CN108037551B - 一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器 - Google Patents

一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁波宽波段吸收器领域，其公开了一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器，所述复合结构包括多层上下堆叠设置的氧化铟锡层，多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大；每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，相邻的所述纳米线或者所述纳米孔之间的间距为预定值，且相邻的所述纳米线之间的填空介质为空气。本发明提供的多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器提高了吸收效率及吸收谱谱带宽度，且结构简单，易于制造，灵活性较高，有利于推广应用。

Description

一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器
技术领域
本发明属于电磁波宽波段吸收器相关技术领域，更具体地，涉及一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器。
背景技术
自从Landy等人在2008年首次提出了一种由金属***环谐振器和切割电线组成的近乎完美的单波长超材料吸收器以来，研究人员已经研究制造出各种各样的窄带和宽带超材料吸收器，并且经历了一个快速的发展阶段。由于高的能量转换效率，超材料宽波段吸收器已经在基础研究和装置应用领域吸引了很多注意力，例如选择性热发射器、热成像、太阳能电池、热光伏(TPV)***和辐射测热计等。
目前，为了实现宽谱吸收，本领域相关技术人员已经做了一些研究，大多数光学完美吸收器都需要非常复杂的结构和巧妙的设计。随着微纳尺度加工技术的快速发展，研究人员已经提出并制造了多种微纳结构来实现宽谱段的吸收，其中光栅和微纳复合结构是最常用的两种表面结构，并且本领域相关技术人员已经对其性质做了大量的研究。然而，现有的光栅和微纳结构主要存在两个主要问题：1.简单光栅的吸收率较小，且吸收率随波长的变化具有较大的波动，且对于入射光比较敏感，实现不了全方向的宽谱吸收；2.为了保证高吸收率，微纳复合结构需要精巧的结构设计，这使得加工的复杂性提高，制造成本较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器，其基于现有的电磁波宽波段吸收器的工作特点，研究及设计了一种成本较低的多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器。所述复合结构的每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，使得光子在结构内部可以进行更强的多次反射、衍射和吸收，同时增大了对电磁波的吸附面积，更多的电磁波可以被所述复合结构所捕获，提高了吸收效率。此外，多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大，相邻的所述纳米线或者所述纳米孔之间的间距为预定值，通过参数(如占空比、掺杂浓度、长度、层数等)设置来调控各层纳米线或者纳米孔所具有的ENZ和ENP共振波长的位置来调节强吸收的位置及优化吸收光谱的峰值高度和谱带宽度，减小对入射光的敏感度，增加了谱带宽度，能够实现给定波段下的近乎完美的宽谱吸收。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多层堆叠的复合结构，其适用于电磁波宽波段吸收器，其特征在于：
所述复合结构包括多层上下堆叠设置的氧化铟锡层，多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大；
每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，相邻的所述纳米线或者所述纳米孔之间的间距为预定值，且相邻的所述纳米线之间的填空介质为空气。
进一步地，所述纳米线阵列中的纳米线为圆柱体，且多层所述纳米线阵列中的纳米线的直径均不相同。
进一步地，多层所述纳米线阵列中的纳米线的直径自底层至顶层逐渐增大。
进一步地，多层所述纳米线阵列中的纳米线沿光轴方向的长度均不相同，且其自底层至顶层逐渐减小。
进一步地，多层所述纳米孔阵列中的纳米孔为圆形通孔，同层中的相邻所述纳米孔之间的填充介质为氧化铟锡。
进一步地，每层所述纳米线的占空比相等。
按照本发明的另一个方面，提供了一种电磁波宽波段吸收器，其是由如上所述的多层堆叠的复合结构制成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器主要具有以下有益效果：
1.每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，使得光子在结构内部可以进行更强的多次反射、衍射和吸收，同时增大了对电磁波的吸附面积，更多的电磁波可以被所述复合结构所捕获，提高了吸收效率；
2.多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大，相邻的所述纳米线或者所述纳米孔之间的间距为预定值，通过参数(如占空比、掺杂浓度、长度、层数等)设置来调控各层纳米线或者纳米孔所具有的ENZ和ENP共振波长的位置来调节强吸收的位置及优化吸收光谱的峰值高度和谱带宽度，减小了对入射光的敏感度，增加了谱带宽度，能够实现给定波段下的近乎完美的宽谱吸收；
3.所述复合结构的加工简单，制造成本较低，实用性较强，结构简单，灵活性较高，且有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的两层纳米线的多层堆叠的复合结构的示意图；
图2是本发明提供的五层纳米线的多层堆叠的复合结构的示意图；
图3中的a、b分别是两层纳米孔、五层纳米孔的多层堆叠的复合结构的示意图；
图4是本发明提供的纳米线多层堆叠的复合结构中的单层纳米线垂直和平行于光轴时的介电函数图；
图5是本发明提供的多层堆叠的复合结构中的单层纳米线垂直和平行于光轴时的消散系数和折射率随波长的曲线图；
图6是本发明提供的多层堆叠的复合结构中的单层纳米线对应的ENZ和ENP波长随ITO掺杂浓度的变化曲线图；
图7是本发明提供的多层堆叠的复合结构中的单层纳米线在同一掺杂浓度时对应的ENP和ENZ波长随占空比的变化曲线图；
图8是TM波下的本发明提供的多层堆叠的复合结构中的单层纳米线的吸收率随入射角的变化曲线图；
图9是TE波下的本发明提供的多层堆叠的复合结构中的单层纳米线的吸收率随入射角的变化曲线图；
图10中的a、b分别是本发明提供的五层纳米线堆叠的复合结构在TM波入射时的吸收率随波长和入射角度的变化曲线图及在TE波入射时吸收率随波长和入射角度的变化曲线；
图11是本发明提供的五层纳米线堆叠的复合结构及多层堆叠的复合结构的单层纳米线在不同入射角下的TM波吸收率曲线图；
图12是本发明提供的五层纳米线堆叠的复合结构及多层堆叠的复合结构的单层纳米线在不同入射角下的TE波吸收率曲线图；
图13中的a、b分别是本发明提供的五层纳米孔堆叠的复合结构在TM波入射时的吸收率随波长和入射角度的变化曲线及在TE波时的吸收率随波长和入射角度的变化曲线图；
图14是本发明提供的五层纳米孔堆叠的复合结构在不同入射角下的TM波吸收率的曲线图；
图15是本发明提供的五层纳米孔堆叠的复合结构在不同入射角下的TM波吸收率的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的多层堆叠的复合结构，所述复合结构包括多层上下堆叠设置的氧化铟锡层(ITO)，每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，相邻的所述纳米线或者纳米孔之间的间距均为预定值，多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大。
所述纳米线阵列中的纳米线为圆柱体，所述纳米线之间的间隙填充有空气。多层所述纳米线陈列中的纳米线的直径均不相同，其自底层至顶层逐渐减小。多层所述纳米线阵列中的纳米线沿光轴方向的长度也均不相同，其自底层至顶层逐渐减小。多层所述纳米孔阵列中的纳米孔为圆形通孔，同层中的相邻所述纳米孔之间的填充介质为氧化铟锡。
以下以具体模拟数据来对本发明提供的多层堆叠的复合结构进行一步的详细说明。由于五层纳米线堆叠的复合机构中包含两层纳米线堆叠的复合结构的情形，故只对五层纳米线堆叠的复合结构的情形进行详细说明。其中，对于各向异性的材料，可以用有效介质理论把材料的光学特性等效成垂直于光轴和平行于光轴的介电函数，其中ENP(epsilon-near-pole)便是垂直于光轴的介电函数实部的一个极点，而ENZ(epsilon-near-zero)则是平行于光轴的介电函数的实部趋于零的点。
五层纳米线堆叠的复合结构在X和Y方向的间距均为Λ，各层纳米线的长度为hj，直径为dj，本实施方式中，j为小于等于5的正整数。所述纳米线阵列的占空比为f＝πd2/4Λ2。对于由氧化铟锡制成的纳米线，其占空比几乎对ENP波长没有影响，而对于ENZ(Re(εE)＝0)有很大的影响。通过改变纳米线的直径(保持纳米线的间距Λ不变)来调整纳米线的占空比，通过麦克斯韦方程得到的连续性位移条件表明ENZ共振只有介电函数在与界面垂直时才能发生这种现象，这引起了在ENZ波长附近的电场分布，并且只对TM波起作用。然而，在ENP波长附近的电场几乎是全角度的，由于介电函数的水平张量可以与TM和TE波均发生作用，ENP共振在TM偏振和TE偏振中都存在。
请参阅图4及图5，纳米线的掺杂浓度为5×1020cm-3，占空比f＝0.1时，在波长为1.99μm处Re(εE)存在一极点，该极点为ENP共振波长的位置，而在波长为3.35μm处Re(εO)存在一零点，该零点为ENZ共振波长的位置；消光系数kO在波长1.99μm处存在一峰值，这是ENP波长存在强吸收的原因；纳米线的占空比和掺杂浓度对ENZ波长的影响可以通过得到，其中N是载流子浓度，ε0是真空中的介电常数，meff＝0.35me是载流子的有效质量，me和e分别是电子的质量和电荷量，γ＝1.8×1014rad/s是散射率。
请参阅图6及图7，纳米线的占空比为f＝0.1和f＝0.15时，ENZ波长随掺杂浓度的变化规律如图6所示，增加ITO的掺杂浓度，对应不同ITO掺杂浓度的纳米线的ENZ波长在相同的条件下向短波移动，对于同一ITO掺杂浓度的纳米线，占空比小的纳米线具有更长的ENZ波长。随着ITO掺杂浓度的增加，ENP波长向短波方向移动，几乎不随占空比的改变而变化；对于同一ITO掺杂浓度的纳米线，掺杂浓度为5×1020cm-3时，增加占空比时对应的纳米线的ENP波长几乎保持不变，而ENZ波长向短波移动，并且当占空比达到一定值时，ENZ波长和ENP波长几乎重合。
图8和图9对应的ITO掺杂浓度为5×1020cm-3，占空比为f＝0.1，可以看到当TM波入射时存在两个由等离子体激元共振引起的吸收峰，而在TE偏振下只存在一个吸收峰。在ENP波长(横向电场模式)下的吸收是全方向的，位置依赖于ITO掺杂浓度并且几乎不随入射角度变化。ENP波长在2.02±0.05μm的范围之内，并且随着偏振波入射角度的增加，吸收率出现一个轻微的减小。等离激元模式是共振电子运动垂直于纳米线的光轴时，其可以与TM和TE偏振波均发生作用。第二个吸收峰位于ENZ波长(横向磁场模式)，这个等离激元模式是共振电子运动平行于纳米线的光轴，其仅与TM波发生作用。随着入射角的增加，在ENZ波长下的吸收峰值出现一个红移，并且波长逐渐从3.11μm增加到3.62μm。当入射角是零度时，在ENZ波长没有吸收，继续增大入射角，吸收峰的振幅增加并且在入射角为40°到50°之间时达到最大值；当继续增大入射角时，吸收峰值的振幅将减小，这表明ENZ波长依赖于入射角和ITO纳米线的掺杂浓度。增加纳米线的长度，ENP和ENZ共振波长附近的吸收将增加，并且吸收谱带宽度也随之增加。所述复合结构的吸收峰值和吸收谱带宽度可以通过优化每层纳米线的占空、长度及掺杂浓度来达到。
请参阅图10，为了实现宽谱带吸收，我们通过调谐纳米线的ENP和ENZ波长来研究多层纳米线的吸收，其对应的堆叠的五层纳米线的参数设置如下：从顶部到底部的掺杂浓度为N1＝5×1019cm-3，N2＝7×1019cm-3，N3＝1×1020cm-3，N4＝2×1020cm-3，N5＝5×1020cm-3；每层纳米线的占空比为f1＝f2＝f3＝f4＝f5＝0.15；每层纳米线的长度为h1＝25μm，h2＝h3＝h4＝5μm，h5＝10μm。在TM偏振波和TE偏振波入射时，在垂直入射时，ENP对吸收率的影响占主要作用，然而ENZ几乎不起作用，ENP使吸收率展示出对入射角度不敏感，并且波长为1.7μm到8μm的范围内的吸收率接近于1，堆叠的多层纳米线在这个波段范围内有作为完美吸收器或者发射器的潜力。由于ENZ对TE偏振不起作用，所以当倾斜入射时，TM偏振比TE偏振拥有更宽的吸收带宽。
请参阅图11和图12，比较了TM偏振和TE偏振下掺杂浓度为5×1019cm-3时的单层纳米线和堆叠的五层纳米线在入射角度为0和60°的吸收率曲线。在相同的条件下，掺杂浓度为5×1019cm-3的纳米线比其他几种掺杂浓度时的纳米线拥有更好的吸收特性。从图中可以看出，由于多层纳米线有宽的吸收波长区域和对入射角的不敏感性，堆叠的多层纳米线比单层纳米线表现出了更好的吸收特性。图12中短波区域出现了由于干涉影响而造成的干涉条纹，当堆叠纳米线的顺序发生改变时，吸收光谱也将发生改变，在所有的情形中，当堆叠纳米线的掺杂浓度从低到高时，吸收性能表现的最好。和堆叠的多层纳米线类似，堆叠的多层纳米孔也可以用来实现宽波段的完美吸收，由于各层纳米孔在其各自具有的ENP和ENZ共振波长存在强吸收，并且在同等条件下的吸收能力要比纳米线强。
请参阅图13，五层纳米孔堆叠的复合结构从顶部到底部的掺杂浓度为N1＝5×1019cm-3，N2＝7×1019cm-3，N3＝1×1020cm-3，N4＝5×1020cm-3，N5＝1021cm-3，每层纳米孔的占空比为f1＝f2＝f3＝f4＝f5＝0.22，每层纳米孔的长度为h1＝25μm，h2＝h3＝h4＝5μm，h5＝10μm。在垂直入射时，ENP共振对吸收率的影响占主要作用，而ENZ共振几乎不起作用。在ENP共振波长下的吸收显示出对入射角度不敏感性，并且在波长为1μm到8μm的范围内的吸收率接近于1。由于ENZ共振在TE偏振波入射时不起作用，所以偏振波倾斜入射时TM偏振比TE偏振拥有更宽的吸收带宽。
请参阅图14及图15，比较了TM偏振波和TE偏振波入射时堆叠的五层纳米孔在不同入射角度下的吸收率，从图中可以看出，波长为1μm到8μm的范围内的吸收率接近于1，可以实现完美吸收，并且随着入射角度的改变，吸收率的变化不太大。可见，本发明采用的多层堆叠的复合结构合理利用了纳米线和纳米孔具有的在ENP共振波长和ENZ共振波长下的强吸收来调节结构的辐射吸收特性，可以优化在整个波段范围内的吸收率。
本发明提供的多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器，所述复合结构的每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，使得光子在结构内部可以进行更强的多次反射、衍射和吸收，同时增大了对电磁波的吸附面积，更多的电磁波可以被所述复合结构所捕获，提高了吸收效率。此外，多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大，相邻的所述纳米线或者所述纳米孔之间的间距为预定值，通过参数(如占空比、掺杂浓度、长度、层数等)设置来调控各层纳米线或者纳米孔所具有的ENZ和ENP共振波长的位置来调节强吸收的位置及优化吸收光谱的峰值高度和谱带宽度，减小了对入射光的敏感度，增加了谱带宽度，能够实现给定波段下的近乎完美的宽谱吸收。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多层堆叠的复合结构，其适用于电磁波宽波段吸收器，其特征在于：
所述复合结构包括多层上下堆叠设置的氧化铟锡层，多层所述氧化铟锡层的掺杂浓度自底层至顶层逐渐增大；
每层所述氧化铟锡层形成有周期性排列的纳米线阵列或者纳米孔阵列，相邻的所述纳米线或者所述纳米孔之间的间距为预定值，且相邻的所述纳米线之间的填空介质为空气。
2.如权利要求1所述的多层堆叠的复合结构，其特征在于：所述纳米线阵列中的纳米线为圆柱体，且任一层所述纳米线阵列中的纳米线的直径，都与其他层纳米线的直径不相同。
3.如权利要求2所述的多层堆叠的复合结构，其特征在于：多层所述纳米线阵列中的纳米线的直径自底层至顶层逐渐增大。
4.如权利要求1-3任一项所述的多层堆叠的复合结构，其特征在于：任一层所述纳米线阵列中的纳米线沿光轴方向的长度，都与其他层纳米线沿光轴方向的长度不相同，且其自底层至顶层逐渐减小。
5.如权利要求1-3任一项所述的多层堆叠的复合结构，其特征在于：多层所述纳米孔阵列中的纳米孔为圆形通孔，同层中的相邻所述纳米孔之间的填充介质为氧化铟锡。
6.如权利要求1所述的多层堆叠的复合结构，其特征在于：每层所述纳米线的占空比相等。
7.一种电磁波宽波段吸收器，其特征在于：所述电磁波宽波段吸收器是由如权利要求1-6任一项所述的多层堆叠的复合结构制成的。
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