CN102856663A

CN102856663A - 一种超材料宽带红外吸波结构材料

Info

Publication number: CN102856663A
Application number: CN2012103040656A
Authority: CN
Inventors: 翁小龙; 杜文芬; 邓龙江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: CN102856663B

Abstract

一种超材料宽带红外吸波结构材料，属于电子功能结构材料技术领域。该红外吸波结构材料由表层面超材料金属贴片阵列、中间层介质层和底层连续金属膜组成。当电磁波入射到超材料表面时，金属层与介质层之间相互作用产生电磁耦合作用，通过合理地设计单元结构的周期尺寸及几何参数，能够实现对某个特定频率电磁波的完美吸收。本发明具有宽频高吸收性，极化不敏感、结构简单、体积小等优点，可以用来调节灰体、黑体的发射特性，也可以作为高效的电磁加热装置，此外在红外点阵成像，红外伪装以及热辐射测量等领域具有应用潜力。

Description

一种超材料宽带红外吸波结构材料

技术领域

本发明属于电子功能结构材料技术领域，涉及红外吸波结构材料，特别是一种基于三种不同矩形阵列金属贴片的超材料宽带红外吸波结构材料。

背景技术

近年来，超材料由于其所具有的新颖物理效应及潜在应用价值受到了广泛的关注，并被应用于诸多新的领域，如负折射材料、隐身衣、完美透镜等。根据等效媒质理论，超材料的的电磁特性用等效介电常数和等效磁导率表示。通过合理地设计超材料的周期尺寸及其几何参数，使其与入射的电磁波分别产生电谐振与磁谐振，从而相应地控制其等效介电常数和等效磁导率。对超材料的先期研究主要是围绕其负磁导率或负折射率特性来开展工作，因此只考虑超材料的等效介电常数的实部和等效磁导率的实部。但是，由超材料的等效介电常数的虚部和等效磁导率的虚部产生的损耗也具有很多潜在的应用。通过对超材料的等效介电常数和等效磁导率的调制，可以使其的等效阻抗与空气阻抗匹配，达到零反射的效果，同时底层金属的厚度大于电磁波的趋肤深度，使得透射为零，这样实现了对入射电磁波的完美吸收。这种超材料具有高吸收性，极化不敏感，结构简单，体积小等优点，可以用来调节灰体、黑体的发射特性，也可以作为高效的电磁加热装置，此外在红外点阵成像，热辐射测量等领域也具有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明提供一种超材料宽带红外吸波结构材料，该红外吸波结构材料基于三种不同矩形阵列金属贴片的超材料来实现红外波段宽频高吸收率的吸波功能。

本发明技术方案如下：

一种超材料宽带红外吸波结构材料，如图1~3所示，包括金属衬底1、位于金属衬底1表面的介质层2和位于介质层2表面的超材料3。所述金属衬底1的厚度大于红外波段电磁波在金属衬底1中的趋肤深度。所述位于介质层2表面的超材料3由单元超材料结构周期性排列而成，其中单元超材料结构（如图2所示）是一个边长为a的正方形结构，由两个横向分布的矩形金属贴片和两个纵向分布的矩形金属贴片围绕一个正方形金属贴片所形成。所述横向分布的矩形金属贴片和纵向分布的矩形金属贴片尺寸相同，长度为L2、宽度为L3；所述正方形金属贴片边长为L1。

上述超材料宽带红外吸波结构材料所述正方形单元超材料结构边长为a，4.0μm≤a≤5.0μm；所述矩形金属贴长度为L2、1.70μm≤L2≤2.00μm，宽度为L3、0.65μm≤L3≤0.80μm；所述正方形金属贴片边长为L1，1.60μm≤L1≤1.75μm。所述金属衬底（1）和超材料（3）材料为金、银或铝。所述介质层（2）材料为Al₂O₃。

本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料，当红外波段电磁波垂直入射时，入射电磁波的电场分别与表面超材料3发生电谐振，而入射电磁波的磁场与两层金属层之间发生磁谐振，产生相反的平行电流，从而引起谐振响应。合理地设计三种矩形阵列结构的尺寸使得电谐振与磁谐振在三个特定频率点处同时发生电磁谐振，能够获得宽频高效吸收效果。

本发明具有以下效果：

1、通过三种矩形金属贴片的设计，使其在三个特定频率点处同时发生电磁谐振，从而获得宽频高效的红外波段电磁波吸收效果；

2、本发明具有结构简单、厚度薄、体积轻的特点，可贴装于目标物体表面，实现目标物体的红外伪装；

3、通过对超材料3的金属贴片阵列结构的调整可以控制吸收峰位置及强度，以满足红外波段不同频率范围对红外电磁波的吸收要求；

4、本发明具有极化不敏感、入射角度大等特点。

综上，本发明具有宽频高吸收性，极化不敏感、结构简单、体积小等优点，可以用来调节灰体、黑体的发射特性，也可以作为高效的电磁加热装置，此外在红外点阵成像，红外伪装以及热辐射测量等领域具有应用潜力。

附图说明

图1为本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料的剖面结构示意图。其中1是金属衬底、2是介质层、3是超材料结构。

图2为本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料中超材料单元结构示意图。

图3本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料中超材料结构示意图。

图4本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料MA-1的反射率及吸收率曲线。

图5本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料MA-2的反射率及吸收率曲线。

图6本发明提供的超材料宽带红外吸波结构材料MA-3的反射率及吸收率曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：

采用电子束蒸发沉积及接触式紫外线曝光工艺制备超材料宽带红外吸波结构材料MA-1，在Si基片上依次电子束蒸发沉积一层连续100nm的金属膜（金属衬底1），一层连续的220nm介质层Al₂O₃（介质层2），最后沉积一层100nm图形化的金属膜（超材料结构3）。其中，超材料结构3周期单元尺寸a=4.7μm，三种矩形阵列尺寸分别为L1=1.65μm，L2=2μm，L3=0.7μm。其反射曲线及吸收曲线如图4所示，从图4中可以看出，分别在5.5μm、6.1μm、7.1μm得到99.9%、99.7%、99.3%的吸收峰，获得了一个宽频吸收曲线，但在5.8μm、6.6μm出现吸收凹点，吸收较差，分别为78%、52.5%。

具体实施方式二：

采用电子束蒸发沉积及接触式紫外线曝光工艺制备超材料宽带红外吸波结构材料MA-2，在Si基片上依次电子束蒸发沉积一层连续100nm的金属膜（金属衬底1），一层连续的220nm介质层Al₂O₃（介质层2），最后沉积一层100nm图形化的金属膜（超材料结构3）。其中，超材料结构3周期单元尺寸a=4.3μm，三种矩形阵列尺寸分别为L1=1.7μm，L2=1.8μm，L3=0.75μm。其反射曲线及吸收曲线如图5所示，从图5中可以看出，在5.6-6.8μm范围内，该红外吸波结构材料的吸收率均在80%以上，同时分别在5.7μm、6.2μm、6.6μm得到95%、93%、93。5%的吸收峰，在6.0μm、6.4μm出现吸收凹点，吸收率分别为80%、89.6%。获得了一个较好的宽频吸收曲线。

具体实施方式三：

采用电子束蒸发沉积及接触式紫外线曝光工艺制备超材料宽带红外吸波结构材料MA-3，在Si基片上依次电子束蒸发沉积一层连续100nm的金属膜（金属衬底1），一层连续的220nm介质层Al₂O₃（介质层2），最后沉积一层100nm图形化的金属膜（超材料结构3）。其中，超材料结构3周期单元尺寸a=4.5μm,三种矩形阵列尺寸分别为L1=1.65μm，L2=1.8μm，L3=0.75μm。其反射曲线及吸收曲线如图6所示，从图6中可以看出，在5.6-6.7μm范围内，该红外吸波结构材料的吸收率均在90%以上，同时分别在5.7μm、6.1μm、6.5μm得到97.8%、99.4%、98.9%的吸收峰，获得了一个好的宽频吸收曲线，实现了一种优良的超材料宽频中红外吸波器。

综上所述，本发明中利用电磁波的谐振原理，采用三种不同矩形阵列贴片结构设计的超材料吸收器表现出宽频高效吸收性能。

Claims

1.一种超材料宽带红外吸波结构材料，包括金属衬底（1）、位于金属衬底（1）表面的介质层（2）和位于介质层（2）表面的超材料（3）；所述金属衬底（1）的厚度大于红外波段电磁波在金属衬底（1）中的趋肤深度；所述位于介质层（2）表面的超材料（3）由单元超材料结构周期性排列而成，其中单元超材料结构形状为正方形，由两个横向分布的矩形金属贴片和两个纵向分布的矩形金属贴片围绕一个正方形金属贴片所形成；所述横向分布的矩形金属贴片和纵向分布的矩形金属贴片尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的超材料宽带红外吸波结构材料，其特征在于，所述正方形单元超材料结构边长为a，4.0μm≤a≤5.0μm；所述矩形金属贴长度为L2、1.70μm≤L2≤2.00μm，宽度为L3、0.65μm≤L3≤0.80μm；所述正方形金属贴片边长为L1，1.60μm≤L1≤1.75μm。

3.根据权利要求1所述的超材料宽带红外吸波结构材料，其特征在于，所述金属衬底（1）和超材料（3）材料为金、银或铝。

4.根据权利要求1所述的超材料宽带红外吸波结构材料，其特征在于，所述介质层（2）材料为Al₂O₃。