CN116106998A - 基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，包括在xoy平面上周期性排列的若干个结构单元，每个结构单元包括位于底部的金基底层、位于金基底层上方的介质基板，以及位于介质基板上方的金谐振器和条形氮化钛；在每个结构单元中，所述金谐振器设置于介质基板的中部，金谐振器的x轴方向两侧分别设置一条形氮化钛，金谐振器的y轴方向两侧留空形成凹槽；所述金谐振器呈卍形；通过向结构单元中的条形氮化钛施加不同的偏置电压，改变条形氮化钛的介电常数，使得近红外吸收器的共振波长发生变化，实现对吸收波长的动态调控。本发明具有一定的偏振选择性，且具备吸收效率高、吸收波段可连续动态调控的特性。
Description
技术领域
本发明涉及吸收器微结构设计的技术领域，尤其涉及一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器。
背景技术
超表面作为一种二维超材料，通过利用亚波长平面阵列可以在宽光谱范围内任意操纵其电磁特性从而实现多种光学响应，如异常折射/反射、偏振转换、成像等。而使用调谐材料/结构构建的可重构超表面可以进一步实现动态电磁操纵的要求。
吸收器在电磁调制、太阳能电池、安全检测、电磁隐身方面具有广阔的应用前景，是近红外应用发展中重要的方向之一。目前的吸收器结构大部分为典型的金属-介质-金属的三明治夹层结构，虽然能实现高吸收，但其响应波段、吸收强弱等特性在设计好后都是固定的，无法改变，这在多功能光学器件需求日益增大的今天显得具有局限性。而在这一传统结构中加入调谐材料可以在满足吸收的基础上，进一步实现动态可调的功能。
由于电可调技术的稳定性和快速性，使得在可重构超表面设计中利用电敏材料实现的电可调超表面（ETM）有着广泛的应用前景。迄今为止报道的最常见的电敏材料包括变容器/二极管、液晶、2D材料（石墨烯、MoS2、黑磷等）和导电透明氧化物。其中，石墨烯作为最薄的活性材料具有着显著的调控能力，是电可调超表面中的主流材料之一。然而，其缺点也很明显，即工作范围基本上仅限于中红外和太赫兹（THz）区域，无法应用于近红外波段。
因此，寻找可工作于近红外波段的可调控材料就成了一个重要的研究课题。在此背景下，研究人员发现，超薄层氮化钛的工作波段在近红外波段，在吸收器中加入可电控的超薄层氮化钛，可以使可重构超表面吸收器具有快速响应，调制方式简单，调制深度大等优点。
近年来，基于超薄层氮化钛的可重构超表面已经被提出，如：2019年Jiang等人利用1nm的氮化钛薄膜作为中间层设计了光栅结构，实现了相位达339°的动态调控效果。
虽然上述微结构实现了对相位的动态可调，但是依然存在着吸收效率低、可调波段窄、没有偏振选择等问题，有待进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其具有一定的偏振选择性，且具备吸收效率高、吸收波段可连续动态调控的特性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，包括在xoy平面上周期性排列的若干个结构单元，每个结构单元包括位于底部的金基底层、位于金基底层上方的介质基板，以及位于介质基板上方的金谐振器和条形氮化钛；
在每个结构单元中，所述金谐振器设置于介质基板的中部，金谐振器的x轴方向两侧分别设置一条形氮化钛，金谐振器的y轴方向两侧留空形成凹槽；所述金谐振器呈卍形，包括呈十字交叉的两条主臂，以及连接于两条主臂末端的四条子臂，所述两条主臂分别沿x轴和y轴延伸，所述四条子臂分别垂直连接于两条主臂末端的逆时针方向一侧；
单个结构单元在xoy平面上的投影呈正方形，所述若干个结构单元沿x轴和y轴方向四方连续排列，形成近红外吸收器；
通过向结构单元中的条形氮化钛施加不同的偏置电压，改变条形氮化钛的介电常数，使得近红外吸收器的共振波长发生变化，实现对吸收波长的动态调控。
进一步地，所述金谐振器中，主臂和子臂的臂宽为60~70nm，主臂长度为250nm，子臂长度为90~100nm；所述结构单元的长度和宽度均为310nm。
进一步地，所述金谐振器的厚度为20~30nm，所述条形氮化钛的厚度为2nm。
进一步地，所述介质基板的厚度为115nm，所述金基底层的厚度为70nm。
进一步地，所述介质基板的材料为氧化铝，介电常数为3.1184。
进一步地，所述金基底层的电导率为4.56×107S/m。
进一步地，在x轴方向上相邻的两个结构单元之间，位于相邻边上的两个条形氮化钛一体成型设置。
进一步地，在y轴方向上相邻的两个结构单元之间，位于相邻边上的凹槽连通为一体。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：
1、采用了金属-调控层-介质-金属的四层结构，与传统的金属-介质-金属的三层结构相比，当结构单元处于非通电状态时，y偏振光的吸收率接近为1；同时，当结构单元通至一定电压时，吸收强度并不会有明显下降，使得对吸收波段的调控效果更好。
2、结构单元中的条形氮化钛在不同电压下的介电常数不同，使得近红外吸收器的共振波长发生变化，从而实现对吸波波段的动态调控，实用性极强。
3、结构单元对不同偏振态下光的吸收和调控能力不同，即具有一定的偏振选择性，这使得其在多功能器件领域有着更广阔的应用前景。
综上，本发明提供的一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其具有一定的偏振选择性，且具备吸收效率高、吸收波段可连续动态调控的特性；在电磁调制、传感探测、电磁隐身等领域具有广泛的应用前景，实用性极强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器中的结构单元的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器的整体结构示意图。
图3是本发明实施例中的结构单元的结构俯视图。
图4是本发明实施例的仿真结果示意图。
图5是本发明实施例中的条形氮化钛在不同电压调控下的介电函数图。
图6是本发明实施例在不同电压下的仿真结果示意图。
图7是本发明实施例中结构单元在x偏振光和y偏振光入射时（波长分别为1912nm和1495nm）的电场和磁场分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，包括在xoy平面上周期性排列的若干个结构单元，每个结构单元包括位于底部的金基底层40、位于金基底层40上方的介质基板30，以及位于介质基板30上方的金谐振器10和条形氮化钛20；
在每个结构单元中，所述金谐振器10设置于介质基板30的中部，金谐振器10的x轴方向两侧分别设置一条形氮化钛20，金谐振器10的y轴方向两侧留空形成凹槽。结合图3所示，所述金谐振器10呈卍形，包括呈十字交叉的两条主臂，以及连接于两条主臂末端的四条子臂，所述两条主臂分别沿x轴和y轴延伸，所述四条子臂分别垂直连接于两条主臂末端的逆时针方向一侧。在本实施例的金谐振器10中，主臂和子臂的臂宽h为60~70nm，主臂长度w为250nm，子臂长度为90~100nm。
单个结构单元在xoy平面上的投影呈正方形，所述若干个结构单元沿x轴和y轴方向四方连续排列，形成近红外吸收器。进一步地，在x轴方向上相邻的两个结构单元之间，位于相邻边上的两个条形氮化钛20一体成型设置；在y轴方向上相邻的两个结构单元之间，位于相邻边上的凹槽连通为一体。
在本实施例中，所述结构单元的长度和宽度均为310nm，即结构单元在x轴和y轴方向上排列周期均为P=310nm。
基于以上结构，通过向结构单元中的条形氮化钛20施加不同的偏置电压，改变条形氮化钛20的介电常数，使得近红外吸收器的共振波长发生变化，实现对吸收波长的动态调控。
进一步地，所述金谐振器10的厚度为20~30nm（在本实施例中，优选为20nm），所述条形氮化钛20的厚度为2nm，所述介质基板30的厚度为115nm，所述金基底层40的厚度为70nm。
在本发明实施例中，选择卍形结构的金谐振器10的目的在于：一方面卍形结构的多狭缝结构有利于局域电场的增强，从而提高对线偏振光的吸收率；另一方面卍形结构在不同偏振光下可以在与偏振方向垂直的对角狭缝处激发一个电偶极子共振模式，进而放大氮化钛的调控作用。
进一步地，本发明实施例采用的2nm超薄条形氮化钛20则可以将局域电场更好地集中于条形氮化钛20所在的区域空间，增强了调控能力，并减少了不必要的金属性损耗；同时，由于不同偏振光下电场聚集的位置不同，相比于全覆盖的氮化钛膜，条形氮化钛20可以更好地实现偏振选择。
如图4所示，为本发明实施例提供的近红外吸收器的仿真结果图，图4中的（a）为近红外吸收器的吸收光谱，图4中的（b）为近红外吸收器的偏振反射系数光谱，其中，、、、分别为x偏振入射的反射谱、y偏振入射的反射谱、x偏振入射的吸收谱、y偏振入射时的吸收谱。在本发明实施例中，由于基底为金属，使得入射光无法透过，因此吸收率可以由A=1-R-T简化为A=1-R，其中，A表示吸收率，R表示反射率，T表示透射率。
通过图4可以看出，y偏振光在1495nm处存在一个近似1的吸收峰，吸收值达到98.9%，而x偏振光在1912nm存在吸收值为76%的吸收峰。
进一步地，本实施例中所述介质基板30的材料为氧化铝，介电常数为3.1184。该电介质材料的厚度的一般为四分之一波长以形成索尔兹伯里屏，有效地将入射光转换为与条形氮化钛20重叠的局部增强场，从而增强其吸收与调控能力。
进一步地，所述金基底层40的电导率为4.56×107S/m。
本实施例中，条形氮化钛20的介电函数的表达式可利用杜鲁德-洛伦兹模型进行描述，为：
其中：为高频介电常数；为洛伦兹振荡器的强度； 为洛伦兹振荡器的耦合频率，为角频率； 和为阻尼率；为等离子体频率，其表达式为：
其中，为非通电状态下的载流子浓度；为载流子浓度的变化率；为电子的电荷量；为电子有效质量；为自由空间下的介电常数。
根据以上公式，条形氮化钛20的介电常数与其载流子浓度有关，同时条形氮化钛20的载流子浓度与施加于其上的偏置电压有关。因此，可以采用不同的载流子浓度来描述不同电压下条形氮化钛20的光电特性。具体地，在本实施例中，所述条形氮化钛20处于非通电状态时，其载流子浓度为1023/cm3；所述条形氮化钛20处于一定偏置电压时，其载流子浓度下降12%；介于两者之间的条形氮化钛载流子浓度设置为：载流子浓度下降6%。
图5中的（a）和（b）所示分别为不同载流子浓度时条形氮化钛20的介电函数的实部和虚部。非通电状态下，条形氮化钛20的载流子浓度约为1023/cm3，表现出强金属性，当不断提高电压时，条形氮化钛20的载流子浓度不断下降，金属性逐渐变弱。
图6中的（a）为近红外吸收器在不同电压下的y偏振入射吸收光谱，图6中的（b）为近红外吸收器在不同电压下的x偏振入射吸收光谱，图6中的（c）为两者的吸收差值。由图可知，本发明实施例实现了吸收率波段的动态调控。具体地，y偏振光入射下吸收峰从1495nm蓝移至1415nm；x偏振光入射下吸收峰从1912nm红移至1942nm；其中，本发明实施例对于y偏振光吸收率的调控能力明显强于对于x偏振光吸收率；x偏振光的吸收率也远低于y偏振光，同波段下两者的吸收差值最大可达0.46，具有较好的偏振选择性。
需要说明的是，本实施例中，随着条形氮化钛20的载流子浓度的变化，吸收和反射峰的光谱强度基本不变，只是吸收波段发生明显变化，这是因为随着条形氮化钛20光电特性的改变，谐振腔微结构没有激发新的共振模式，只是改变了金属性的强度。
本实施例中，采用了金属-调控层-介质-金属的四层结构，与传统的金属-介质-金属的三层结构相比，增加了动态调控性；即当结构单元处于非通电状态时，y偏振光的吸收率接近为1，当结构单元通至一定电压时，吸收率并不会下降，使得对吸收波段的调控效果更好。
结合图7所示，图7中的（a）和（b）分别是y偏振入射下的超表面电场和磁场分布图。参考图7中的（a），电场主要局域在沿x轴分布的边缘狭缝中，尤其是条形氮化钛20的区域有非常明显的场增强，再加上较弱的金属损耗，导致了近乎完美的吸收效应；参考图7中的（b），y偏振下的磁场在卍形的x轴对角狭缝处激发了一个电偶极子共振模式。
图7中的（c）和（d）分别是x偏振入射下的超表面电场和磁场分布图。参考图7中的（c），电场主要局域在沿y轴分布的边缘狭缝中，有非常明显的场增强，但y轴的狭缝处没有条形氮化钛20覆盖，这也是造成x和y偏振光吸收差异与调控差异的主要原因之一。尽管在沿x轴方向的边缘狭缝中也有部分的场增强效应，但与y偏振入射时相比明显弱很多，因此不会产生显著影响。参考图7中的（d），x偏振下的磁场在卍形的y轴对角狭缝处激发了一个电偶极子共振模式。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：
1、采用了金属-调控层-介质-金属的四层结构，与传统的金属-介质-金属的三层结构相比，当结构单元处于非通电状态时，y偏振光的吸收率接近为1；同时，当结构单元通至一定电压时，吸收强度并不会有明显下降，使得对吸收波段的调控效果更好。
2、结构单元中的条形氮化钛在不同电压下的介电常数不同，使得近红外吸收器的共振波长发生变化，从而实现对吸波波段的动态调控，实用性极强。
3、结构单元对不同偏振态下光的吸收和调控能力不同，即具有一定的偏振选择性，这使得其在多功能器件领域有着更广阔的应用前景。
综上，本发明提供的一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其具有一定的偏振选择性，且具备吸收效率高、吸收波段可连续动态调控的特性；在电磁调制、传感探测、电磁隐身等领域具有广泛的应用前景，实用性极强。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，包括在xoy平面上周期性排列的若干个结构单元，每个结构单元包括位于底部的金基底层、位于金基底层上方的介质基板，以及位于介质基板上方的金谐振器和条形氮化钛；
在每个结构单元中，所述金谐振器设置于介质基板的中部，金谐振器的x轴方向两侧分别设置一条形氮化钛，金谐振器的y轴方向两侧留空形成凹槽；所述金谐振器呈卍形，包括呈十字交叉的两条主臂，以及连接于两条主臂末端的四条子臂，所述两条主臂分别沿x轴和y轴延伸，所述四条子臂分别垂直连接于两条主臂末端的逆时针方向一侧；
单个结构单元在xoy平面上的投影呈正方形，所述若干个结构单元沿x轴和y轴方向四方连续排列，形成近红外吸收器；
通过向结构单元中的条形氮化钛施加不同的偏置电压，改变条形氮化钛的介电常数，使得近红外吸收器的共振波长发生变化，实现对吸收波长的动态调控。
2.根据权利要求1所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，所述金谐振器中，主臂和子臂的臂宽为60~70nm，主臂长度为250nm，子臂长度为90~100nm；所述结构单元的长度和宽度均为310nm。
3.根据权利要求1所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，所述金谐振器的厚度为20~30nm，所述条形氮化钛的厚度为2nm。
4.根据权利要求3所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，所述介质基板的厚度为115nm，所述金基底层的厚度为70nm。
5.根据权利要求1所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，所述介质基板的材料为氧化铝，介电常数为3.1184。
6.根据权利要求1所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，所述金基底层的电导率为4.56×107S/m。
7.根据权利要求1所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，在x轴方向上相邻的两个结构单元之间，位于相邻边上的两个条形氮化钛一体成型设置。
8.根据权利要求7所述的基于卍形阵列与氮化钛复合结构的可调谐近红外吸收器，其特征在于，在y轴方向上相邻的两个结构单元之间，位于相邻边上的凹槽连通为一体。
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