CN104198051A - 一种多频带的红外超材料吸波体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频带的红外超材料吸波体，属于多频带的红外超材料吸波体技术领域，解决只能在单一频带内电磁波的高吸收问题。本发明的超材料吸波体由多个吸波体单元组成，吸波体单元由自下而上依次设置的基底、金属层、介质层和亚波长的金属结构组成，所述亚波长的金属结构由两个尺寸一样的“L”型结构组成，“L”型结构的边分别平行于相对应的吸波体单元的边，两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，“L”型结构的臂长为0.5~1微米，臂宽为0.1~0.3微米。用于红外波段三个频带电磁波的高吸收。

Description

一种多频带的红外超材料吸波体

技术领域

一种多频带的红外超材料吸波体，用于红外波段三个频带电磁波的高吸收，属于多频带的红外超材料吸波体技术领域。

背景技术

制备高性能的红外探测器的关键主要在于高性能的红外吸波材料。红外吸波材料是指对红外光区域某一频段或某几个频段具有较强吸收的特殊功能材料。传统的红外吸波材料主要是利用材料的能级跃迁吸收，将电磁能转化成材料内部的势能，如分子势能、电子势能等，其转换效率会受到材料的限制，很难实现较高的红外吸收。然而，随着超材料的出现，为吸波材料开辟了一个新的发展方向。由于超材料独特的电磁特性，基于超材料制成的新型的电磁吸收结构，即超材料吸波体，能够实现对电磁波的近乎完美吸收。

超材料作为一种新的人工电磁材料，近年来，备受科研人员的关注并取得了一定的进展。超材料是具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质的统称，其物理特性并不取决于材料化学组分的本征性能，而是取决于超材料内部的特定结构。当其与电磁波相互作用时，往往会产生出极好的、自然界或化学合成材料无法获得的物理特性。因此，其具有许多特殊的应用，如完美吸波体、完美透镜、负折射等。超材料吸波体作为超材料的应用之一，由于其优良的性能，因此在选择性热发射器、热光伏、热测辐射热计、传感器等器件上具有广泛的应用前景。自从N.I.Landy等人第一次实验验证了超材料完美吸波体后，超材料吸波体取得了快速的发展，工作波段逐渐从射频波段延伸到了THz波段，红外波段甚至可见光波段。

由于，超材料吸波体独特的电磁特性，使其很容易在某一频带实现高吸收。目前，研究人员提出了许多不同结构的红外超材料吸波体，但它们更多的是在某一个单一频带内实现电磁波的高吸收，而多频带的红外超材料吸波体却很少提出。目前实现多频带吸收的吸波体结构主要采用的是由多个单频吸收结构并行排列组成的阵列，这种方法虽然可以实现多频带吸收，但增加了结构的复杂度，对加工技术提出了更高的要求，且各个频带的吸收率很难同时实现高吸收。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处提供了一种多频带的红外超材料吸波体，解决了只能单一频带内电磁波的高吸收问题，超材料吸波体实现了在红外波段具有三个频带、高吸收的特性。

       为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：超材料吸波体由多个吸波体单元组成，吸波体单元由自下而上依次设置的基底、金属层、介质层和亚波长的金属结构组成，所述亚波长的金属结构由两个尺寸一样的“L”型结构组成，“L”型结构的边分别平行于相对应的吸波体单元的边，两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，“L”型结构的臂长为0.5~1微米，臂宽为0.1~0.3微米。

作为优选，所述每个吸波体单元的横剖面都为正方形，其边长为1.2~2微米。

作为优选，所述两个“L”型结构的外边沿与吸波体单元边沿的距离为0.1~0.3微米。

作为优选，所述亚波长的金属结构的厚度为0.1~0.3微米。

作为优选，所述金属层的厚度为0.05~0.4微米，由金、银或铝金属材料中的一种制成。

       作为优选，所述介质层的厚度为0.15~0.35微米，由硅、氟化镁或氧化铝中的一种红外吸收材料制成。

       作为优选，所述基底的厚度为1~5000微米，由硅、氧化硅或石英玻璃材料中的一种制成。

       与现有技术相比，本发明的优点在于：

       一、本发明提出了一种新的红外超材料吸波体结构，该结构由“金属-介质-金属”结构组成，其中亚波长的金属结构由两个“L”型的结构组成，两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，结构简单，且易于实现。

二、本发明提出的红外超材料吸波体结构，可以在4~11微米的波长范围内实现三个频带的高吸收，且吸收率高达90%以上。

附图说明

图1是本发明的局部俯视图；

图2是本发明的吸波体单元的立体结构示意图； 

图3是本发明的吸波体单元的俯视图及其几何特征参数，其中D是吸波体单元的边长，L和W是“L”型结构两条臂的长度和宽度，X是“L” 型结构与吸波体单元的边的距离；

图4是本发明的实施例1的吸收曲线图；

图5是本发明的实施例2的吸收曲线图；

图6是本发明的实施例3的吸收曲线图；

图中：1-亚波长的金属结构，2-介质层，3-金属层，4-基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示，一种多频带的红外超材料吸波体，超材料吸波体由多个吸波体单元组成，吸波体单元由自下而上依次设置的基底4、金属层3、介质层2和亚波长的金属结构1组成，所述亚波长的金属结构1由两个“L”型结构组成，两个“L”型结构相分离，两个“L” 型结构的尺寸完全一样，且平行于相对应的吸波体单元的边。两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，“L”型结构的臂长为0.5~1微米，臂宽为0.1~0.3微米。每个吸波体单元的横剖面都为正方形，其边长为1.2~2微米。所述两个“L”型结构的外边沿与吸波体单元边沿的距离为0.1~0.3微米。所述亚波长的金属结构1的厚度为0.1~0.3微米。所述金属层3的厚度为0.05~0.4微米，由金、银或铝金属材料中的一种制成。所述介质层2的厚度为0.15~0.35微米，由硅、氟化镁或氧化铝中的一种制成。所述基底4的厚度为1~5000微米，由硅、氧化硅或石英玻璃材料中的一种制成。

       实施例1：

       每个多频带的红外超材料吸波单元均由亚波长的金属结构1、介质层2、金属层3和基底4组成。亚波长的金属结构1位于整个吸波体单元的最上面，基底4位于整个吸波体单元的最底层，介质层2位于亚波长的金属结构1的之下，金属层3位于介质层2和基底4之间。吸波体单元的横剖面为正方形，其边长为1.4微米。亚波长的金属结构1和金属层3的材料为金属铝，其厚度均为0.1微米。亚波长的金属结构1由两个尺寸一样的“L”型结构组成，且平行于相对应的吸波体单元的边。两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，其臂的长度和宽度分别为0.8微米和0.2微米，两个“L”型结构的对称中心位于介质层的正中心，两个“L”型结构的外边沿与吸波体单元边沿的距离为0.15微米。介质层2的材料为硅，其厚度为0.22微米。基底4的材料为硅，其厚度为1000微米。通过数值模拟，得到该实施例在红外波段的吸收曲线，如图4所示。

       实施例2：

       每个多频带的红外超材料吸波单元均由亚波长的金属结构1、介质层2、金属层3和基底4组成。亚波长的金属结构1位于整个吸波体单元的最上面一层，基底4位于整个吸波体单元的最底层，介质层2位于亚波长的金属结构1之下，金属层3位于介质层2和基底4之间。吸波体单元的横剖面为正方形，其边长为1.4微米。亚波长的金属结构1和金属层3的材料均为金属铝，其厚度均为0.1微米。亚波长的金属结构1由两个尺寸一样的“L”型结构组成，且平行于相对应的吸波体单元的边，两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，其臂的长度和宽度分别为0.8微米和0.1微米，两个“L”型结构的对称中心位于介质层的正中心，两个“L”型结构的外边沿与吸波体单元边沿的距离为0.15微米。介质层2的材料为硅，其厚度为0.22微米。基底4的材料为硅，其厚度为1000微米。通过数值模拟，得到该实施例在红外波段的吸收曲线，如图5所示。

实施例3：

       每个多频带的红外超材料吸波单元由亚波长的金属结构1、介质层2、金属层3和基底4组成。亚波长的金属结构1位于整个吸波体单元的最上面，基底4位于整个吸波体单元的最底层，介质层2位于亚波长的金属结构1的之下，金属层3位于介质层2和基底4之间。吸波体单元的横剖面为正方形，其边长为1.4微米。亚波长的金属结构1由两个尺寸一样的“L”型结构组成，且平行于相对应的吸波体单元的边，两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，其臂的长度和宽度分别为0.8微米和0.2微米，两个“L”型结构的对称中心位于介质层的正中心，两个“L”型结构的外边沿与吸波体单元边沿的距离为0.15微米。亚波长的金属结构1和金属层3的材料为金属铝，其厚度均为0.1微米。介质层2的材料为硅，其厚度为0.2微米。基底4的材料为硅，其厚度为1000微米。通过数值模拟，得到该实施例在红外波段的吸收曲线，如图6所示。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (7)

1.一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：超材料吸波体由多个吸波体单元组成，吸波体单元由自下而上依次设置的基底、金属层、介质层和亚波长的金属结构组成，所述亚波长的金属结构由两个尺寸一样的“L”型结构组成，“L”型结构的边分别平行于相对应的吸波体单元的边，两个“L”型结构沿吸波体单元的对角线呈轴对称，“L”型结构的臂长为0.5~1微米，臂宽为0.1~0.3微米。

2.根据权利要求1所述的一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：所述每个吸波体单元的横剖面都为正方形，其边长为1.2~2微米。

3.根据权利要求1、2所述的一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：所述两个“L”型结构外边沿与吸波体单元边沿的距离为0.1~0.3微米。

4.根据权利要求3所述的一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：所述亚波长的金属结构的厚度为0.1~0.3微米。

5.根据权利要求1所述的一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：所述金属层的厚度为0.05~0.4微米，由金、银或铝中的一种制成。

6.根据权利要求1所述的一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：所述介质层的厚度为0.15~0.35微米，由硅、氟化镁或氧化铝中的一种红外吸收材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种多频带的红外超材料吸波体，其特征在于：所述基底的厚度为1~5000微米，由硅、氧化硅或石英玻璃中的一种制成。