基于相变超材料吸收器的设计与研究

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超材料指的是一些天然材料所不具备的超长物理性质的人工复合结构或复合材料,它不存在于自然界。它是一种具有亚波长周期性结构的人工合成的材料,通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计,可以突破某些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。它们的介电常数和磁导率(从负到正)均可控制,这在天然材料中很少存在,因此形成了一种新的对光操纵的方式,这对光的振幅、相位、偏振、极化特性等均可以形成有效调控。近些年来,由于超材料具有的奇特的光学特性,吸引了越来越多的国内外研究人员的关注,成为了物理学、光电子学、经典光学、材料科学、以及纳米光子学等学科的研究热点。超材料吸收器主要分为两类:一类是窄带吸收器,这种类型的吸收器主要应用在光学开关和传感器等方面有所研究;另一类就是宽带吸收器,这种类型的吸收器主要在光学隐身及辐射冷却光热转换等方面有所研究。通过对超材料结构的合理设计,表面等离激元共振(spp)可以被有效激发,所以在亚波长结构中光可以接近完美吸收,即完美吸收器。本论文主要基于相变超材料吸收器结构的设计提出了两种类型的吸收器,利用时域有限差分法对其进行了仿真计算,并进行了一系列实验表征,具体工作如下:(1)在8-12um中红外波段设计了一种基于相变材料GST的超材料吸收器,传统的金属-介质-金属(MIM)三层结构,我们将高折射率的相变材料GST引入介质层,这种相变材料GST存在两种相态,通过温度变化可以实现非晶相a-GST和结晶相c-GST的相互转换。通过对最上层的金属层结构的大小、厚度、周期及中间介质层等各方面的优化,可以实现8-12um中红外波段的宽带吸收率的转变。随着GST的相态变化,可以实现一种由高吸收到低吸收的动态调控。(2)本文通过时域有限差分对其进行的模拟仿真计算设计出的结构最终通过电子束光刻(EBL)、电子束蒸镀等方法对其设计出的结构进行了合理加工,并使用傅里叶红外光谱仪对其吸收率进行了表征。(3)在金属-介质-金属的三层结构的基础上设计出一种叠层圆盘结构,这种结构同样也是将相变材料GST引入介质层,这种结构为多个金属-介质-金属交替往上叠加,通过对其圆盘尺寸、厚度、周期等等因素的优化同样可以实现8-12um的宽带吸收。
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