[實用新型]一種電磁吸收超材料

有效

• 申請號: 201721007696.6
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN207490105U
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 李鐵;余愛生;李偉;王躍林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;G02B5/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

本實用新型提供一種電磁吸收超材料，其上表面處于工作環境中，包括周期性諧振單元陣列，所述電磁吸收超材料所述電磁吸收超材料上表面設有一層電介質復合薄膜，該薄膜為固態電介質層按不同厚度比例的疊加所述電介質復合薄膜的材料選自氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氟化鎂或硅中的至少兩種。本實用新型的電磁吸收超材料通過選取不同種類的介質薄膜，并把他們按照一定比例疊加，可以獲得折射率在選取介質中最大與最小折射率之間的介質薄膜，從而實現表面晶格共振的更加靈活和可控的調制；電介質復合薄膜為固態電介質層按不同厚度比例的疊加，所以幾乎可以在任意工作環境下工作，甚至是液態或運動的環境。

技術領域

本實用新型涉及電磁吸收超材料技術領域，特別是涉及基于金屬局域表面等離子體諧振的，陣列排布諧振單元的超材料。

背景技術

這里的電磁吸收超材料的吸收特性，一般由陣列排布的諧振單元構成，在可見光到中紅外波段，諧振單元可以由金屬顆粒構成，這種諧振單元主要利用了金屬顆粒的局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)，也稱為偶極子共振，諧振頻率可以方便地由金屬顆粒尺寸控制。LSPR峰的位置為：

其中D*為顆粒有效尺寸，n_d為工作環境折射率，ω_p為金屬等離子體頻率。

然而，在這些基于金屬顆粒或金屬諧振環的電磁吸收超材料中，由于金屬的的固有損耗，導致諧振具有較大的諧振阻尼，導致LSPR峰的半高寬較大，這嚴重限制了電磁吸收超材料在窄帶領域的應用。

2004年，美國西北大學的Shengli Zou等人在理論上證明了：在這種周期性排列的諧振單元中還存在一種半高寬比LSPR共振小1～2個量級的集體性共振峰，該共振峰與陣列周期高度相關，被稱之為表面晶格共振(Surface lattice resonance, SLR)。次年，他們在實驗中證實了這種共振峰的存在。

SLR的位置可由瑞利異常(Rayleigh abnormal，RA)位置估算。SLR峰的位置一般出現在RA的附近，但是又和RA不能完全吻合。RA出現的位置為：

其中，n為工作環境折射率；i，j為整數，指示不同的衍射級；Px，Py為不同方向的陣列周期。和瑞利異常一樣，SLR的位置強烈地依賴陣列周期和工作環境折射率，此外，它還具有角度色散的特性，即SLR的位置與光源角度或探測角度相關。

SLR具有極低的半高寬，一般低至幾納米到幾十納米，可以在窄帶的應用場景中發揮作用，例如窄帶的紅外探測器。此外，SLR還可以與LSPR耦合，使得兩個峰重疊，以用來調節LSPR的共振峰型，例如獲得不對稱的Fano共振線型(與對稱的洛倫茲線型區分)；或者在保持LSPR各項優點的同時，進一步降低LSPR 的半高寬，例如，2008年，美國哈佛大學的Yizhuo Chu等人將二維金顆粒陣列制作在ITO材料上，并設計不同的陣列周期，將SLR的位置緩慢移動到LSPR 的位置，將SLR與LSPR耦合，結果將經過合并的共振峰半高寬降低到26.6nm，相比之下，不利用SLR耦合的樣品，其LSPR半高寬為311.6nm。

現階段還沒有直接利用SLR在遠場的光譜特性實現的窄帶光源或者窄帶吸收器件，尚處于研究階段。在SLR的遠場應用中遇到的主要問題是目前SLR的觀測需要滿足均勻的介質環境和高度一致的周期。其中，介質環境是指器件本身所具有的緊貼諧振單元上下表面的環境(并非工作環境)，諧振單元上下表面的折射率不相同可能導致SLR共振峰的強度變得非常微弱，并且展寬增加；SLR 共振峰的強度也很容易受到陣列一致性的影響，陣列周期的不一致和諧振單元的不一致，都可能導致相同問題。這些都限制了SLR在遠場光學中的實際應用。