超寬帶中紅外超材料吸收器的光學(xué)性能分析

王丹 黃金英

(長(zhǎng)春電子科技學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130000)

電磁超材料吸收器具有諧振特點(diǎn)，具備的吸收頻率和結(jié)構(gòu)有著很強(qiáng)的相關(guān)性，很多結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)為窄帶吸收，很多科研機(jī)構(gòu)對(duì)寬帶紅外超材料吸收器方面投入研發(fā)力量，把不同尺寸單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合并置到相同周期結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)合此結(jié)構(gòu)具備的諧振特性，每個(gè)尺寸單元結(jié)構(gòu)均對(duì)應(yīng)吸收峰，多尺寸單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合可形成一個(gè)吸收帶，采用該技術(shù)可以對(duì)帶寬進(jìn)行有效拓展，但由于拓展以后的帶寬仍無(wú)法滿足需要，還應(yīng)該進(jìn)一步提升平均吸收率。同時(shí)，采用多尺寸結(jié)構(gòu)來(lái)給制造工藝帶來(lái)困難，應(yīng)用單一尺寸結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)超寬帶是需要解決的問(wèn)題，基于中紅外波段來(lái)設(shè)計(jì)單一尺寸結(jié)構(gòu)化吸收器，隨著入射光角度發(fā)展改變時(shí)，吸收帶寬度和吸收率并沒(méi)有發(fā)生顯著改變，具有良好的光學(xué)吸收性能。

1 電磁超材料與吸收器

傳統(tǒng)電磁材料受到質(zhì)量、體積等因素的制約無(wú)法發(fā)揮了應(yīng)有的潛力，電磁超材料具備特性與結(jié)構(gòu)中材料性質(zhì)、占比、尺寸、排列和組合方式等有著直接關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位、振幅和偏狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可以形成多種超常規(guī)物理現(xiàn)象。很多天然電磁材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均大于零，采用特定的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成的電磁超材料可以將上述性能變?yōu)樨?fù)值而作為負(fù)折射率材料。一般情況下，厚度低于波長(zhǎng)10%的電磁超材料均可稱(chēng)作二維電磁超表面，具有質(zhì)量小、體積輕等方面的優(yōu)勢(shì)，隨著微納米加工技術(shù)的不斷發(fā)展，二級(jí)超表面已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)[1]。

電磁波在傳遞過(guò)程中，如果遇到物體會(huì)有部分電磁波被物體吸收，借助電磁波吸收器，可以對(duì)傳遞的電磁波吸收，將吸收的電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰?，人們借助電磁超材料，可以?duì)電磁波進(jìn)行控制，使結(jié)構(gòu)與入射電磁波發(fā)生耦合作用，電磁波能量的吸收過(guò)程中可在特定頻率或頻寬，同時(shí)，還應(yīng)人工控制電磁波的反射和透射，確保與阻抗進(jìn)行匹配，電磁波吸收器將會(huì)吸收更多的電磁波，轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觿?dòng)能。為了良好地控制電磁波透射性能，應(yīng)注重對(duì)衰減特性材料的選擇，將電磁波吸收器內(nèi)部的電磁波加速度衰減。吸收器由底層反射金屬、中間介質(zhì)層和頂層構(gòu)成，電場(chǎng)分量一般是由入射電磁波和電諧振環(huán)共振作用，使兩層金屬構(gòu)建起的磁偶極子共振用于吸收磁場(chǎng)分量，不會(huì)存在反射和透射電磁波。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)吸收器性能提出了更高的要求，對(duì)超材料吸收器的研究變得更為深入。空氣中的水、二氧化碳和臭氧等分子對(duì)紅外光線具有較強(qiáng)有吸收和散射效果[2]，部分紅外光線不會(huì)在地面與外太空傳輸，但一些特定波段的紅外光線可以穿透大氣層，電磁超材料吸收器在對(duì)此可見(jiàn)光波段有著很好的吸收率。中紅外波段波長(zhǎng)區(qū)間為8～13 μm，現(xiàn)有的中紅外波段吸收器并不能很好地滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

2 寬帶中紅外超材料吸收器的結(jié)構(gòu)與建模

2.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

單一尺寸圖案化結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用金屬鈦?zhàn)鳛樽畹讓樱蓪?duì)電磁波起到阻擋作用，厚度要超過(guò)工作波段趨膚深度，厚度確定為0.1 μm。鈦金屬為介質(zhì)層，選擇二氧化硅材料，可對(duì)圖案化結(jié)構(gòu)起到支撐作用，二氧化硅上面為薄鈦膜，可對(duì)表面等離子激元形成的共振頻率進(jìn)行調(diào)控，采取為MIM 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上方填置圖案化鈦結(jié)構(gòu)，吸收器需要不對(duì)入射光極化方向產(chǎn)生敏感，采取方塊TI 結(jié)構(gòu)。采用薄膜沉積技術(shù)來(lái)逐次制備鈦膜、二氧化鈦膜、鈦膜，應(yīng)用微納米加工技術(shù)形成鈦方塊陣列[3]。方塊鈦厚度h1的區(qū)間為0.9～2.9 μm，寬度W的區(qū)間為1.1～3.3 μm，相鄰方塊間隙g為0.8～1.4 μm，薄層鈦膜厚度h2區(qū)間0.001～0.011 μm、介質(zhì)層二氧化厚度h3為0.1 μm、反射層鈦厚度h4為0.1 μm，結(jié)構(gòu)周期P為2.9～3.5 μm，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍具體如表1所示[4]。

圖1 單一尺寸圖案化結(jié)構(gòu)圖

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍表

2.2 結(jié)構(gòu)建模

采用有限元方法以對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析與研究，吸收器x、y兩個(gè)方向都作為周期性邊界條件，入射光以Z軸方向入射，環(huán)境介質(zhì)為空氣。吸收率A=1-R-T，R作為反射率，取為|S11|2，T為透射率，取為|S21|2。底層金屬厚度h4為0.1 μm，超過(guò)入射光在金屬材料中的趨膚深度，不存在光透過(guò)現(xiàn)象，則T取為0，公式可簡(jiǎn)化為A=1-R。選擇頻域求解器，波長(zhǎng)與長(zhǎng)度單位為μm，二氧化硅和鈦材料，繪圖建模并定義Zmax入射源，頻率區(qū)間為7～14 μm，確定邊界條件x、y和z，劃分自適應(yīng)網(wǎng)格，對(duì)特定頻率條件下的電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，把參數(shù)導(dǎo)出并采用公式進(jìn)行計(jì)算，繪制吸收譜與電場(chǎng)分布圖。超材料吸收器的建模步驟如圖2所示[5]。

圖2 超材料吸收器的建模步驟表

3 超寬帶中紅外超材料吸收器光學(xué)性能影響

3.1 光學(xué)性能分析

電磁波正常入射至吸收器，進(jìn)行仿真并繪制吸收率曲線圖。吸收器對(duì)入射光極化方向具有敏感性是影響吸收率的關(guān)鍵因素，計(jì)算在TE、TM兩種不同偏振模式下吸收曲線進(jìn)行請(qǐng)算，從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩條曲線為基本重合狀態(tài)，也就是在電磁波垂直入射時(shí)不對(duì)方向產(chǎn)生敏感，這是由于結(jié)構(gòu)為完全對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)在10.2 μm、8.44 μm 時(shí)存在吸收峰，10.2 μm 吸收峰附近在帶寬為0.92 μm區(qū)間（9.77～10.69 μm）內(nèi)的吸收率可達(dá)到99%，此帶寬為中紅外波段的18.4%；在8.44 μm吸收峰附近帶寬為0.36 μm 區(qū)間（8.29～8.65 μm）內(nèi)的吸收率可達(dá)到97%。在上述兩個(gè)峰附近存在著優(yōu)異的吸收性能[6]。

為深入分析與研究吸收器寬帶高吸收機(jī)理，監(jiān)測(cè)垂直入射TE電磁波電場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)二氧化硅介質(zhì)層和頂層鈦薄膜界面電場(chǎng)分布具有更為明顯的特征，電場(chǎng)分布主要集中于鈦金屬方塊正方、相鄰方塊鈦間隙兩個(gè)區(qū)域。而吸收器于8.44 μm 波長(zhǎng)，鈦方塊下方區(qū)域電場(chǎng)分布強(qiáng)度最高，其他鈦方塊下方區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度減??；而10.2 μm 波長(zhǎng)，相鄰方塊鈦間隙電場(chǎng)分布最強(qiáng)，其他波長(zhǎng)的相鄰方塊鈦間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度也在變小。

吸收譜首個(gè)吸收峰為相鄰方塊鈦間隙電場(chǎng)生成，第二個(gè)吸收峰是位于鈦方塊下方區(qū)域，集中存在著高強(qiáng)度電場(chǎng)，吸收譜于短波的吸收知是因?yàn)槲掌魃蓚鞑ケ砻娴入x子體激元共振，電場(chǎng)存在于鈦方塊正下方；長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收峰是由于表面等離子體共振引起的，電場(chǎng)集中于相鄰方塊鈦間隙部位。上述兩種共振模式的共同作用，吸收器位于8～13 μm區(qū)間內(nèi)，電場(chǎng)集中存在于鈦方塊下方和相鄰方塊鈦間隙部位，這樣就可以對(duì)中紅外波段寬帶進(jìn)行吸收[7]。

3.2 鈦薄膜對(duì)性能的影響

與不添加薄層鈦金屬吸收器進(jìn)行對(duì)比來(lái)看，存在薄層鈦金屬吸收器在中紅外波段具有更高的吸收率，中間的鈦膜具有關(guān)鍵作用，如果吸收器不存在中間鈦膜，則為三層典型結(jié)構(gòu)，吸收性能是PSP、LSP 決定，也就是兩個(gè)吸收峰獨(dú)立存在，短波長(zhǎng)吸收峰是由于PSP共振引起，長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收峰是由LSP 共振引起。結(jié)構(gòu)中填加一定厚度薄層鈦膜，導(dǎo)致兩個(gè)共振峰相臨更近，長(zhǎng)、短波長(zhǎng)吸收峰值都有著很大的提升，也就是兩種共振都得到增強(qiáng)，表明該層薄層鈦膜對(duì)兩種共振具有促進(jìn)作用，吸收器在中紅外波段有著更高吸收性能。

為深入分析薄層鈦膜對(duì)吸收器性能產(chǎn)生的影響，在確保一直相關(guān)的參數(shù)保持固定前提下，使鈦膜厚度從0.001 μm 提升至0.011 μm，對(duì)吸收器吸收譜改變情況進(jìn)行分析。從中可以看出，薄層鈦膜厚度比較薄且兩個(gè)吸收峰分隔得比較開(kāi)且獨(dú)立，薄層鈦膜不斷增厚時(shí)，短波的吸收峰向長(zhǎng)波方向位移，長(zhǎng)波吸收峰隨之向短波方向平移，當(dāng)兩個(gè)吸收峰逐漸相鄰，吸收譜峰值并不存在衰減。當(dāng)薄層鈦膜厚度參數(shù)值降低則吸收器帶寬區(qū)間大，厚度參數(shù)值增加則帶寬變窄。當(dāng)鈦膜厚度保持0.001 μm時(shí)的帶寬大，吸收率為95.7%；當(dāng)鈦膜厚度保持0.003 μm則吸收率較0.001 μm時(shí)有所提高，數(shù)值顯示為96.5%。因此，應(yīng)平衡結(jié)合帶寬與吸收率之間的關(guān)系，確保薄層鈦膜厚度保持在0.001～0.005 μm區(qū)間，吸收器在中紅外波段具有優(yōu)異性能。這就表明，如果薄層鈦膜厚度變薄，吸收器更相以于典型三層結(jié)構(gòu)，吸收譜具有2個(gè)明顯獨(dú)立吸收峰，如果吸收峰分得比較開(kāi)則有著更寬的帶寬；薄層鈦膜厚度變大，鈦膜和頂層方塊鈦進(jìn)行結(jié)合，與連續(xù)結(jié)構(gòu)比較相似，LSP共振吸收變得更弱，吸收譜帶寬變窄。通過(guò)合理調(diào)節(jié)薄層鈦膜厚度設(shè)置吸收率與帶寬，吸收器可以在中紅外波段有著更寬的帶寬和更好的吸收性能[8]。

3.3 鈦方塊尺寸對(duì)性能的影響

鈦金屬方塊人橫向尺寸W、縱向尺寸h1，改變橫向尺寸的W值，分析每個(gè)W值對(duì)應(yīng)的吸收譜。在W值由1.1 μm 提升至2.1 μm 時(shí)，吸收率在不斷變大，帶寬也在相應(yīng)變寬；W值由2.4 μm 提升至3.3 μm 時(shí)，吸收率在不斷變小，吸收帶寬也相應(yīng)收窄。這是由于隨著W值的不斷變大，PSP 共振效果也在不斷變強(qiáng)，W值為2.1 μm，吸收器結(jié)構(gòu)在短波長(zhǎng)條件下可進(jìn)行很好的吸收，W值變大以后，鈦金屬方塊占空比超過(guò)0.71，LSP共振會(huì)導(dǎo)致吸收率變小，吸收率在長(zhǎng)波長(zhǎng)方向不斷變小，可將鈦方塊橫各尺寸確定為2.1 μm。

保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變h1的數(shù)值，鈦金屬方塊曬太陽(yáng)度h1由0.9 μm 增長(zhǎng)至2.9 μm，對(duì)不同取值下對(duì)應(yīng)的吸收譜進(jìn)行分析。鈦金屬方塊厚度對(duì)吸收光譜有有著很大的影響。多吸收位置角度進(jìn)行分析，如果鈦金屬方塊厚度低于0.19 μm，吸收帶位于中紅外波段中的短波區(qū)域；鈦金屬方塊厚充超過(guò)1.9 μm，吸收帶會(huì)向著長(zhǎng)波方向移動(dòng)。而多鈦金屬方塊厚度條件下吸收率角度進(jìn)行分析，厚度由0.9 μm 增大至1.9 μm，吸收率會(huì)不斷變強(qiáng)；百度由1.9 μm 增大至2.9 μm，短波方向吸收率呈現(xiàn)了衰減趨勢(shì)，在長(zhǎng)波方向吸收峰會(huì)存在紅移。為了綜合考慮帶寬與吸收率，可鈦金屬方塊厚度確定為1.9 μm，可以達(dá)到很好的吸收性能。這是由于薄鈦方塊可使結(jié)構(gòu)更趨于連續(xù)平面結(jié)構(gòu)，厚鈦方塊會(huì)使結(jié)色效果更好，連續(xù)平面結(jié)構(gòu)PSP 吸收效果為更明顯，LSP 共振有著很好的吸收效果，在鈦方塊變厚時(shí)，有助于長(zhǎng)波方向LSP 吸收，抑制短波方向的PSP吸收[9]。

3.4 鈦方塊間隙對(duì)性能的影響

對(duì)相鄰鈦方塊間的間隙進(jìn)行調(diào)整，其他參數(shù)不作改變，保持寬度W值不變，通過(guò)改變周期P來(lái)調(diào)整方塊間的間隙，由0.8 μm 增大至1.4 μm。方塊間隙對(duì)帶寬有著很大的影響，間隙值小則位于中紅外治波段存在顯著的兩個(gè)吸收峰，帶寬則比較寬，如果間隙值為0.8 μm，會(huì)存在著兩個(gè)獨(dú)立的吸收峰，存在著峰谷則對(duì)兩峰波段吸收率產(chǎn)生影響。間隙從1 μm 增大至1.4 μm，結(jié)構(gòu)化效果變得更加顯著，與結(jié)構(gòu)粗糙度增大較為相似，這對(duì)PSP吸收比較不利，吸收性能會(huì)變得更差，因此，間隙值為1 μm具有更好的吸收性能。

3.5 入射光角度對(duì)性能影響

吸收光譜對(duì)入射光角度產(chǎn)生敏感，其他參數(shù)保持不變，調(diào)整入射光角度，角度由0°增大至60°。入射光從0°增大至30°時(shí)，帶寬和吸收率不會(huì)發(fā)生改變；在入射光角度為40°時(shí)，帶寬與吸收率會(huì)開(kāi)始變差，表明入射光角度位于30°區(qū)間內(nèi)，都有著很好的吸收性能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，吸收器不會(huì)對(duì)入射電磁波極化方向產(chǎn)生很好的敏感性，在中紅外波段有著更寬的帶寬和更好的吸收性。中間薄層鈦膜對(duì)PSP、LSP 共振有著很好的促進(jìn)作用；吸收率與帶寬在鈦金屬方塊W值的1.1～2.1 μm區(qū)間內(nèi)，隨著W值變大而增強(qiáng)，W值的2.4～3.3 μm區(qū)間，吸收光譜變小且?guī)捯草^窄；鈦金屬方塊厚度低于1.9～2.1 μm，吸收帶集中于中紅外波段的短波區(qū)域，當(dāng)厚度超過(guò)1.9～2.1 μm 則會(huì)使吸收帶向著長(zhǎng)波方向移動(dòng)；相鄰鈦金屬方塊間的間隙較小時(shí)，吸收峰較為顯著，帶寬較寬；入射光角度在0°～30°區(qū)間，帶寬和吸收率不會(huì)發(fā)生變面，入射光角度在40°時(shí)開(kāi)始變差。