CN103346409B - 基于介质调制的中红外多频段及宽频带周期性吸波结构 - Google Patents
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Abstract
基于介质调制的中红外多频段及宽频带周期性吸波结构，属于功能材料与器件技术领域，本发明包括连续的底层金属薄膜和设置于底层金属薄膜上的圆形吸波单元阵列，各吸波单元尺寸相同，所述吸波单元包括至少两层介质层，且各层介质的介电常数相异，相邻介质层之间为金属层，最上一层介质层的上面设置有金属层。本发明通过多层结构叠加的形式可以灵活实现双波段、三波段及更多波段的多波段吸收结构，或者宽频带吸收结构，且吸波性能优异。
Description
技术领域
本发明属于功能材料与器件技术领域，应用于中红外发射率调制，中红外热辐射探测伪装，中红外多频谱点阵成像等多个领域。
背景技术
周期性完美吸波结构体(Perfectabsorber)是近年来从电磁超材料(Electromagneticmetamaterial)衍生出的一种新型电磁结构器件。这种吸波结构体利用超材料的谐振特性：金属阵列单元会与入射电场产生电谐振，而上下平行的两层金属间感应出反向平行的电流，导致与入射磁场产生磁谐振，从而使得电磁波被有效地局域在结构单元中。根据等效煤质理论，其电磁特性可以通过有效介电常数[ε(ω)]和有效磁导率[μ(ω)]表示。通过对电谐振和磁谐振的合理调制，可以使得该结构与空间阻抗匹配：从而入射电磁波在谐振点的反射为零，同时由于底层金属阻止了入射波的透过，因此，可以形成一个近乎100%吸收效果的吸收峰。这种吸波结构体具有吸收效率高，电磁谐振特性可调，对入射角度、极化方向不敏感等诸多优点。然而由于这种吸收效果是基于周期性完美吸波结构体的电磁谐振特性产生，因此吸收频带窄、频段单一是其固有的缺陷。但是在诸多应用领域中，如热辐射调制器，多频谱点阵成像，红外热辐射探测伪装等，迫切需要一种具有多频段或宽频带吸收效果的周期性完美吸波结构体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工作在中红外波段的多频带及宽频段周期性吸波结构，能够实现双波段、三波段及更多波段的多波段吸收。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于介质调制的中红外多频段及宽频带周期性吸波结构，其特征在于，包括连续的底层金属薄膜和设置于底层金属薄膜上的圆形吸波单元阵列，各吸波单元尺寸相同，所述吸波单元包括至少两层介质层，且各层介质的介电常数相异，相邻介质层之间为金属层，最上一层介质层的上面设置有金属层。
所述金属薄膜和金属层的材质为Al。所述吸波单元自底层向上依次为：材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为ZnS的第二介质层、材质为Al的第二金属层。每个吸波单元的直径1.9μm；以圆心距计，吸波单元阵列的行距、列距皆为2.7μm，每个介质层厚度皆为0.08μm，每个金属层厚度皆为0.05μm，底层金属薄膜厚度为100nm。
或者，所述吸波单元自底层向上依次为：材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为PbF2的第二介质层、材质为Al的第二金属层、材质为ZnS的第三介质层、材质为Al的第三金属层。每个吸波单元的直径1.9μm；以圆心距计，吸波单元阵列的行距、列距皆为2.7μm，每个介质层厚度皆为0.08μm，每个金属层厚度皆为0.05μm，底层金属薄膜厚度为100nm。
或者，所述吸波单元自底层向上依次为：材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为PbF2的第二介质层、材质为Al的第二金属层、材质为Al2O3的第三介质层、材质为Al的第三金属层。每个吸波单元的直径1.9μm；以圆心距计，吸波单元阵列的行距、列距皆为2.7μm，第一介质层厚度为0.06μm，第二介质层和第三介质层厚度皆为0.08μm，每个金属层厚度皆为0.05μm，底层金属薄膜厚度为100nm。
所述介质层材料为Al2O3、Y2O3、MgF2、PbF2、ZnS、ZnSe、Ge或Si，且各介质层材料相异。
本发明具有如下突出的优点：
①通过多层结构叠加的形式可以灵活实现双波段、三波段及更多波段的多波段吸收结构，或者宽频带吸收结构，且吸波性能优异；
②结构简单，厚度薄，体积轻，可实现与其他器件的良好兼容；
③制备工艺简单、易于实现，可获得大面积的吸波结构器件。
附图说明
图1为所发明的周期性吸波结构的基本单元结构图：（a）周期性单元结构正面示意图及基本结构参数，（b）双波段吸波结构侧面示意图，（c）三波段吸波结构侧面示意图，（d）宽频带吸波结构侧面示意图。
图2为所发明的周期性吸波结构的正面周期性排布结构示意图。
图3为所发明的周期性吸波结构MA-1的吸收率曲线图。
图4为所发明的周期性吸波结构MA-2的吸收率曲线图。
图5为所发明的周期性吸波结构MA-3的吸收率曲线图。
具体实施方式
本发明的周期性吸波结构由多层的“金属-介质”夹层结构以及底层连续金属薄膜组成。利用谐振峰的位置随介质层介电常数的增加而线性增加的特性调节吸收峰的特性。当在介质层中采用多种介电常数相差较大的介质，由于每个谐振层产生的谐振峰相隔较远且近乎独立，可以叠加形成实现双波段、三波段等多波段的吸波结构；当在介质层中采用多种介电常数比较接近的介质，由于每个谐振层产生的谐振峰相互靠近，可以叠加形成实现宽频带的吸波结构。
在本发明中，吸波结构设计在以Si为支撑的衬底基片上，底层的连续金属膜及上层金属贴片均为Al。当采用2组“金属-介质”夹层结构，其中介质层分别为MgF2和ZnS，能够获得双波段的吸收峰；当采用3组“金属-介质”夹层结构，其中介质层分别为MgF2、PbF2、ZnS，能够获得三波段的吸收峰；当采用3组“金属-介质”夹层结构，其中介质层分别MgF2、PbF2、Al2O3，能够获得宽频段的吸收峰。通过商业电磁仿真软件CSTMicrowaveStudio获得反射率、透射率参数，计算得到吸收率曲线。
本发明的吸波单元为周期性排布，特别的，吸波单元排布为阵列式，由于各个吸波单元尺寸相同，以吸波单元的中心点作为参照。对圆形吸波单元而言，本发明以圆心距作为阵列的行距和列距的参照基准。图1示出了每个吸波单元以及所占底层金属薄膜的范围，金属薄膜为正方形，其边长a与正交方向的相邻圆心距是相同的。
实施例1：
如图1（b）所示，采用2组“金属-介质”夹层结构和底层连续金属薄膜组成的吸波结构，实现双波段的吸波结构MA-1，在支撑性的Si衬底基片上首先为100nm的连续金属Al薄膜，在其上为周期性的2组圆形“Al-MgF2”和“Al-ZnS”贴片夹层结构。其中周期单元尺寸a=2.7μm,圆形贴片尺寸为d=1.9μm，介质层厚度h1=h3=0.08μm,金属层厚度h2=h4=0.05μm,MgF2的介电常数为1.75，ZnS的介电常数为4.48。其吸收率曲线如图3所示，图中可以看出，由于双层介质的调制作用，该结构分别在5.17μm、7.8μm得到95.4%、91.1%的吸收峰，获得了一个双波段的吸收峰。
实施例2：
如图1（c）所示，采用3组“金属-介质”夹层结构和底层连续金属薄膜组成的吸波结构，实现三波段的吸波结构MA-2，在支撑性的Si衬底基片上首先为100nm的连续金属Al薄膜，在其上为周期性的3组圆形“Al-MgF2”、“Al-PbF2”和“Al-ZnS”贴片夹层结构。其中周期单元尺寸a=2.7μm,圆形贴片尺寸为d=1.9μm，介质层厚度h1=h3＝h5=0.08μm,金属层厚度h2=h4=h6=0.05μm,MgF2的介电常数为1.75，PbF2的介电常数为2.83，ZnS的介电常数为4.48。其吸收率曲线如图4所示，图中可以看出，由于多层介质的调制作用，该结构分别在5.22μm、6.35μm、7.76μm得到96.7%、98%、91.2%的吸收峰，获得了一个三波段的吸收峰。
实施例3：
如图1（d）所示，采用3组“金属-介质”夹层结构和底层连续金属薄膜组成的吸波结构，实现宽频段的吸波结构MA-3，在支撑性的Si衬底基片上首先为100nm的连续金属Al薄膜，在其上为周期性的3组圆形“Al-MgF2”、“Al-PbF2”和“Al-Al2O3”贴片夹层结构。其中周期单元尺寸a=2.7μm,圆形贴片尺寸为d=1.9μm，介质层厚度h1=0.06μm,h3=h5=0.07μm,金属层厚度h2=h4=h6=0.05μm,MgF2的介电常数为1.75，PbF2的介电常数为2.83，Al2O3的介电常数为2.28。其吸收率曲线如图5所示，图中可以看出，由于多层介质的调制作用，该结构在87%的吸收率高度实现了一个宽度达1.3μm的吸收峰，获得了一个宽频段的吸收峰。
Claims (3)
1.基于介质调制的中红外多频段及宽频带周期性吸波结构，其特征在于，包括连续的底层金属薄膜和设置于底层金属薄膜上的圆形吸波单元阵列，各吸波单元尺寸相同，所述吸波单元包括至少两层介质层，且各层介质的介电常数相异，相邻介质层之间为金属层，最上一层介质层的上面设置有金属层，所述金属薄膜和金属层的材质为Al；
所述吸波单元自底层向上依次为：
材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为ZnS的第二介质层、材质为Al的第二金属层；
或者，所述吸波单元自底层向上依次为：
材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为PbF2的第二介质层、材质为Al的第二金属层、材质为ZnS的第三介质层、材质为Al的第三金属层；
或者，所述吸波单元自底层向上依次为：
材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为PbF2的第二介质层、材质为Al的第二金属层、材质为Al2O3的第三介质层、材质为Al的第三金属层。
2.如权利要求1所述的基于介质调制的中红外多频段及宽频带周期性吸波结构，其特征在于，
所述吸波单元自底层向上依次为：
材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为ZnS的第二介质层、材质为Al的第二金属层；每个吸波单元的直径1.9μm；以圆心距计，吸波单元阵列的行距、列距皆为2.7μm，每个介质层厚度皆为0.08μm，每个金属层厚度皆为0.05μm，底层金属薄膜厚度为100nm。
3.如权利要求1所述的基于介质调制的中红外多频段及宽频带周期性吸波结构，其特征在于，所述吸波单元自底层向上依次为：
材质为MgF2的第一介质层、材质为Al的第一金属层、材质为PbF2的第二介质层、材质为Al的第二金属层、材质为ZnS的第三介质层、材质为Al的第三金属层；
每个吸波单元的直径1.9μm；以圆心距计，吸波单元阵列的行距、列距皆为2.7μm，每个介质层厚度皆为0.08μm，每个金属层厚度皆为0.05μm，底层金属薄膜厚度为100nm。
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