也从周围环境吸收相同比例的能量，从而存在固有的能量损失。因此，研究如何打破热辐射的基尔霍夫定律，实现非互易发射和吸收光谱的调控，对于进一步完善微纳热辐射理论，设计新型非互易性发射/吸收器件具有重要的理论和应用价值。

但目前非互易热发射/吸收器的设计多基于光栅结构激发非对称的表面波，从而仅能在某个特定的窄波段才能打破吸收和发射的平衡关系，且该方法要求有较大的入射倾角，难以实现宽角度范围内的非互易性；同时为了实现高的发射或吸收特性，结构的厚度通常很大，增加了加工成本和器件集成的难度。此外，目前尚没有实现宽波段宽角度范围内非互易发射/吸收的器件设计。宽谱非互易热发射/吸收器件的设计对于突破现有的辐射制冷功率，提高太阳能电池的整体效率都具有重要的应用价值。

公开号为CN112352346A专利文献公开了一种包含波的非对称相位传输的非互易装置，包括：非互易传输结构，其中所述传输结构被设计使得对于沿向前方向穿过所述传输结构的第一波而言，所述第一波的相位至少部分地守恒，并且对于沿向后方向穿过所述传输结构的第二波而言，所述第二波的相位至少部分地被随机相位替代，使得在向前方向上的相位守恒比在向后方向上的更明显。但是该专利文献仍然存在仅能在某个特定的窄波段才能打破吸收和发射的平衡关系的缺陷。

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亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法及系统。

根据本发明提供的一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，包括如下步骤：

步骤1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；

步骤2：设计多层磁性介电常数近零材料，使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；

步骤3：在TM偏振下(E_x，H_y，k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向，其中，E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z表示入射方向沿z方向；

步骤4：调节外加磁场B大小，使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，其中θ为入射角度；

步骤5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小进行调控，使其满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

优选的，所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：使吸收层的磁性介电常数近零材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤1.2：使得高反射材料基底层满足在相应工作波段透射率为0。

优选的，所述步骤1.1中，使t_i＜＜λ_ENZ，λ_ENZ为磁性介电常数近零材料层的波长。

优选的，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1：多层磁性介电常数近零材料的波长满足从底层到顶层逐层红移，上层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长大于下层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层磁性介电常数近零材料的波长的位置和层数，使得在目标波段磁性介电常数近零材料的介电常数对角元|ε_xx|＜1。

优选的，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：使得外加磁场B存在时，B≠0，磁性介电常数近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xx，jε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位，

ε_xy为非对角元上的介电常数大小；

步骤3.2：通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料满足磁性介电常数近零材料的波长位置，使载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减实现梯度渐变。

优选的，所述步骤3.1中，所述外加磁场B为外加直流磁场。

优选的，所述步骤3.2中，无外加磁场时，ε_xy＝0；外加磁场存在时，ε_xy＞0。

优选的，所述步骤3.2中，所述III-V半导体材料为InAs材料或InP材料。

本发明还提供一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造系统，包括如下模块：

模块M1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；

模块M2：设计多层磁性介电常数近零材料，使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；

模块M3：在TM偏振下(E_x，H_y，k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向，其中，E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z表示入射方向沿z方向；

模块M4：调节外加磁场B大小，使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，其中θ为入射角度；

模块M5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小进行调控，使其满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

优选的，所述模块M1具体包括如下模块：

模块M1.1：使吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

模块M1.2：使得高反射材料基底层满足在相应工作波段透射率为0；

所述模块M2具体包括如下模块：

模块M2.1：多层磁性介电常数近零材料的波长满足从底层到顶层逐层红移，上层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长大于下层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

模块M2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层磁性介电常数近零材料的波长的位置和层数，使得在目标波段磁性材料的介电常数对角元|ε_xx|＜1；

所述模块M3具体包括如下模块：

模块M3.1：使得外加磁场B存在时，B≠0，磁性介电常数近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xx，jε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位，

ε_xy为非对角元上的介电常数大小；

模块M3.2：通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料满足磁性介电常数近零材料的波长位置，使载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减实现梯度渐变。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设计多层磁性介电常数近零材料，并设计每一层近零波长位置从底层到顶层逐层梯度红移，使得ENZ波段覆盖宽波段，在外加磁场条件下首次实现了宽谱非互易热发射和吸收；

2、本发明通过设计多层梯度近零磁场材料，利用深亚波长磁性的近零材料在近零波长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，在较低的外加磁场、亚波长尺度实现了打破基尔霍夫定律的非互易性发射(吸收)特性；

3、本发明通过利用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为本发明的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法的步骤流程图；

图2为一实施案例中多层ENZ梯度渐变非互易热发射器结构示意图；

图3为一实施例中的不同载流子浓度的InAs材料(n_e1>n_e2>n_e3>n_e4)的介电常数ENZ位置变化示意图；

图4为一实施案例中外加磁场为1.5T时，三层近零材料层厚度为350nm，载流子浓度为n_e1→n_e2→n_e3(底层到顶层)时结构发射/吸收图谱对比对比结果图；

图5为一实施案例中外加磁性为1.5T时，三层近零材料层厚度为350nm，载流子浓度为n_e1→n_e2→n_e3(底层到顶层)时结构在60°角度下发射/吸收图谱对比结果图；

图6为一实施案例中三层近零材料层厚度为350nm，载流子浓度为n_e1→n_e2→n_e3(底层到顶层)时结构在24μm发射/吸收图谱在B＝1.5T和B＝0T的角分布对比图；

图7为一实施案例中外加磁性为1.5T时，三层近零材料层厚度为350nm，载流子浓度为n_e2→n_e3→n_e4(底层到顶层)时结构在60°角度下发射/吸收图谱对比结果图；

图8为一实施案例中外加磁场为1.5T时，三层近零材料层厚度为350nm，载流子浓度为n_e2→n_e3→n_e4(底层到顶层)时结构发射/吸收图谱对比对比结果图；

图9为一实施案例中三层近零材料层厚度为350nm，载流子浓度为n_e2→n_e3→n_e4(底层到顶层)时结构在25μm发射/吸收图谱在B＝1.5T和B＝0T的角分布对比图；

图10为一实施案例中多层ENZ梯度渐变非互易热发射器的层数随非互易光谱宽度的变化示意图(宽度定义为满足吸收比与发射率差值大于0.3的光谱范围)；

图11为一实施案例中10层ENZ波长梯度渐变非互易热发射器的发射/吸收图谱对比图。

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。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，包括如下步骤：

步骤1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：使吸收层的磁性介电常数近零材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤1.2：使得高反射材料基底层满足在相应工作波段透射率为0；

使t_i＜＜λ_ENZ，λ_ENZ为磁性介电常数近零材料层的波长。

步骤2：设计多层磁性介电常数近零材料，使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1：多层磁性介电常数近零材料的波长满足从底层到顶层逐层红移，上层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长大于下层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层磁性介电常数近零材料的波长的位置和层数，使得在目标波段磁性介电常数近零材料的介电常数对角元|ε_xx|≤1。

步骤3：在TM偏振下(E_x，H_y，k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向，其中，E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z表示入射方向沿z方向；步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：使得外加磁场B存在时，B≠0，磁性介电常数近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xx，jε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位，

ε_xy为非对角元上的介电常数大小；

步骤3.2：通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料满足磁性介电常数近零材料的波长位置，使载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减实现梯度渐变；

外加磁场B为外加直流磁场；无外加磁场时，ε_xy＝0；外加磁场存在时，ε_xy＞0；III-V半导体材料为InAs材料或InP材料。

步骤4：调节外加磁场B大小，使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，其中θ为入射角度。

步骤5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小进行调控，使其满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

实施例2：

本实施例提供一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造系统，包括如下模块：

模块M1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；模块M1具体包括如下模块：

模块M1.1：使吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

模块M1.2：使得高反射材料基底层满足在相应工作波段透射率为0。

模块M2：设计多层磁性介电常数近零材料，使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；模块M2具体包括如下模块：

模块M2.1：多层磁性介电常数近零材料的波长满足从底层到顶层逐层红移，上层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长大于下层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

模块M2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层磁性介电常数近零材料的波长的位置和层数，使得在目标波段磁性材料的介电常数对角元|ε_xx|＜1。

模块M3：在TM偏振下(E_x，H_y，k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向，其中，E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z表示入射方向沿z方向；模块M3具体包括如下模块：

模块M3.1：使得外加磁场B存在时，B≠0，磁性介电常数近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xx，jε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位，

ε_xy为非对角元上的介电常数大小；

模块M3.2：通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料满足磁性介电常数近零材料的波长位置，使载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减实现梯度渐变。

模块M4：调节外加磁场B大小，使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，其中θ为入射角度。

模块M5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小进行调控，使其满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

实施例3：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

本实施例提供一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，包括如下步骤：

步骤S1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底；

步骤S2：设计多层磁性介电常数近零(epsilon-near-zero，ENZ)材料，使得ENZ波长位置从底层(i＝1，λ₁)到顶层(i＝N，λ_N)梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；

步骤S3：在TM偏振下(E_x，H_y，k_z)，其中E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z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大小可以激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，从而实现在宽波段打破热辐射的基尔霍夫定律；

步骤S5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和ENZ波长的位置，可以对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小主动调控，以满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

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ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构(t_i＜＜2_ENZ，2_ENZ为ENZ波长)；

步骤S1.2：使得高反射基底层满足在相应工作波段透射率为0。

步骤S2包括：

步骤S2.1：多层磁性介电常数近零材料的ENZ波长(ε_xx→0)满足从底层到顶层逐层红移，即上层磁性薄膜的ENZ波长大于下层磁性薄膜的ENZ波长，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤S2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层ENZ波长的位置和层数，使得在目标波段材料的介电常数对角元|ε_xx|＜1。

步骤S3包括：

步骤S3.1：外加磁场存在时B≠0，B为外加直流磁场，磁性的近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xxjε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位

ε_xy为非对角元上的介电常数大小，无外加磁场时ε_xy＝0，外加磁场存在时ε_xy＞0；

步骤S3.2：优选地，满足ε_xx→0的材料的ENZ波长的位置可以通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料如InAs，InP。载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减即可实现梯度渐变。

实施例4：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

本实施例提供一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，包括：

步骤S1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底；

步骤S2：设计多层磁性介电常数近零材料的载流子浓度大小，并使载流子浓度n_i(i＝1→N)从底层(i＝1)到顶层(i＝N)逐层递减，每层的厚度为t_i；

步骤S3，设计基底层材料载流子浓度n_s，使其远大于第一层磁性材料的载流子浓度n₁＜n_s；

步骤S4：在TM偏振下(E_x，H_y，k_z)，外加直流磁场B条件下，外加磁场沿z方向；

步骤S5：调节外加磁场B大小和各层的载流子浓度大小及厚度。

图2是本实施例所设计的亚波长尺度非互易热发射/吸收器的结构示意图，基底由高载流子浓度的InAs基片，基底上为具有渐变载流子浓度的磁性InAs薄膜，InAs材料的介电常数为张量ε_InAs＝[ε_xx，iε_xy，0；-iε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中，非对角元和对角元可由如下公式得到：

ε_zz＝ε_∞-ω_p/(ω(ω+iΓ))，

式子中，ω为角频率，ε∞＝12.37，

ε₀为真空中的介电常数，n_e为载流子浓度，ω_c＝eB/m^*，e为单位电荷数，B为外加磁场大小，m^*为等效质量，Γ＝e/(m^*μ)，其中μ为电子迁移率。对于InAs基底，其载流子浓度可为n_e，s＝1.6×10¹⁸cm^-3(μ_s＝7890VS/cm²)，因此在20～30μm具有高反射率。基底上ENZ波长梯度渐变的InAs薄膜材料的载流子浓度可为如图3所示的数量级(～10¹⁷cm^-3)，随着载流子浓度的减小，相应的ENZ波长逐渐红移，从而使ENZ波段

能够覆盖宽谱范围，

表示磁性介电常数近零材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部。

实施例5：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

外加磁场存在时，各层InAs材料的非对角元不为0，同一入射角度下，吸收比与发射率不再相等。图4为由三层渐变载流子浓度InAs薄膜组成的结构在B＝1.5T下角度分辨的发射率(右)和吸收率(左)对比图。每一层InAs薄膜的厚度均为350nm，底层到顶层的载流子浓度分别为n_e1＝8×10¹⁷cm^-3，n_e2＝7.5×10¹⁷cm^-3，n_e3＝7×10¹⁷cm^-3。对于具体的实施案例，在宽波段宽角度范围内，该结构均有高发发射率，但吸收率几乎为0。图5为该结构在60°条件下的发射图谱(实线)和吸收图谱(点虚线)的对比，非互易特性在宽波段内均能实现，满足吸收率与发射率差值大于0.3(|e(λ，60°)-α(λ，60°)|≥0.3)的非互易光谱的宽度可达Δ＝2.83μm。图6为该结构在24μm时的辐射角分布，在外加磁场存在时辐射能量几乎完全集中在正角度范围，辐射对称性被打破。

实施例6：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

根据本发明所提出的设计原则，改变载流子浓度的组合，可以任意调控宽谱非互易性的宽度和位置。图7为由三层渐变载流子浓度InAs薄膜组成的结构在B＝1.5T下角度分辨的发射率(右)和吸收率(左)对比图。每一层InAs薄膜的厚度均为350nm，底层到顶层的载流子浓度分别为n_e2＝7.5×10¹⁷cm^-3，n_e3＝7×10¹⁷cm^-3，n_e4＝6.5×10¹⁷cm^-3。相似地，在宽波段宽角度范围内，该结构均有高发发射率，但吸收率几乎为0。不同地是，因为载流子浓度的差异，非互易光谱的位置随着ENZ波段的改变蓝移。图8为该结构在60°条件下的发射图谱(实线)和吸收图谱(点虚线)的对比，非互易特性在宽波段内均能实现，满足吸收率与发射率差值大于0.3(|e(λ，60°)-α(λ，60°)|≥0.3)的非互易光谱的宽度可达Δ＝2.73μm。图9为该结构在25μm时的辐射角分布，在外加磁场存在时辐射能量几乎完全集中在正角度范围，辐射对称性被打破。

实施例7：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

根据本发明所提出的设计原则，增加磁性ENZ层的厚度，同时设计每层的载流子浓度大小满足本发明所提出的梯度渐变的原理，也能实现更宽谱段的非互易热发射。图10给出了非互易光谱的宽度与磁性薄膜层数的关系。最底层InAs薄膜的载流子浓度为n_e0＝8.5×10¹⁷cm^-3，每增加一层载流子浓度减小0.5×10¹⁷cm^-3。图11给出了层数为10的多层结构的非互易光谱对比，满足吸收率与发射率差值大于0.3(|e(λ，60°)-α(λ，60°)|≥0.3)的非互易光谱的宽度可达Δλ＝12.8μm。

需要说明的是本说明书中采用的磁性ENZ材料不限于本发明所示例的材料，其他磁性的具有ENZ特性的材料如InP等III-V族半导体均能实现本发明的技术要求。

本发明通过设计多层磁性介电常数近零材料，并设计每一层近零波长位置从底层到顶层逐层梯度红移，使得ENZ波段覆盖宽波段，在外加磁场条件下首次实现了宽谱非互易热发射和吸收。对于其中的具体的实施案例：基底为高载流子浓度的InAs基片，多层结构由三层低载流子浓度的InAs薄膜组成，载流子浓度从底层到顶层梯度递减，三层InAs薄膜的厚度均为350nm，在外加磁场为1.5T时，满足吸收比与发射率的差值大于0.3的波长范围大于2.83um，当进一步考虑更多层梯度渐变的InAs多层结构，非互易光谱的宽度可进一步扩宽，如当有10层梯度InAs薄膜时，满足吸收比与发射率的差值大于0.3的波长范围可达到12.8um，可实现对非互易光谱的位置和宽谱的主动设计。

本发明通过设计多层梯度近零磁场材料，利用深亚波长磁性的近零材料在近零波长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，在较低的外加磁场、亚波长尺度实现了打破基尔霍夫定律的非互易性发射(吸收)特性。对于其中具有的实施案例：由3层InAs薄膜组成宽谱非互易热发射器的吸收层厚度为1.05μm，由10层InAs薄膜组成的宽谱非互易发射器的吸收层厚度为3.5μm，均远小于工作波长，显著降低了结构尺度。

本发明通过利用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。

本发明通过设计多层波长位置从底层到顶层逐层梯度红移的磁性介电常数近零材料，使得ENZ波段覆盖宽波段，在外加磁场条件下实现了宽谱非互易热发射和吸收。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

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)

1.一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；

步骤2：设计多层磁性介电常数近零材料，使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；

步骤3：在TM偏振下(E_x,H_y,k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向，其中，E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z表示入射方向沿z方向；

步骤4：调节外加磁场B大小，使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，其中θ为入射角度；

步骤5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小进行调控，使其满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

2.根据权利要求1所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：使吸收层的磁性介电常数近零材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤1.2：使得高反射材料基底层满足在相应工作波段透射率为0。

3.根据权利要求2所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤1.1中，使t_i＜＜λ_ENZ，λ_ENZ为磁性介电常数近零材料层的波长。

4.根据权利要求1所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1：多层磁性介电常数近零材料的波长满足从底层到顶层逐层红移，上层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长大于下层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长,几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

步骤2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层磁性介电常数近零材料的波长的位置和层数，使得在目标波段磁性介电常数近零材料的介电常数对角元|ε_xx|<1。

5.根据权利要求1所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：使得外加磁场B存在时,B≠0，磁性介电常数近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xx，jε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位，

ε_xy为非对角元上的介电常数大小；

步骤3.2：通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料满足磁性介电常数近零材料的波长位置，使载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减实现梯度渐变。

6.根据权利要求5所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤3.1中，所述外加磁场B为外加直流磁场。

7.根据权利要求5所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤3.2中，无外加磁场时，ε_xy＝0；外加磁场存在时，ε_xy>0。

8.根据权利要求5所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造方法，其特征在于，所述步骤3.2中，所述III-V半导体材料为InAs材料或InP材料。

9.一种亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造系统，其特征在于，包括如下模块：

模块M1：选择多层磁性介电常数近零材料作为吸收层，选择相应波段的高反射材料作为基底层；

模块M2：设计多层磁性介电常数近零材料，使多层磁性介电常数近零材料的波长位置从底层到顶层梯度渐变，每层的厚度为t_i，其中i表示第i层；

模块M3：在TM偏振下(E_x,H_y,k_z)，外加磁场B，外加磁场B沿z方向，其中，E_x表示入射电磁波的电场沿坐标轴的x方向，H_y表示入射磁场沿y方向，k_z表示入射方向沿z方向；

模块M4：调节外加磁场B大小，使外加磁场B能够激发出宽谱的非对称的Berreman模态，使得在宽谱段和宽角度范围内，所设计结构的发射率e(θ)不等于吸收比α(θ)，其中θ为入射角度；

模块M5：调节磁性介电常数近零材料层的厚度t_i和波长位置，对非互易发射/吸收谱波段位置和|e(θ)-α(θ)|的大小进行调控，使其满足不同工作条件下的宽谱非互易发射/吸收器件的设计。

10.根据权利要求9所述的亚波长尺寸宽谱非互易发射/吸收器件构造系统，其特征在于，所述模块M1具体包括如下模块：

模块M1.1：使吸收层的磁性材料在工作波段的介电常数ε_xx的实部趋近于0，几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

模块M1.2：使得高反射材料基底层满足在相应工作波段透射率为0；

所述模块M2具体包括如下模块：

模块M2.1：多层磁性介电常数近零材料的波长满足从底层到顶层逐层红移，上层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长大于下层磁性介电常数近零材料的磁性薄膜的波长,几何结构为亚波长厚度的薄板结构；

模块M2.2：根据实际器件的目标工作波段设计不同层磁性介电常数近零材料的波长的位置和层数，使得在目标波段磁性材料的介电常数对角元|ε_xx|<1；

所述模块M3具体包括如下模块：

模块M3.1：使得外加磁场B存在时,B≠0，磁性介电常数近零材料的介电张量形式为ε_i＝[ε_xx，jε_xy，0；-jε_xy，ε_yy，0；0，0，ε_zz]，其中ε_xx，ε_yy，ε_zz为对角元上的介电常数大小，i为虚数单位，

ε_xy为非对角元上的介电常数大小；

模块M3.2：通过采用具有不同掺杂载流子浓度的III-V半导体材料满足磁性介电常数近零材料的波长位置，使载流子浓度从底层到顶层逐层梯度递减实现梯度渐变。

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