CN111239881A - 一种在太阳光谱高反射及在中红外高吸收的超材料吸波体 - Google Patents
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Abstract
一种在太阳光谱高反射及在中红外高吸收的超材料吸波体。本发明公开了一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的选择性超材料吸波体，涉及功能型光学超材料技术领域。该吸波体分为两层，上层是在二氧化硅平板上刻蚀倒三角形沟槽（3）形成二氧化硅锥形体（1），下层为金薄膜衬底（2）。倒三角形沟槽深度约20μm~100μm，二氧化硅锥形体上部宽度约1μm~3μm，下部宽度约5μm~20μm，间隔约0μm~3μm。上层二氧化硅锥形体和下层金属衬底组成基本单元，该基本单元在垂直光传播的二维平面上周期性展开。该超材料吸波体在紫外可见光波段0.3μm~4μm具有较高的反射率，在中红外波段8μm~30μm具有较高的吸收率，本发明具有结构简单、易于制备、吸收带宽广、吸收效果好的优点，可以应用于红外探测、辐射制冷等领域。
Description
技术领域
本发明涉及功能型光学超材料技术及应用领域，具体为一种在紫外可见太阳光谱波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体。
背景技术
伴随着微纳米科学技术与制造技术的发展，超材料的研究受到了广泛重视，超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构与材料。它可以突破自然规律的限制，形成具有特殊电磁特征的人造结构材料。通过调控材料的微观结构，人们可以创造出对特定波段具有高吸收或高反射的超材料。近年来，辐射制冷作为一种无源、高效、可再生的降低制冷功耗的方法，在节能领域引起了广发的关注。实现辐射制冷的方法是对紫外可见太阳光谱波段的电磁波高反射，而对中红外波段的电磁波高吸收。因此，设计出一种对紫外可见太阳光谱波段光具有高反射及对中红外波段的电磁波具有高吸收的超材料吸波体，对辐射制冷技术的发展具有重要意义。同时，该超材料结构体还可用于传感器探测、非线性光学、电磁隐身技术等领域。
目前，研究人员提出了一些超材料吸波结构用于辐射制冷，但这些结构存在各种缺点，如吸收带宽不够宽且吸收带宽窄不易调节，如结构由多层不同材料堆叠而成制备麻烦成本高。针对以上存在的问题，本发明设计了一种简易结构的超材料宽带吸波体，它只对一种材料进行刻蚀，制备简单，并且实现了在紫外可见太阳光谱波段的反射率大于90％，在中红外波段的吸收率大于90％，可以实现在太阳直接照射下的辐射制冷。该结构具有鲁棒性，结构尺寸在一定范围内的改变(增大或减小)，对超材料吸波体的发射和吸收性能影响不大。本发明提出的超材料吸收体结构克服了以往技术的结构复杂、吸收带宽窄、吸收效果差、制备困难的问题，具有广阔的应用前景。
发明内容
为实现在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的目的，本发明内容如下：一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体，两层结构，上层为二氧化硅锥形体(1)，下层为金薄膜衬底(2)，在二氧化硅平板上刻蚀倒三角形沟槽(3)，其中二氧化硅平板厚度HSiO2＝20μm～100μm，倒三角形沟槽(3)深度Hetch＝20μm～100μm，对于二氧化硅锥形体(1)，其上部宽度wu＝1μm～3μm，下部宽度wl＝5μm～20μm，间隔为 0μm～3μm，金薄膜衬底(2)厚度HAu＝0.05μm～5μm。
可以在上述范围内改变二氧化硅平板厚度HSiO2、二氧化硅锥形体(1)上部宽度 wu、二氧化硅锥形体(2)下部宽度wl、二氧化硅锥形体(1)周期P、金薄膜衬底(2)膜厚度HAu、倒三角形沟槽(3)深度Hetch等参数，同样实现紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收。金属薄膜衬底也可以是金属银、铜、钨、铝等金属。二氧化硅材料可以换成三氧化二铝、玻璃等其他在紫外可见光低吸收、红外波段高吸收的材料。
超材料结构体中每个锥形体(1)的二氧化硅平板厚度,倒三角形沟槽(3)深度、上下宽度及其间隔周期都可在其所述范围内改变，不同锥形体的结构尺寸可以稍微有所不同，这对超材料吸收体的反射、透射、吸收性能影响很小。
对该发明的结构尺寸作改变，如放大或缩小、修改某一结构参数、改变周期P、非周期结构变化等改变，不改变其在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的特性。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明提出的超材料吸波体上部只使用同一种材料，与以往的多层复杂结构相比，本发明大大降低了结构复杂性，使得制备相对非常简单，吸收和反射的效果也比较好。
本发明提出的超材料吸波体所用材料皆为常规材料，易于实现。
本发明提出的超材料吸波体在结构上具有鲁棒性，结构尺寸在一定范围内的改变(增大或减小)，对超材料吸波体的发射和吸收性能影响不大。
附图说明
图1为本发明的超材料吸波体的三维结构俯视图(三维俯视图)。
图2为本发明的超材料吸波体结构的侧视图(二维侧视图)。
图3为本发明的超材料吸波体结构的在实施例一时的吸收光谱示意图(中间尺寸吸收谱)。
图4为本发明的超材料吸波体结构的在实施例二时的吸收光谱示意图(大尺寸吸收谱)。
图5为本发明的超材料吸波体结构的在实施例三时的吸收光谱示意图(小尺寸吸收谱)。
图6为本发明的超材料吸波体结构的在实施例四时的吸收光谱示意图(三氧化二铝结构吸收谱)。
具体实施方式
结合以下具体实施案例及附图，对本发明作进一步说明，但本发明的保护内容不局限于以下实施例。熟悉本领域的技术人员可容易对以下实例进行修改，并把一般原理应用到其它实例中而不通过创造性的劳动。故凡本领域技术人员根据本发明之提示，对本发明进行的修改和改进均在本发明的保护之内，并且以所附的权利要求书为保护范围。
实施例一
在平行波入射下，二氧化硅的厚度HSiO2＝50微米，金薄膜的厚度HAu＝2微米，周期P＝8微米，二氧化硅的顶部宽度wu＝1微米。入射的电磁波范围在0.3微米到40微米。所提出的超材料吸波体的吸收光谱图如图3所示，可以看出，在0.3微米到4微米的反射率大于0.9，在8微米至30微米的吸收率大于0.9。
实施例二
在平行波入射下，二氧化硅的厚度HSiO2＝100微米，金薄膜的厚度HAu＝3微米，周期P＝10 微米，二氧化硅的顶部宽度wu＝1微米。入射的电磁波范围在0.3微米到40微米，平行波入射。所提出的超材料吸波体的吸收光谱图如图4所示，可以看出，在0.3微米到4微米的反射率同样大于0.9，在8微米至30微米的吸收率同样大于0.9，通过改变超材料吸波体的结构尺寸，刻蚀深度等参数，只要保持对二氧化硅平板刻蚀的是倒三角形沟槽，就可以实现对入射电磁波的波长范围在0.3微米到4微米左右的高反射，以及在电磁波波长范围在8微米到30微米左右的高吸收。
实施例三
在平行波入射下，二氧化硅的厚度HSiO2＝20微米，金薄膜的厚度HAu＝2微米，周期P＝8微米，二氧化硅的顶部宽度wu＝1微米。入射的电磁波范围在0.3微米到40微米，平行波入射。所提出的超材料吸波体的吸收光谱图如图5所示。从这里可以看出，将发明的超材料吸波体的结构尺寸缩小到一定范围，对电磁波长波段的吸收会有些许影响，对短波段的反射影响非常小，因此本实例用来说明对提出的超材料吸收体结构尺寸改变时，一样可以达到一定范围内的电磁波的吸收和反射。对本发明的超材料结构尺寸作改变以及其他一些参数的修改，同样在本发明的保护范围之内。
实施例四
在平行波入射下，二氧化硅材料换成三氧化二铝(Al2O3)，其厚度为50微米，金薄膜换成银膜，其厚度为2微米，周期P＝8微米，三氧化二铝的顶部宽度wu＝1微米。入射的电磁波范围在0.3微米到40微米，平行波入射。所提出的超材料吸波体的吸收光谱图如图6所示，可以看出，在0.3微米到4微米的吸收率小于0.1，在8微米至26微米吸收率大于 0.9。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例子，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体，其包括：两层结构，上层为二氧化硅锥形体（1），下层为金薄膜衬底（2），其特征在于：在二氧化硅平板上刻蚀倒三角形沟槽（3），其中二氧化硅平板厚度H SiO2 =20μm~100μm，倒三角形沟槽（3）深度H etch =20μm~100μm，对于二氧化硅锥形体（1），其上部宽度w u =1μm~3μm，下部宽度w l =5μm~20μ m，间隔为0μm~3μm，金薄膜衬底（2）膜厚度H Au =0.05μm~5μm。
2.根据权利要求1所述的一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体，其特征在于：可以改变二氧化硅平板厚度H SiO2 、二氧化硅锥形体（1）上部宽度w u 、二氧化硅锥形体（2）下部宽度w l 、二氧化硅锥形体（1）周期P、金薄膜衬底（2）膜厚度H Au 、倒三角形沟槽（3）深度H etch 等参数，同样实现紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收。
3.根据权利要求1所述的一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体，其特征在于：超材料结构体中每个锥形体（1）的二氧化硅平板厚度倒三角形沟槽（3）深度、上下宽度及其间隔周期都可在权利要求1所述范围内改变，不同锥形体的结构尺寸可以稍微有所不同。
4.根据权利要求1所述的一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体，其特征在于：二氧化硅底部的金属底板材料可以是金属金、银、铜、钨、铝等金属，二氧化硅材料可以换成三氧化二铝、玻璃等其他在紫外可见光低吸收、红外波段高吸收的材料，这些改进应在本发明的保护之内。
5.根据权利要求1所述的一种在紫外可见光波段高反射及在中红外波段高吸收的超材料吸波体，对该发明的结构尺寸作改变，如放大或缩小、修改某一结构参数、改变周期P、非周期结构变化等改进，均应在本发明的保护之内。
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