[發明專利]超構材料吸波體長波紅外焦平面

在審

• 申請號: 202110796801.3
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113624347A
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 梁中翥;秦正;徐海陽;孟德佳;侯恩柱;楊福明;馬劍鋼;劉益春
• 申請（專利權）人: 東北師范大學
• 主分類號: G01J5/20
• 分類號: G01J5/20;G01J5/58;G01J5/02
• 代理公司: 長春市東師專利事務所 22202
• 代理人: 張鐵生;郭小茜

本發明公開了一種超構材料吸波體長波紅外焦平面，包括：諧振器層、介質層、金屬層；所述的諧振器層為諧振器陣列亞波長周期性結構，產生等離激元諧振，為金屬或類金屬材料；等離激元諧振為傳播型表面等離激元諧振或局域型表面等離激元諧振；采用相應的諧振器形狀和結構尺寸來實現寬帶吸收，窄帶吸收，多波長吸收，偏振選擇吸收等功能。將超材料吸波體集成在紅外焦平面上不僅可以提高其吸收率，還可以為紅外焦平面帶來更多的功能。

技術領域

本發明涉及非制冷紅外成像領域，具體設計一種超構材料吸波體長波紅外焦平面。

背景技術

非制冷紅外探測技術是無需制冷系統對入射紅外輻射感知并將其轉化為電學輸出的技術，在軍事、工業、醫療衛生、科學研究及環境監測等領域得到廣泛應用。微測輻射熱計是最廣泛使用的非制冷紅外探測技術，具有成本低，功耗小，響應快等特點。微測輻射熱計的工作原理是基于入射光引起的熱敏材料在溫度變化時電阻值發生相應變化。工作時在熱敏材料兩端加上偏置電壓使得這種電阻值變化轉化為電學輸出，實現紅外探測。因此其靈敏度和探測波段決定于吸收波長。而作為熱敏電阻的氧化釩，非晶硅等在長波紅外的吸收率較低且其表面具有較高的反射率。通常采用在熱敏電阻層上當集成氮化硅吸收層的方式來獲得較高的吸收率，但是在氮化硅吸收層的本征吸收波段范圍之外，吸收率仍然較低且難以提升。

如圖1所示，傳統的焦平面結構一般由吸收層（傳統的焦平面沒有諧振器），熱敏電阻層，支撐層以及位于四分之一波長空氣腔下方的金屬反射層組成。由于熱敏電阻在紅外波段的吸收率很低，因此需要采用較厚的氮化硅來充當吸收層，為了得到較高的吸收率，還需要四分之一波長的空氣腔和下方的金屬反射層來組成諧振腔。諧振腔的厚度一般在2微米以上，制備難度較高且機械強度較差。另一方面氮化硅的本征吸收峰在10-12微米之間，在這個波長區間之外，其吸收率很快地降低，因此傳統的焦平面的探測波長被限制在這個波長區間內。本發明提供一種集成超材料吸波體的紅外焦平面結構可以完美解決以上兩個問題。

發明內容

本發明目的是為了解決上述問題，而提出了一種超構材料吸波體長波紅外焦平面；

超構材料吸波體長波紅外焦平面，包括：諧振器層、介質層、金屬層；

所述的諧振器層為諧振器陣列亞波長周期性結構，產生等離激元諧振，為金屬或類金屬材料；

所述的等離激元諧振為傳播型表面等離激元諧振或局域型表面等離激元諧振；

兩種類型的表面等離激元諧振都可以引起完美的吸收，但受幾何參數調控的方式不一樣；其中傳播型表面等離激元諧振受結構周期調控，變化規律符合公式：

這里，即；傳播型表面等離激元諧振波長隨著結構周期增大紅移；對于局域型表面等離激元諧振，則可以用等效電路模型進行解釋：

這里λ為局域型表面等離激元諧振波長，L和C分別代表超構材料吸波體的電感和電容，w代表諧振器的有效長度；局域型表面等離激元諧振波長與諧振器的有效長度正相關；

所述的諧振器是由表面圖形化的亞波長周期性金屬諧振器陣列組成；

所述的介質層為熱敏電阻層或支撐層；

所述的超構材料吸波體長波紅外焦平面，還包括：熱敏電阻層；

所述的超構材料吸波體長波紅外焦平面，所述熱敏電阻層上方設有吸收層；

所述的超構材料吸波體長波紅外焦平面的下方還設有空氣腔；

所述的空氣腔下方為金屬反射層；

所述的超構材料吸波體長波紅外焦平面，該結構由上到下依次為：鈦十字形諧振器層，鍺介質層，鈦金屬層，氮化硅絕緣層，非晶硅熱敏電阻層以及氮化硅支撐層；諧振器層20~1000nm，鍺介質層10~1000nm，鈦金屬層10~1500nm，氮化硅絕緣層10~100nm，非晶硅熱敏電阻層10~800nm，氮化硅支撐層10~1000nm；鈦十字形諧振器的周期為0.8~4.4μm,長度為0.5~2.5μm，寬度為0.05~1μm；