CN115826110A

CN115826110A - 一种中红外探测结构及多波段可调的吸波结构

Info

Publication number: CN115826110A
Application number: CN202211273278.7A
Authority: CN
Inventors: 罗鸣宇; 杨俊波; 张振荣
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明提供了一种中红外探测结构，包括由下往上依次层叠的硅层、金层、氧化铝层和金阵列层，所述金阵列层上开设有周期性分布的狭缝，所述狭缝将金阵列层分割成多个周期阵列的长方形金阵元，所述金阵列层沿阵列方向的两端设有半个狭缝，所述狭缝用于泄露金阵列层和氧化铝层激发的表面等离激元共振产生的局部能量，以平衡整个探测结构的吸收率/辐射率，所述氧化铝层作为一个电容器，通过调整氧化铝层的厚度和长方形金阵元的阵列周期的来红移吸收峰；本发明提供的中红外探测结构的尺寸小，厚度薄，结构简单，能实现更微小化的加工，更利于实际工业生产中的集成化组装。

Description

一种中红外探测结构及多波段可调的吸波结构

技术领域

本发明属于电磁波吸收与辐射技术领域，具体是涉及到一种中红外探测结构及多波段可调的吸波结构。

背景技术

由于微纳光子学器件产生的等离激元共振以及FP腔谐振等物理效应的作用，通过改变微纳结构的材料、结构和尺寸，可以改变物体的本征辐射率。进而实现可调控的红外吸收与热辐射，甚至可以在同一个器件中集成两种不同波段的兼容伪装。比如，杜凯凯等人(Kaikai Du et al.)提出了一种基于超材料吸收器的可选择性的微测辐射热计，超材料吸收器为微测辐射计的热分布调整和监测提供了一种新的方法，在光热成像系统中显示出了前景，因此微纳结构在中-远红外特定的波长区域对红外探测方面有巨大的贡献。朱桓正等人(Zhu H et al.)利用多层膜(包括ZnS/Ge)和超表面(包括Cu-ITO-Cu)等微纳结构实现了多光谱伪装、波长选择性发射和微波吸收，为多功能兼容隐身提供了思路。

但是，这些研究的选择性特定波长都依赖于相对应的微纳结构的形状、尺寸和周期。也就是表明这些微纳结构一旦被制造出来，其对应的谐振波长和吸收光谱也同时被确定，不能进行更改。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、尺寸小、厚度薄，能实现更微小化的加工，利于实际工业生产中的集成化组装的中红外探测结构。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种中红外探测结构，包括由下往上依次层叠的硅层、金层、氧化铝层和金阵列层，所述金阵列层上开设有周期性分布的狭缝，所述狭缝将金阵列层分割成多个周期阵列的长方形金阵元，所述金阵列层沿阵列方向的两端设有半个狭缝，所述狭缝用于泄露金阵列层和氧化铝层激发的表面等离激元共振产生的局部能量，以平衡整个探测结构的吸收率/辐射率，所述氧化铝层作为一个电容器，通过调整氧化铝层的厚度和长方形金阵元的阵列周期的来红移吸收峰。

优选地，所述中红外探测结构在3-5μm和8-12μm分别有一个吸收峰。

优选地，所述硅层和氧化铝层通过射频溅射获得，金层通过直流溅射获得。

优选地，所述第一种器件中多层膜结构的厚度从下往上分别为：硅层的厚度为100nm，金层的厚度为50nm，氧化铝层的厚度为20nm，金阵列层的厚度为50nm，长方形金阵元的宽度为2μm，所述长方形金阵元的阵列周期为2.1μm，所述狭缝的宽度为100nm。

本发明提供的中红外探测结构，长方形金阵元结构简单，尺寸小，厚度薄，能实现更微小化的加工，更利于实际工业生产中的集成化组装。

一种多波段可调的吸波结构，包括上述的中红外探测结构，所述金层与氧化铝层之间设有相变材料层。

优选地，所述相变材料层为Ge₂Sb₂Te₅薄膜。

优选地，所述硅层的厚度为100nm，金层的厚度为50nm，相变材料层的厚度为50nm，氧化铝层的厚度为10nm，金阵列层的厚度为50nm，长方形金阵元的宽度为2.7μm，所述长方形金阵元的阵列周期为2.8μm，所述狭缝的宽度为100nm。

本发明的有益效果是，一、创新性地引入非易失性相变材料GST进行电磁波吸收率的调节，相比于传统电磁波吸收方法，该方法可以在不改变装置结构的基础上实现对吸收率的动态调节，可在一个结构上实现多功能应用。

二、使用的结构是经过创新的金属-电介质-金属的三明治结构，最顶层是由独特设计的金阵列和狭缝交替组成，通过和Si层、Au层、Al₂O₃层和GST层各层纳米层的相互谐振作用，实现多波段的电磁波吸收；装置体积小、易制造，结构简化、加工方便，可以实现集成化，可用于大规模的实际工业生产并能服务于多波段、多功能的应用场景。

附图说明

图1为中红外探测结构的结构示意图；图1(a)为周期性四层结构的三维视图，图1(b)为层叠示意图，图1(c)为尺寸示意图。

图2(a)为中红外探测结构在红外波段的吸收和反射光谱；图2(b)为第一个吸收峰处的电场分布；图2(d)为第一个吸收峰处的磁场分布示意图；图2(c)为第二个吸收峰处的电场分布；图2(e)为第二个吸收峰处的磁场分布示意图。

图3为中红外探测结构在红外波段的反射光谱；图3(a)为在不同偏振角时红外波段的反射光谱示意图；图3(b)在不同入射角时红外波段的反射光谱示意图。

图4为多波段可调的吸波结构的结构示意图；图4(a)为周期性四层结构的三维视图，图4(b)为层叠示意图，图4(c)为尺寸示意图。

图5为多波段可调的吸波结构在红外-激光波段的吸收率和反射率；图5(a)为GST薄膜处于非晶态时红外-激光波段的吸收率和反射率示意图，图5(b)为GST薄膜处于晶态时红外-激光波段的吸收率和反射率示意图。

图6为多波段可调的吸波结构在含有aGST薄膜时的电场和磁场分布示意图；图6(a)为第一个吸收峰处的电场分布示意图，图6(b)第一个吸收峰处的磁场分布示意图，图6(c)为第二个吸收峰处的电场分布示意图，图6(d)为第二个吸收峰处的磁场分布示意图，图6(e)为第三个吸收峰处的电场分布示意图，图6(f)第三个吸收峰处的磁场分布示意图。

图7为多波段可调的吸波结构在含有cGST薄膜时的电场和磁场分布示意图；图7(a)为第一个吸收峰处的电场分布示意图，图7(b)第一个吸收峰处的磁场分布示意图，图7(c)为第二个吸收峰处的电场分布示意图，图7(d)为第二个吸收峰处的磁场分布示意图，图7(e)为第三个吸收峰处的电场分布示意图，图7(f)第三个吸收峰处的磁场分布示意图。

在图中，1、硅层；2、金层；3、氧化铝层；4、金阵列层；41、狭缝；42、长方形金阵元；5、相变材料层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

实施例一

请一并参阅图1-3，本实施例提供的中红外探测结构，包括由下往上依次层叠的硅层1、金层2、氧化铝层3和金阵列层4，所述金阵列层4上开设有周期性分布的狭缝42，所述狭缝42将金阵列层4分割成多个周期阵列的长方形金阵元41，所述长方形金阵元41沿阵列方向的两端设有半个狭缝，相邻的两个长方形金阵元41的半个狭缝形成一个正的狭缝42，所述狭缝42用于泄露金阵列层4和氧化铝层3激发的表面等离激元共振产生的局部能量，以平衡整个探测结构的吸收率/辐射率，主要是氧化铝层3的吸收率/辐射率，所述氧化铝层3作为一个电容器，通过调整氧化铝层3的厚度和长方形金阵元41的阵列周期的来红移吸收峰。

多层膜结构的厚度从下往上分别为：T₁＝100nm，T₂＝50nm，T₃＝20nm，T₄＝50nm，由于器件是简单的多层膜系结构，并且顶层是简单的长方形金阵列，顶层金阵列结构简单，更利于实际工业的批量生产。

中红外探测结构主要功能是实现广角的、偏振不敏感的双波段红外探测。如下图2可知，本申请提出的器件在两个大气窗口(3-5μm和8-12μm)分别有一个明显的吸收峰，在λ＝3.6μm处吸收率达到73％，在λ＝8.5μm处吸收率为83％，这表明此结构对于目标的红外辐射有较强的探测能力，可以视为一个中红外探测器。由于本申请创新性地在MIM结构上引入狭窄的狭缝和纳米间隙Al₂O₃层；它们为控制吸收行为提供了一个重要的通道，前者是帮助局部能量从狭缝中泄露出去，用来远离共振单元，从而平衡材料的吸收和辐射的泄露率，维持结构的完美吸收，后者是作为一个电容器，可以通过厚度和周期的调整来红移吸收峰。

图3(a)显示了不同入射角度下装置的吸收率，随着入射角的增大，吸收率没有明显的降低。一直到60度左右的大入射角情形下，装置仍然能在双波段保持50％以上的吸收率，说明它有较好的广角吸收性。此外，由于所设计的结构是高度对称的金阵列和多层薄膜结构，理论上对偏振角不敏感。通过仿真计算，我们从图3(b)可以知道偏振角对结构的影响，验证了装置偏振不敏感的特性。因此，所设计的四层结构具有广角吸收性和偏振不敏感性，这有利于红外探测的实际应用。

首先，我们提出的具有双波段红外探测功能的中红外探测结构由四层组成。采用磁控溅射的方法，再进行物理沉积，可以得到多层薄膜：基底硅和介质层氧化铝薄膜通过射频溅射(RF溅射)获得，通过直流溅射(DC溅射)得到金薄膜。如图1(a)所示，从下往上分别为Si、Au、Al2O3和Au，其中最顶层是金阵列和狭缝交替组成，结合中间的电介质层Al₂O₃产生纳米间隙共振和等离激元共振，来实现对应波长的高吸收。为了模拟纳米间隙谐振的吸收光谱，我们研究了结构的电磁响应，经过商业软件(Lumerical,FDTD Solutions)对物理场的模拟仿真和数值计算，得到了结构进行建模优化后的最优参数。如图1(b)所示，四层单元结构顶部单个长方形金阵元的宽度为W1＝2μm，左右两侧的半个狭缝宽度均为Ws＝50nm，顶层周期性结构的单个周期为P1＝2.1μm。多层膜结构的厚度从下往上分别为：T1＝100nm，T2＝50nm，T3＝20nm，T4＝50nm。

实施例二

请一并参阅图4-7，本实施例提供的多波段可调的吸波结构，包括上述的中红外探测结构，在金层与氧化铝层之间设有相变材料层，是五层薄膜结构。

所述相变材料层为采用三靶共同溅射法得到相变材料Ge2Sb2Te5(GST)薄膜。镀膜得到的GST薄膜在常温下处于非晶态，在经过160℃(433.15K)的退火后，非晶态GST(aGST)会转变为晶态GST(cGST)。cGST在经历640℃(913.15K)的快速退火后，又回到非晶态。由于GST具有非易失性，一旦相变完成，便能在常温下维持对应状态很长时间，所以我们的研究都是在常温下进行，同时由于Si、Au和Al2O3都具有较高的熔点和沸点，GST的退火过程不影响最终研究结果。随着相变材料层的加入，所设计的结构可以在不同状态、不同波段实现不同功能，完成多功能的应用。

在图4(b)和图4(c)中，在加入GST层之后，由下至上各层的厚度分别为：t1＝100nm，t2＝50nm，t3＝50nm，t4＝10nm，t5＝50nm。五层单元结构顶部单个长方形金阵元的宽度W＝2.7μm，周期P＝2.8μm。

在传统器件中，对于不透明的材料，吸收率与反射率之和为1。于是要想实现红外波段(3-5和8-12μm)和激光雷达波段(10.6μm)的兼容隐身，天然出现了冲突：目标既需要在8-12μm实现低吸收率即低辐射率，从而达到红外隐身；又需要在位于8-12μm中的10.6μm处实现高吸收率即低反射率，从而达到激光雷达隐身。所以，要实现红外-激光波段的兼容伪装存在很大的矛盾，仍然是一项极具挑战性的工作。

针对上述的实际需求，我们研究并设计了一个多功能的装置，如图4所示，它结构简单，却能在一个固定结构里融合多个功能。在四层结构的基础上，我们创新性地引入了非易失性相变材料GST，利用其相变前后介电常数的变化，对装置的吸收率进行动态调节，从而实现多功能应用。由图5观察到，加入GST薄膜之后，装置主要的吸收峰的位置和数量都发生了变化，这是由于谐振频率和损耗都发生了改变，共振波长的位置和强度也随之改变。图5(a)展示了所设计的五层结构对于红外-激光波段的吸收率和反射率，在两个大气窗口(3-5和8-12μm)和非大气窗口(5-8μm)内分别有一个明显的吸收峰。其中，位于大气窗口内的两个吸收峰可以达到95％和55％的吸收率，依旧可以实现良好的红外探测功能。

同时，只需改变温度，使GST薄膜经过160℃(433.15K)的退火之后，我们得到了含有cGST薄膜的五层结构(图5(b)中的缩略图)。从图5(b)可以观察到，装置在大气窗口的吸收率明显降低，特别是在3-5μm，最大吸收率从95％显著下降到了22％，平均吸收率也降低为15％左右。这为装置从红外探测功能向红外隐身功能的转变提供了可能。

为了研究产生本申请这一现象的原因，我们对装置在两种相态下的电磁场分布进行了仿真分析。在图6(a)、(b)与图7(a)、(b)的对比中，可以发现随着GST的相变，装置在第一个吸收峰处的电磁场强度发生了降低。在GST薄膜为非晶态时，底层金属的上表面与GST的接触面产生了等离激元共振，顶层金阵列和纳米间隔Al2O3层的接触面也激发了同样的共振现象。此外，由于介电质层的厚度由四层结构的20nm变为了更为狭窄的10nm，从而激发了更强烈的纳米间隙谐振，使得共振波长比之前产生了略微红移，峰值变得更大。当GST薄膜相变为晶态后，各种谐振效应减弱，从而导致装置由红外高吸收向低吸收的转变。同样的，通过图6(c)、(d)与图7(c)、(d)的对比，我们可以观察到位于GST层的电场能量明显减弱，使得在非大气窗口的吸收率出现下降，在λ＝6.6μm处的吸收峰值由66％下降为34％。但由于磁场分布主要集中在狭缝处，以及金阵列的内表面和厚金层的连接区域，所以磁场强度的变化不大，MR对吸收光谱的影响较小。虽然此时装置在非大气窗口的平均辐射率出现了下降，但依旧保持了一定的辐射制冷效果。有意思的是，虽然前两个吸收峰发生了明显的变化，但位于LWIR的吸收峰正好处于λ＝10.6μm，在相变前后都处于较高的吸收状态。共振波长的位置正是LiDAR的探测波长，从而可以实现较好的激光隐身功能。结合图6和图7整体看来，不论是在aGST还是在cGST状态下，在短波长下都会激发出高阶谐振，随着波长的增加，谐振阶数逐渐减小，这与纳米间隙谐振的特性也是相吻合的。因为间隙等离子体共振在平行金属板之间产生电偶极子，较小的间隙尺寸导致较低的能量态。综上所述，从图5(b)中可以看出，装置在两个大气窗口的平均吸收率/辐射率都在20％左右。特别是在保持10.6μm波段较高吸收的前提下，8-14μm波段的平均辐射率依然维持在较低程度。这说明我们所设计的五层结构可以兼顾较好的红外-激光隐身功能，同时有一定的辐射制冷效果，实现了多功能应用。

由理论分析可知，在红外波段的大气窗口处(3-5μm和8-12μm)的高吸收率可以实现红外探测效果，低发射率可以实现红外隐身效果。在激光雷达波段(10.6μm)的高吸收率可以吸收激光雷达隐身效果。在非大气窗口处(5-8μm)的高发射率可以实现辐射制冷效果。

于是由图2和图3可知，根据装置的吸收率在GST不同状态下的动态变化，我们可以利用第一个吸收峰的显著较低，实现大气窗口的红外探测向红外隐身的功能转变。利用第二个吸收峰不错的吸收率/辐射率保持较好的辐射制冷功能。利用第三个吸收峰几乎不变的性质，实现稳定的激光隐身功能。此外，根据GST相变过程的连续变化，我们可以根据背景的实际辐射率，达到相对应的红外-LiDAR兼容伪装，使装置的红外辐射率与背景保持动态一致，从而实现动态、连续的红外隐身和稳定的激光隐身。同时，整个动态调节过程只需要简单的温度改变就可以实现，装置还能在温度改变时保持一定的辐射制冷，使内部热量不会一直堆积，从而更符合实际应用的要求。总之，我们的装置在一个固定的极简的结构上实现了复杂的多波段、多场景和多功能应用，为电磁屏蔽、完美吸收、热管理和红外隐身提供了重要思路和借鉴。

本申请是利用外界温度的改变从而实现GST的相变，继而通过器件吸收率的改变实现多功能应用。其中，在GST相变前后，器件的吸收峰并没有发生明显漂移，但吸收率峰值却发生了显著改变。

在本发明中，针对现有研究的不足，我们考虑结合相变材料和超表面，研究并设计了一种多功能的金属-电介质-金属(MIM)的三明治结构。在一个非常简单的微纳结构上实现复杂的多功能作用，同时在不需要改变结构和尺寸的前提下，仅仅依靠温度的变化来控制吸收/辐射强度，从而达到不同的实际应用。与之前的工作相比，我们的设计克服了不可调谐，功能单一和难以集成的缺点。可以在简单的固定结构下，实现较好的可调谐的红外探测、辐射制冷与红外-激光雷达兼容伪装等多个功能。这将极大地有助于光通信、辐射冷却、可调电磁波控制与用于军事目的的各种热伪装技术的发展，具有良好的实际应用价值。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种中红外探测结构，其特征在于：包括由下往上依次层叠的硅层、金层、氧化铝层和金阵列层，所述金阵列层上开设有周期性分布的狭缝，所述狭缝将金阵列层分割成多个周期阵列的长方形金阵元，所述金阵列层沿阵列方向的两端设有半个狭缝，所述狭缝用于泄露金阵列层和氧化铝层激发的表面等离激元共振产生的局部能量，以平衡整个探测结构的吸收率/辐射率，所述氧化铝层作为一个电容器，通过调整氧化铝层的厚度和长方形金阵元的阵列周期的来红移吸收峰。

2.如权利要求1所述的中红外探测结构，其特征在于：在3-5μm和8-12μm分别有一个吸收峰。

3.如权利要求2所述的中红外探测结构，其特征在于：所述硅层和氧化铝层通过射频溅射获得，金层通过直流溅射获得。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的中红外探测结构，其特征在于：所述第一种器件中多层膜结构的厚度从下往上分别为：硅层的厚度为100nm，金层的厚度为50nm，氧化铝层的厚度为20nm，金阵列层的厚度为50nm，长方形金阵元的宽度为2μm，所述长方形金阵元的阵列周期为2.1μm，所述狭缝的宽度为100nm。

5.一种多波段可调的吸波结构，其特征在于：包括如权利要求1-4中任意一项所述的中红外探测结构，所述金层与氧化铝层之间设有相变材料层。

6.如权利要求5所述的多波段可调的吸波结构，其特征在于：所述相变材料层为Ge₂Sb₂Te₅薄膜。

7.如权利要求6所述的多波段可调的吸波结构，其特征在于：所述硅层的厚度为100nm，金层的厚度为50nm，相变材料层的厚度为50nm，氧化铝层的厚度为10nm，金阵列层的厚度为50nm，长方形金阵元的宽度为2.7μm，所述长方形金阵元的阵列周期为2.8μm，所述狭缝的宽度为100nm。