寬頻帶超材料完美吸波器研究現(xiàn)狀

孫帥輝

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

超材料是一種人工設(shè)計(jì)的周期性微納結(jié)構(gòu)材料，由于其具有天然常規(guī)材料所不具備的諸如負(fù)折射率、完美吸收、逆多普勒效應(yīng)等特殊性能，近年來引起人們的極大關(guān)注。超材料完美吸收器（PMA）作為超材料的一個(gè)重要分支，可以在特定波段對電磁波實(shí)現(xiàn)近乎完全的吸收。自2008年LANDY等[1]首次在11.5 GHz實(shí)現(xiàn)完美吸收后，PMA得到了快速的發(fā)展，并已實(shí)現(xiàn)在太赫茲波段、紅外波段以及可見光波段的完美吸收。雖然實(shí)現(xiàn)窄帶的完美吸收是容易的，但是寬頻帶的完美吸收尤其是太赫茲及更高頻段的寬頻帶完美吸收是相對困難的，這是由它的吸收機(jī)制、表面等離子共振（SPR）所引起的固有窄帶造成的。但對光電探測、光伏器件等十分具有發(fā)展前景的領(lǐng)域來說，實(shí)現(xiàn)寬帶吸收是必要的。因而，本文綜述了近年來寬頻帶PMA的實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)應(yīng)用，以期為寬頻帶PMA的發(fā)展提供幫助。

1 寬頻帶PMA的結(jié)構(gòu)

金屬-介質(zhì)-金屬（MⅠM）三層結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)PMA的普遍思路，不同類型的PMA均是在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。近年來的研究認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)寬帶吸收主要可以通過以下3種方式：①選用合適的材料，主要是難熔金屬等，并通過恰當(dāng)?shù)膸缀卧O(shè)計(jì)，降低品質(zhì)因數(shù)（Q值）實(shí)現(xiàn)寬帶吸收；②在一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中包含多個(gè)尺寸差異較小、吸收峰較為接近的諧振器，并使其吸收峰互相融合，形成寬帶吸收；③在同一結(jié)構(gòu)單元中實(shí)現(xiàn)表面等離極化激元（SPP）、局域表面等離子共振（LSP）、法布里-珀羅（FP）等多種共振模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

1.1 金屬-介質(zhì)-金屬型

由于貴金屬更易激發(fā)SPR，早期的PMA研究常采用貴金屬金、銀等，但這并不利于寬帶的實(shí)現(xiàn)，且價(jià)格昂貴。具有高損耗性能的難熔金屬鉻、鈦、鎢、鎳等有助于增強(qiáng)電阻效應(yīng)，降低Q值，增加吸收器的帶寬，近年來被廣泛應(yīng)用于寬頻帶PMA的設(shè)計(jì)中。üSTüN等[2]選用圓盤狀金屬Ti作為頂部金屬層，中間介質(zhì)層選用Ge，金屬Al為底部金屬，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的3層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在長波紅外波段8～12.7 μm范圍90%以上的吸收，將中間介質(zhì)層換為SiO2并適當(dāng)改變結(jié)構(gòu)尺寸，可以實(shí)現(xiàn)在中紅外波段2.41～5.4 μm范圍90%以上的吸收。為了進(jìn)一步提高長波紅外波段的吸收帶寬，LⅠ等[3]在Ti-SiO2-Ti三層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在頂部金屬層與中部介質(zhì)層之間增加了5 nm的金屬Ti薄膜，使SPP與LSP均得到增強(qiáng)，最終在8～13 μm波段平均吸收率高達(dá)96.7%。中科院長春光機(jī)所ZHOU等[4]將Ge和Si3N4復(fù)合，共同作為中間介質(zhì)層，利用SPR和有損材料Si3N4的本征吸收，模擬結(jié)果顯示該器件在8～14 μm的平均吸收率接近95%，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在可見光及近紅外波段同樣可以采用高損耗金屬，2021年，ZHOU等[5]將頂層設(shè)計(jì)為中心具有圓柱體的十字交叉結(jié)構(gòu)，頂部諧振器與底板Ti之間用SiO2介質(zhì)層隔開，該結(jié)構(gòu)在400～2 500 nm波長范圍內(nèi)對電磁波具有很強(qiáng)的吸收作用，平均吸收率達(dá)93.8%，最大吸收率可達(dá)99.8%。

1.2 水平配置多諧振器型

通過將具有相近尺寸的諧振器布置在同一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中，可以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。CUⅠ等[6]于2011年在一個(gè)結(jié)構(gòu)周期中布置了4個(gè)不等寬光柵，4個(gè)吸收峰互相融合，實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收，從吸收光譜中可以明顯地看到由4個(gè)諧振器引起的4個(gè)吸收峰，但光柵型結(jié)構(gòu)對偏振較為敏感，只對特定偏振方向的入射光有較強(qiáng)的吸收，且在吸收范圍內(nèi)，吸收曲線并不平滑。此外，同一周期中能夠配置的不等寬光柵數(shù)目是有限的，當(dāng)數(shù)目較多時(shí)并不容易實(shí)現(xiàn)吸收峰的互相耦合，進(jìn)一步擴(kuò)展吸收帶并不容易。LUO等[7]選用Ti作為頂部和底部金屬，設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)層和頂部金屬層具有相同方形圖案的結(jié)構(gòu)，研究表明，方形結(jié)構(gòu)的寬度對吸收峰值大小影響較小，隨著寬度的增加，吸收峰向長波段發(fā)生偏移。因而，選用4個(gè)合適的寬度，共同組成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，得到了6.26～13.55 μm范圍內(nèi)吸收率大于90%的寬帶吸收，若在頂部金屬層上方再加一組金屬-介質(zhì)層，吸收寬度會進(jìn)一步提升。ZHOU等[8]采用相同結(jié)構(gòu)，金屬選用W，上層介質(zhì)使用ZnTe，下層介質(zhì)使用Ge，實(shí)現(xiàn)了長波紅外波段的寬帶吸收。

1.3 垂直配置多諧振器型

一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中能夠水平配置的諧振器數(shù)目是有限的，因此，有研究人員通過垂直堆疊諧振器，實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。一種由截頭圓錐和厚金屬基板組成的寬頻帶PMA被設(shè)計(jì)出來[9]，截頭圓錐由SiO2和Ti交替排列而成，厚金屬基板選用金屬Ti，吸收光譜具有從紫外線到中紅外范圍的高水平吸收，在太陽光譜波段，加權(quán)吸收率可以達(dá)到95%，在可見光與近紅外、中紅外波段，這么高的吸收率是其他結(jié)構(gòu)類型的PMA很少報(bào)道過的，該結(jié)構(gòu)可以對太陽能有較好的利用。但是，該結(jié)構(gòu)由近20層堆疊而成，制備工藝較為復(fù)雜，制造成本高。

1.4 平面結(jié)構(gòu)

上述結(jié)構(gòu)均需要使用刻蝕工藝，而近年來無需進(jìn)行刻蝕的平面狀結(jié)構(gòu)受到研究者關(guān)注。2018年，GHOBADⅠ等[10]設(shè)計(jì)了一種平面結(jié)構(gòu)，由底部金屬Cr、中間介質(zhì)層Al2O3和頂部金屬Cr組成，值得注意的是，在該結(jié)構(gòu)中頂部金屬Cr也是平面結(jié)構(gòu)，無需進(jìn)行刻蝕，通過模擬計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)可以在400～850 nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%以上的吸收率。為了進(jìn)一步擴(kuò)展吸收帶寬，作者采用傳輸矩陣法計(jì)算了得到了頂部金屬最佳的介電常數(shù)，結(jié)果表明，頂部金屬介電常數(shù)的實(shí)部過小阻礙了帶寬的進(jìn)一步展寬，因此，將樣品在850℃下進(jìn)行退火，在金屬表面形成了一些納米結(jié)構(gòu)，減小了金屬層表面的填充比例，最終實(shí)現(xiàn)了在400～1 250 nm范圍內(nèi)90%以上的寬帶吸收。AALⅠZADEH等[11]使用傳輸線理論進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果認(rèn)為，在所研究波段，金屬M(fèi)n擁有小的介電常數(shù)實(shí)部和大的介電常數(shù)虛部，更有利于平面結(jié)構(gòu)的寬帶吸收，因而采用厚度為200 nm的Mn作為底部金屬，65 nm的Al2O3作為中間介質(zhì)，5 nm的Mn作為頂部金屬，實(shí)現(xiàn)了在400～900 nm范圍內(nèi)94%以上的平均吸收，且626.4 nm處的吸收率高達(dá)99.6%。為了使吸收帶更寬，將樣品在500℃下保溫5 min，進(jìn)行退火處理，將吸收上限擴(kuò)展至1 400 nm，吸收帶寬是退火前的2倍[12]。加熱退火會產(chǎn)生額外成本，還可能造成樣品破裂。北京大學(xué)WU等[13]提出了一種介質(zhì)-金屬-介質(zhì)-金屬（ⅠMⅠM）4層平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)擁有2個(gè)高損耗諧振腔，可以實(shí)現(xiàn)在410～1 410 nm范圍內(nèi)吸收率大于90%。

2 可調(diào)型PMA

隨著PMA的逐步發(fā)展，將PMA作為一種可調(diào)諧器件，靈活控制吸收性能，實(shí)現(xiàn)不同電壓或溫度下的特定吸收，對電吸收開關(guān)、調(diào)制器等器件是十分重要的。而常規(guī)型PMA實(shí)現(xiàn)吸收性能的調(diào)節(jié)往往需要幾何結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，不利于有關(guān)器件的應(yīng)用，因而，研究人員通過使用石墨烯、VO2等材料，實(shí)現(xiàn)了具有吸收可調(diào)的PMA。

2.1 電調(diào)控型PMA

石墨烯是由單層碳原子以蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列而成的二維晶體，它具有極高的電子遷移率、高度受限的等離子傳播以及極低的損耗，此外它的費(fèi)米能級可以通過施加外部電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此受到了PMA研究者的極大關(guān)注。重慶大學(xué)HUANG等[14]選用0.2 μm的金作為底部金屬，27 μm的低損耗多聚物TOPAS作為中間介質(zhì)層，圓環(huán)與圓形石墨烯為頂部圖案，在外加0.7 eV的電壓下，實(shí)現(xiàn)了0.95～2.52 THz范圍內(nèi)90%以上的吸收率，其吸收主要是由石墨烯等離子共振引起的，并且該結(jié)構(gòu)對偏振角度完全不敏感，在較寬的入射角度范圍內(nèi)，吸收率變化較小。更重要的是，在電壓由0～0.9 eV改變過程中，在吸收帶寬變化不大的情況下，吸收峰值由19%調(diào)節(jié)至接近100%。ALDEN等[15]采用長方形開口圖案，選用3層石墨烯，增加了電磁波與石墨烯的相互作用，該結(jié)構(gòu)擁有4種相互接近的吸收模式，因而在遠(yuǎn)紅外波段實(shí)現(xiàn)了帶寬達(dá)8.48 THz的寬帶吸收，其中心頻率為12.43 THz，通過改變電壓，可以實(shí)現(xiàn)吸收峰值的調(diào)節(jié)。

2.2 溫度調(diào)控型PMA

實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控較為有效的方法是采用相變材料。VO2是一種較為理想的材料，隨著溫度的升高，它可以在68℃左右發(fā)生相變，由單斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，與此同時(shí)VO2的電導(dǎo)率也提升了幾個(gè)數(shù)量級，由絕緣體材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪饘偬匦缘膶?dǎo)電材料。深圳大學(xué)LEⅠ等[16]人采用Cr-VO2-Cr 3層結(jié)構(gòu)，VO2層采用與頂部金屬相同的圖案，在25℃下實(shí)現(xiàn)了在1 627～4 696 nm波段大于90%的平均吸收，并將其歸因于PSP、LSP、FP及瑞利-伍德異常（RAs）等模式的共同作用。隨著溫度升高，VO2轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧啵?0℃時(shí)該器件轉(zhuǎn)變?yōu)槿饘傩统牧辖Y(jié)構(gòu)，吸收帶寬變窄（1 443～2 066 nm），吸收峰值增大，實(shí)現(xiàn)了溫度調(diào)控。ZHONG[17]使用VO2在THz波段設(shè)計(jì)了一種多波段可調(diào)諧PMA，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在室溫條件下，該結(jié)構(gòu)在5.08 THz與34.42 THz處有2個(gè)吸收峰，隨著溫度升高，又會在8.3 THz與28.46 THz處新增2個(gè)吸收峰，且28.46 THz處的吸收帶寬會隨著溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 寬頻帶PMA的應(yīng)用

寬頻帶PMA在熱電子光電探測領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，入射光被金屬層吸收，在金屬層激發(fā)出表面等離激元，表面等離激元非輻射衰變會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生熱電子，熱電子具有較高的能量。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，會形成肖特基勢壘，能量較高的熱電子跨越肖特基勢壘注入到半導(dǎo)體中，可以實(shí)現(xiàn)光電探測。通過控制PMA的吸收波段，能夠控制光電探測器的探測范圍。該類型探測器對光的吸收率較高，且肖特基勢壘的高度較半導(dǎo)體的帶隙寬度低，更易提高探測器的響應(yīng)度。YU等[18]提出并證明了第一個(gè)超材料PMA熱電子光電探測器，在15 nm厚的Au納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了近乎統(tǒng)一的吸收，顯著提高了熱電子的轉(zhuǎn)移效率。寬頻帶PMA由于其優(yōu)良的吸收性能，可作為吸收劑應(yīng)用在熱紅外探測器中，MA等[19]人將PMA應(yīng)用在熱紅外探測器中，較傳統(tǒng)的氮化硅吸收劑，響應(yīng)性能可提高60%。

4 總結(jié)與展望

由于模擬計(jì)算與微納加工技術(shù)的較快發(fā)展，寬頻帶PMA在過去10多年得到快速發(fā)展，已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上證明了覆蓋各種頻率的寬頻帶PMA。但寬頻帶PMA仍處于初始發(fā)展階段，因?yàn)橛行┰O(shè)計(jì)方案對加工制備提出十分苛刻的要求，且制造成本高，因此不利于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，關(guān)于寬頻帶PMA應(yīng)用的研究還不多，相關(guān)應(yīng)用并不成熟，需要進(jìn)一步研究。寬頻帶PMA的應(yīng)用領(lǐng)域還可以擴(kuò)展，只要是需要將電磁波轉(zhuǎn)化為其他能量形式的應(yīng)用領(lǐng)域，都可以使用PMA?；赑MA如此優(yōu)良的吸收性能，經(jīng)過不懈研究，必定能在未來得到廣泛應(yīng)用。