CN111338010A - 一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，用以降低计算量和减少设计时间；其包括：上层金属层、上层介质层、中间层金属层、中间层介质层和下层金属，所述中间层介质层位于中间层金属层和下层金属之间，所述上层金属层和中间层金属层之间设置有上层介质层。所述上层金属层、上层介质层、中间层金属层和中间层介质层构成双重复合金属‑介质‑金属亚波长结构单元，所述双重复合金属‑介质‑金属亚波长结构单元周期为500nm。结合非均匀叠层和传输线等效结构方法，设计近红外波段具有完美吸收功能的表面等离激元超材料。
Description
技术领域
本发明涉及表面等离激元超材料技术领域，尤其涉及一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构。
背景技术
随着微纳器件加工的不断发展，纳米工艺可以制备具有特殊表面等离激元特性的金属纳米结构，且已广泛应用于能源存储、表面增强传感和光伏太阳能等领域。采用纳米压印技术可以制备周期性叠层金属介质亚波长结构，该结构可以实现对电磁波的完美吸收。当电磁波进入金属纳米结构时存在一定损耗，而超材料完美吸收可以将全部的电磁波能量束缚在金属纳米结构中。
在光学范围内，已经报道了许多表面等离激元超材料，如可重构表面等离激元超材料、低损耗表面等离激元超材料和双曲超材料。在目前的研究工作中，表面等离激元超材料通常是根据经典电磁波理论求解麦克斯韦方程来设计。得益于计算电磁学的巨大进步，表面等离激元超材料可以通过全波电磁仿真进行***设计和优化。然而，全波模拟方法的使用往往需要较高的计算量和大量的时间，这严重限制了设计的灵活性和智能性，增加了设计周期。基于表面等离激元的等效结构理论是有效的优化方法，它对每个集总元件的功能进行简化和模块化，因此在射频和微波范围内得到了广泛而成功的应用。
虽然，在光学范围内等效结构理论可能会为设计表面等离激元超材料提供一个思路，但由于元件材料电磁特性的显著差异，许多等效方案在射频和微波波段不能直接照搬。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的部分技术问题，而提出的一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构。该方法结合非均匀叠层的设计理念以及传输线等效结构理论进行设计，可以近红外波段表面等离激元超材料的设计，既降低了计算量又减少了设计时间。
另外，通过改变样叠层的层数以及厚度，可以设计具有高通、低通、带通、带阻滤波等结构功能的表面等离激元超材料。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，用以降低计算量和减少设计时间；其包括：上层金属层、上层介质层、中间层金属层、中间层介质层和下层金属，所述中间层介质层位于中间层金属层和下层金属之间，所述上层金属层和中间层金属层之间设置有上层介质层。
优选的，所述上层金属层、上层介质层、中间层金属层和中间层介质层构成双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元，所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元周期为500nm。
优选的，所述上层金属层的材料为金，宽度为200nm，厚度为50nm。
优选的，所述上层介质层的材料为氧化铝，宽度为200nm，厚度为14nm。
优选的，所述中间层金属层的材料为金，宽度为200nm，厚度为100nm。
优选的，所述中间层介质层的材料为氧化铝，宽度为200nm，厚度为8nm。
优选的，所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元与入射光相互作用会产生等离激元共振效应，采用分布式电感和电容元件的结构来表示麦克斯韦方程组中的物理量。
优选的，所述上层金属层和中间层金属层等效为结构中的电阻和电感，所述上层介质层和中间层介质层等效为结构中的电容，可以得到双重复合金属-介质-金属亚波长单元结构的等效结构。
优选的，增加一层金属层和介质层，构成三重复合金属-介质-金属亚波长结构，可以得到三重复合金属-介质-金属亚波长单元结构的等效结构。
优选的，所述三重复合金属-介质-金属亚波长结构的金属层材料为金，介质层材料为氧化铝，厚度从上至下依次为50nm、2.2nm、60nm、12.5nm、150nm、70nm。
本发明具有以下有益效果：结合非均匀叠层和传输线等效结构方法，设计近红外波段具有完美吸收功能的表面等离激元超材料，与传统的求解麦克斯韦方程相比，设计方法简单，可以节约大量时间成本。
附图说明
图1为本发明双重金属-介质-金属亚波长结构单元的等效RLC示意图；
图2为本发明双重金属-介质-金属亚波长结构单元反射率曲线图；
图3为本发明双重金属-介质-金属亚波长结构在不同波长处电磁场强度分布图；
图4为本发明三重金属-介质-金属亚波长结构单元的等效RLC示意图；
图5为本发明超材料低通滤波器的反射率曲线图；
图6为本发明超材料高通滤波器的反射率曲线图；
图7为本发明超材料带通滤波器的反射率曲线图；
图8为本发明超材料带阻滤波器的反射率曲线图。
图中：上层金属层1、上层介质层2、中间层金属层3、中间层介质层4和下层金属5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明揭示了一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，用以设计近红外波段完美吸收超材料；
请参阅图1，其包括：上层金属层1、上层介质层2、中间层金属层3、中间层介质层4和下层金属5，所述中间层介质层位于中间层金属层和下层金属之间，所述上层金属层和中间层金属层之间设置有上层介质层。
优选的，所述上层金属层1、上层介质层2、中间层金属层3和中间层介质层4构成双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元，所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元周期为500nm。
优选的，所述上层金属层1的材料为金，宽度为200nm，厚度为50nm。
优选的，所述上层介质层2的材料为氧化铝，宽度为200nm，厚度为14nm。
优选的，所述中间层金属层3的材料为金，宽度为200nm，厚度为100nm。
优选的，所述中间层介质层4的材料为氧化铝，宽度为200nm，厚度为8nm。
进一步的，所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元与入射光相互作用会产生等离激元共振效应，采用分布式电感和电容元件的结构来表示麦克斯韦方程组中的物理量。
优选的，所述上层金属层和中间层金属层等效为结构中的电阻和电感，所述上层介质层和中间层介质层等效为结构中的电容，可以得到双重复合金属-介质-金属亚波长单元结构的等效结构。
其中，电阻R1和R2分别为入射光入射至上层金属层1和中间层金属层3时所产生的电磁波能量损耗的等效电阻，电感Le1和Le2为上层金属层1和中间层金属层3自身电子的惯性引起的动力学感应而产生的等效动力学电感，电感Lm1和Lm2是介质上下两层的金所引起的法拉第感应而产生的等效法拉第电感，电容C由两层金属之间的介质层而产生的等效电容，Cair为周围空气介质所产生的电容，趋近于0，在计算过程中可以忽略不计。
请参阅图2，对双重复合金属-介质-金属亚波长结构进行电磁模拟仿真计算,得到在近红外波段1000nm至2500nm下该结构的反射率光谱。反射峰所在位置分别为波长在1618nm和2033nm，可以将所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构应用于近红外波段的双频率选择器。在波长1618nm处的反射率为2.483％，吸收率为97.517％；在波长2033nm处的反射率为0.108％，吸收率为99.892％，均可以达到完美吸收。
请参阅图3，在波长分别为1618nm、1812nm和2033nm的电磁场分布图。当电磁波为1618nm时，入射光的能量都被束缚在所述上层介质层2中；类似的，当电磁波为2033nm时，入射光的能量都被束缚在所述中间层介质层4中；当电磁波为1812nm时，入射光在所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构中不能形成表面等离激元共振，仅有部分入射光会被吸收在介质中。
进一步的，请参阅图4，增加一层金属层和介质层，构成三重复合金属-介质-金属亚波长结构，可以得到三重复合金属-介质-金属亚波长单元结构的等效结构。
优选的，所述三重复合金属-介质-金属亚波长结构的金属层材料为金，介质层材料为氧化铝，厚度从上至下依次为50nm，2.2nm，60nm，12.5nm，150nm，70nm。可以将三重复合金属-介质-金属亚波长结构等效为三个RLC结构并联。
请参阅图5，在波长大于1800nm时，入射光的反射率大于80％，而在波长小于1450nm时，多重复合金属-介质-金属亚波长结构对入射光的反射率小于10％，吸收率在90％以上，即波长较长的入射光可以导通，波长短对应的频率高时光基本被吸收，可在近红外波段构成超材料低通滤波器。
请参阅图6，在波长大于2000nm时，多重复合金属-介质-金属结构对入射光的反射率小于10％，吸收率均在90％以上，而在波长小于1800nm时，可以看出多重复合金属-介质-金属结构对入射光的反射率大于80％，在此波段入射光大多数被反射，即在此波段下可以构成超材料高通滤波器。
请参阅图7，多重复合金属-介质-金属结构对入射光的反射率小于10％，吸收率均在90％以上，而在波长1450nm～2250nm时，多重复合金属-介质-金属结构对入射光的反射率大于60％，在此波段入射光大多数被反射，即在此波段下可以构成超材料的带通滤波器。
请参阅图8，在波长为1200nm～1900nm时，可以看到吸收率均在95％上，可以构成超材料的带阻滤波器。
本发明的有益效果在于：一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，可以在近红外波段实现对单一或多频点光的完美吸收。大大降低了设计时间和周期，通过改变参数设置，进而可以设计不同应用的完美吸收超材料。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，用以降低计算量和减少设计时间；其包括：上层金属层(1)、上层介质层(2)、中间层金属层(3)、中间层介质层(4)和下层金属(5)，所述中间层介质层(4)位于中间层金属层(3)和下层金属(5)之间，所述上层金属层(1)和中间层金属层(3)之间设置有上层介质层(2)。
2.根据权利要求1一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述上层金属层(1)、上层介质层(2)、中间层金属层(3)和中间层介质层(4)构成双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元，所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元周期为500nm。
3.根据权利要求1和2任意一项一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述上层金属层(1)的材料为金，宽度为200nm，厚度为50nm。
4.根据权利要求1和2任意一项一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述上层介质层(2)的材料为氧化铝，宽度为200nm，厚度为14nm。
5.根据权利要求1和2任意一项一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述中间层金属层(3)的材料为金，宽度为200nm，厚度为100nm。
6.根据权利要求1和2任意一项一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述中间层介质层(4)的材料为氧化铝，宽度为200nm，厚度为8nm。
7.根据权利要求2一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述双重复合金属-介质-金属亚波长结构单元与入射光相互作用会产生等离激元共振效应，采用分布式电感和电容元件的结构来表示麦克斯韦方程组中的物理量。
8.根据权利要求1一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述上层金属层(1)和中间层金属层(3)等效为结构中的电阻和电感，所述上层介质层(2)和中间层介质层(4)等效为结构中的电容，可以得到双重复合金属-介质-金属亚波长单元结构的等效结构。
9.根据权利要求1一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，增加一层金属层和介质层，构成三重复合金属-介质-金属亚波长结构，可以得到三重复合金属-介质-金属亚波长单元结构的等效结构。
10.根据权利要求9一种近红外完美吸收的表面等离激元超材料结构，其特征在于，所述三重复合金属-介质-金属亚波长结构的金属层材料为金，介质层材料为氧化铝，厚度从上至下依次为50nm、2.2nm、60nm、12.5nm、150nm、70nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Xiamen University patent director Document name: Notice of conformity |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200626 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |