CN117572550A - 一种基于gst准周期结构的多功能超材料吸收器 - Google Patents
一种基于gst准周期结构的多功能超材料吸收器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117572550A CN117572550A CN202311725892.7A CN202311725892A CN117572550A CN 117572550 A CN117572550 A CN 117572550A CN 202311725892 A CN202311725892 A CN 202311725892A CN 117572550 A CN117572550 A CN 117572550A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gst
- film
- quasi
- periodic structure
- absorber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 9
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 43
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 8
- 229910000618 GeSbTe Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 claims description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 3
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 2
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 2
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/003—Light absorbing elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Surface Treatment Of Glass (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，其包括基片及镀制于基片上的GST准周期结构薄膜，该GST准周期结构薄膜的膜系结构为：基底/BABABBABCD/Air其中，A表示厚度为250nm的二氧化硅薄膜，B和C分别表示厚度为98nm和252nm的锗薄膜，D表示厚度为99nm的GST薄膜。本发明设计的吸收器能够实现1.1‑2.5μm近红外波段的可调谐多光谱选择性窄带吸收，最高吸收率超过97%；吸收器在1.8‑2.0μm的波长范围内表现出好的方向性和极化性能，在75°‑80°能够实现超过90%的S极化吸收。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种基于GST（锗锑碲合金，Ge-Sb-Te）准周期结构的多功能超材料吸收器。
背景技术
近红外长波（1.1-2.5μm）作为一个重要的大气窗口，无论是在红外检测还是红外信息领域都有着举足轻重的地位。早前关于超材料吸收器的研究很多，但是通常都是基于诸如金、银等传统金属制备而成。这些传统金属的吸收器不仅存在着诸多弊端（如难以形成连续光滑的薄膜；与标准半导体工艺的制造不兼容；基底的粘合性较差等），而且光学性能单一，在多功能红外光应用中往往需要多个吸收器的组合，从而大大增加了系统的复杂性。
吸收器在红外检测和红外信息等领域的实际应用中，除了窄带高吸收的性能外，还应具有针对性的光谱选择性、可调谐性以及定向吸收性等多功能特点。比如针对汽车尾气中SO2和NO2气体的红外检测需要吸收器在1.35μm和1.59μm处实现窄带吸收；当需要对汽车尾气中CO气体进行红外检测时则需要吸收器在2.1μm处实现窄带吸收；而对于红外信息加密等应用中则需要吸收器具有高定向吸收性能。这种集多种光学性能于一体的多功能超材料吸收器的研究将对光学器件的微型化和集成化有着极大的推进作用，而目前尚没有该方面的相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，该吸收器为一维平面薄膜结构且制备过程仅涉及薄膜沉积技术，不仅容易制造，而且有益于大面积和低成本应用。本发明所设计的吸收器在角度不超过45°的情况下，吸收峰位置稍有偏移而吸收性能变化不大，基于该特性能够通过角度和偏振的优化对目标吸收峰进行更加精确的定位。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，其特征在于包括基片及镀制于基片上的GST准周期结构薄膜，该GST准周期结构薄膜的膜系结构为：
基底/BABABBABCD/Air
其中，A表示厚度为250nm的二氧化硅（SiO2）薄膜，B和C分别表示厚度为98nm和252nm的锗（Ge）薄膜，D表示厚度为99nm的GST薄膜；
该吸收器能够实现1.1-2.5μm近红外波段的可调谐多光谱选择性窄带吸收，最高吸收率超过97%；吸收器在1.8-2.0μm的波长范围内表现出好的方向性和极化性能，在75°-80°能够实现超过90%的S极化吸收。
进一步限定，所述基片为K9玻璃基片。
进一步限定，所述GST薄膜选用锗锑碲合金镀制而成，该锗锑碲合金中各原料的掺杂比为22.2wt% Ge：22.2wt% Sb：55.6wt% Te。
进一步限定，所述锗薄膜和二氧化硅薄膜通过Ge和SiO2材料均采用电子束热蒸发形成，蒸发速率分别为2Å/S和2.5Å/S；所述GST薄膜通过GST材料采用离子束溅射薄膜沉积形成，薄膜沉积速率为2Å/S。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明设计了一种将相变材料GST与准周期结构相结合的超材料吸收器，该吸收器有效避免了基于传统金属吸收器的诸多弊端，同时基于该超材料结构中的光学Tamm态、缺陷态模式以及GST的热相变特性，该吸收器不仅实现了近红外波段（1.1-2.5μm）的可调谐多光谱选择性窄带吸收，最高吸收率超过了97%；而且该吸收器在1.8-2.0μm的波长范围内具有良好的定向（75°-80°）吸收性能，可实现吸收率超过90%的高S极化吸收。
附图说明
图1为所设计的吸收器的剖面结构示意图，图中：1-GST准周期结构薄膜，2-基片。
图2为未镀膜的裸基片和镀膜后的多光谱选择性窄带吸收器的吸收率曲线。
图3为所设计的多光谱选择性窄带吸收器在不同角度（0°、15°、30°和45°）和不同偏振（S偏振、P偏振和无偏振）入射光下的吸收率曲线。
图4为吸收器在P偏振和S偏振下对于不同入射角的红外光吸收。
图5为吸收器在GST相变前后的吸收率曲线。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
本发明设计的吸收器不仅在近红外长波具有良好的可调谐多光谱选择性窄带吸收性能（最高吸收率超过了97%），而且还可以在1.8-2.0μm的波长范围内实现良好的定向吸收性能。
设计之初，首先在所需光谱范围内选择合适的光学薄膜材料，其中选用的相变材料锗锑碲合金（GST）的原料掺杂比为22.2wt%（Ge）：22.2wt%（Sb）：55.6wt%（Te），准周期结构选用Ge和SiO2两种薄膜材料，其中Ge和SiO2两种材料在红外波段较高的折射率之比可以有效降低薄膜的整体厚度。Ge和SiO2材料均采用电子束热蒸发，蒸发速率分别为2Å/S和2.5Å/S，GST材料采用离子束溅射薄膜沉积的方式以更好的保持GST靶材的掺杂比，薄膜沉积速率为2Å/S。
本发明设计的吸收器的膜系为GST薄膜和准周期薄膜的多层膜结构。薄膜沉积过程中采用石英晶体监控，控制膜层沉积厚度并调整晶控比误差，从而得到更加接近设计的结果。膜系结构通过膜系设计软件优化，得到具有多种光学性能于一体的GST准周期结构薄膜1，该GST准周期结构薄膜1的膜系结构为：
基底/BABABBABCD/Air
其中，A表示厚度为250nm的二氧化硅（SiO2）薄膜，B和C分别表示厚度为98nm和252nm的锗（Ge）薄膜，D表示厚度为99nm的GST薄膜。为了避免基片2的吸收对最终结果造成影响，这里选择在近红外长波吸收几乎为零的一英寸K9玻璃作为基片。
通过实验测量得到的图2可以看出，本发明所设计的吸收器膜系在近红外长波具有很好的多光谱选择性窄带吸收效果，尤其在1.35μm和1.59μm处最高吸收率更是超过了95%；从图3可以看出本发明所设计的吸收器在小角度（入射角不超过45°）和不同偏振下，吸收峰的位置稍有变化而吸收性能几乎不受影响，便于实际应用中根据具体需求对吸收峰位置进行细微调整。从图4中可以看出本发明所设计的吸收器在1.8-2.0μm 的波长范围内，只有在75°-80°的角度下具有超过90%的S极化吸收，表现出良好的方向性和极化性能。当在165℃下对吸收器进行退火处理后，由于吸收器中的GST薄膜由非结晶态（a-GST）转变为了结晶态（c-GST），吸收器的窄带吸收性能也随之发生巨大变化，如图5所示，在2.1μm处实现了高效的窄带吸收性能，最高吸收率超过了97%。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (4)
1.一种基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，其特征在于包括基片及镀制于基片上的GST准周期结构薄膜，该GST准周期结构薄膜的膜系结构为：
基底/BABABBABCD/Air
其中，A表示厚度为250nm的二氧化硅薄膜，B和C分别表示厚度为98nm和252nm的锗薄膜，D表示厚度为99nm的GST薄膜；
该吸收器能够实现1.1-2.5μm近红外波段的可调谐多光谱选择性窄带吸收，最高吸收率超过97%；吸收器在1.8-2.0μm的波长范围内表现出好的方向性和极化性能，在75°-80°能够实现超过90%的S极化吸收。
2.根据权利要求1所述的基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，其特征在于所述基片为K9玻璃基片。
3. 根据权利要求1所述的基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，其特征在于所述GST薄膜选用锗锑碲合金镀制而成，该锗锑碲合金中各原料的掺杂比为22.2wt% Ge：22.2wt% Sb：55.6wt% Te。
4.根据权利要求1所述的基于GST准周期结构的多功能超材料吸收器，其特征在于所述锗薄膜和二氧化硅薄膜通过Ge和SiO2材料均采用电子束热蒸发形成，蒸发速率分别为2Å/S和2.5Å/S；所述GST薄膜通过GST材料采用离子束溅射薄膜沉积形成，薄膜沉积速率为2Å/S。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311725892.7A CN117572550A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 一种基于gst准周期结构的多功能超材料吸收器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311725892.7A CN117572550A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 一种基于gst准周期结构的多功能超材料吸收器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117572550A true CN117572550A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89860873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311725892.7A Pending CN117572550A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 一种基于gst准周期结构的多功能超材料吸收器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117572550A (zh) |
-
2023
- 2023-12-15 CN CN202311725892.7A patent/CN117572550A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rensberg et al. | Epsilon-near-zero substrate engineering for ultrathin-film perfect absorbers | |
| US4312915A (en) | Cermet film selective black absorber | |
| CN110488402B (zh) | 一种紫外可见红外高效反射的银基薄膜结构及镀膜方法 | |
| CN110703369B (zh) | 基于选择性吸收与辐射纳米结构的光波段多功能隐身材料 | |
| US20200150311A1 (en) | Optically transmissive devices and fabrication | |
| CN110133783B (zh) | 一种红外窄带滤光片制造方法 | |
| US4929063A (en) | Nonlinear tunable optical bandpass filter | |
| CN111158069A (zh) | 一种光谱选择性辐射红外隐身材料及其制备方法 | |
| EP3356869B1 (en) | Nano bi-material electromagnetic spectrum shifter | |
| JP6059952B2 (ja) | 熱変換部材及び熱変換積層体 | |
| JP2018040888A (ja) | 無機偏光板及びその製造方法 | |
| Selvakumar et al. | Nanometer thick tunable AlHfN coating for solar thermal applications: transition from absorber to antireflection coating | |
| CN117572550A (zh) | 一种基于gst准周期结构的多功能超材料吸收器 | |
| CN111505753B (zh) | 一种基于碳化硅基底的co2反射膜及其制备方法 | |
| CN108515743B (zh) | 一种金属/介质超宽带吸收薄膜及其制备方法 | |
| Sood et al. | Development of nanostructured antireflection coatings for EO/IR sensor and solar cell applications | |
| CN210270237U (zh) | 一种紫外可见红外高效反射的银基薄膜结构 | |
| US10745289B2 (en) | Vanadium oxide film and process for producing same | |
| CN114924342A (zh) | 一种选择性红外辐射隐身材料及其制备方法 | |
| JP4665153B2 (ja) | 高性能自動調光遮熱ガラス調光層膜厚の決定方法 | |
| CN112764140B (zh) | 一种基于氧化铟锡准周期结构的超材料吸收器 | |
| Jin et al. | Realization of high luminous transmittance and solar modulation ability by thermochromic VO2-based induced transmittance filter (ITF) | |
| CN110376667A (zh) | 一种基于耐火材料的宽波段电磁波吸收器及其制备方法 | |
| CN111880324B (zh) | 可随温度自调节的全向透射薄膜元件及其制备方法 | |
| CN116088077A (zh) | 一种双波动态热伪装结构及其优化方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |