超材料实现超宽带近完美吸收

　　01 导读
　　超材料是具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，可以通过调整几何结构及其尺寸来获得所需的介电常数或磁导率，这些结构在光捕获和操纵领域有多种应用。
　　超材料完美吸收器（MPA）是超材料在光学方面的一个重要应用。MPA通常由金属和电介质薄膜组成，称为金属/介质/金属（MIM）结构。具有特殊吸收性能的吸收器在多种重要的科学和技术中具有巨大的应用潜力，包括红外成像、热发射器、电磁屏蔽和光电探测器等领域。
　　超材料吸收器是利用超材料等效介电常数和等效磁导率可调谐的特性，通过设计超材料结构以激发表面等离激元来达到对入射光的近场调控，实现特定波段的完全吸收，因此，MPA一般只能在有限的频率或波长下通过调节其共振特性来工作。
　　超材料吸收器自提出以来，从微波到深紫外波段都有大量报道，在军事隐身涂层，光伏材料，探测器等方面展现了巨大应用前景，但对于实际应用来说，带宽的限制一直是瓶颈和难点。如何在有限的亚波长尺寸内实现多个表面等离激元谐振来增加吸收带宽；如何设计厚度小、结构简单、易于制作的吸收器结构并且具备高吸收率，是目前超材料领域的研究热点。
　　近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、东北师范大学与杜克大学合作，利用耦合传播型和局域型表面等离激元谐振模式提出了几种可以在中波、长波以及甚长波红外实现宽谱高吸收的吸收器结构。 这些结构在设计过程中兼顾到实际应用中结构简单、易于制作、低成本以及薄介质层等因素，实现了结构简单、厚度薄、高吸收的长波-甚长波红外宽带超材料吸收器。
　　图1 吸收器结构
　　02 研究背景
　　超材料吸收器通常由三层结构组成，被称为MIM结构。顶层是由周期排列的金属纳米图案组成，通常在实际加工中利用电子束光刻或者DUV光刻来实现，中间层和底层由连续的介质层和金属层组成。2008年，Landy团队设计了一种吸收率接近100%的吸收超材料，首次实现微波超材料＂完美＂吸收器，三层结构由Cu/FR4/Cu组成。随后，超材料吸收器实现完美吸收的波段逐渐引入到可见光、红外以及太赫兹波段。在大气窗口中波红外（3~5μm）、长波红外（8~14μm）以及甚长波红外波段（14~30μm）公开的宽带吸收器研究成果较少，大多仅对窄带高吸收率进行了研究。在长波红外、甚长波红外波段实现宽带吸收对于红外探测以及太空目标探测具有重要意义。在长波红外宽带吸收器的设计中，通常的方法是叠层谐振结构或者设计不同尺寸的金属谐振结构来实现宽带吸收，但这会导致吸收器膜层太厚、占空比低、实际结构复杂，难以制作。
　　03 创新研究
　　提出了一种超宽带吸收膜层的设计策略，以实现从长波到甚长波红外的宽带吸收，其结构尺寸远低于长波波长，能够解决红外应用中衍射受限问题。高损耗金属能激发宽带等离子体激元共振，这些金属的折射率有很大的虚部，具有高损耗特性，这有助于宽带吸收；设计不同结构在不同方向激发多个传播型表面等离激元谐振模式PSP、局域型表面等离激元谐振模式LSP并且进行耦合，形成宽带吸收；对于复合介电层，选择上部无损材料（Ge或Si）和下部有损材料（Si3N4或SiO2）的组合，以实现材料本征吸收、PSP和LSP主导吸收的最佳耦合。
　　设计并制作了Ti/Ge/Ti吸收器结构，如图2所示，结构图形简单，易于制作。介质层选择在长波红外波段具有高折射率的Ge，可在低厚度时实现在更长的波长范围内高吸收。金属层选择了低Q谐振金属Ti，相对于其它昂贵的金属Au和Ag，Ti作为谐振金属在红外波段可以激发更宽的带宽响应。Ti/Ge/Ti吸收器结构在中长波红外波段具有宽带响应，通过对峰值处的电磁场分析，如图3所示，这些峰值分别由法布里谐振、传播型和局域型表面等离激元混合谐振所主导。实际的制作加工中，由于结构尺寸的误差以及金属和介质镀膜的介电常数与仿真的差异，测得的吸收率曲线中在长波红外处仿真的得到的峰值有所降低。通过调整结构来控制两种表面等离激元谐振，可以用简单的单一结构实现多个吸收峰的调控。
　　图2 Ti/Ge/Ti吸收器结构及对应吸收率曲线
　　图3 吸收光谱峰值处的电磁场分析及光谱随入射角变化关系
　　随后，提出并制作了两种图案的Ti/Ge/Si3N4/Ti四层吸收器结构，其中中间介质层由两种不同材料组成：在长波红外波段无损耗的Ge和高损耗的Si3N4。Ge的选择是为了实现低厚度、更长波长的吸收率调控，而高损耗介质Si3N4，可在长波红外波段对入射光直接进行吸收，这是由Si3N4本身的折射率虚部特性决定的。同时，Si3N4可以对吸收峰的两种谐振模式进行调控，更容易使吸收器的吸收性能优化到想要的目标波段。对结构进行差异化设计，在不同方向激发多个PSP、LSP谐振模式，形成多个吸收峰。所设计的两种Ti/Ge/Si3N4/Ti吸收器结构在仿真优化过程中可以实现在目标长波红外波段（8~14μm）实现近完美的宽带吸收，但是，在实际的加工过程中，除去结构尺寸的误差影响，最大导致误差的原因应该是Si3N4等膜层材料实际折射率曲线与仿真数据有所差别，导致吸收峰的偏移和降低。
　　图4 两种图案的Ti/Ge/Si3N4/Ti四层吸收器结构以及对应吸收率曲线
　　采用控制传播型表面等离激元谐振、局域型表面等离激元谐振以及损耗材料的本征吸收和调控，进一步设计了可以实现在长波、甚长波红外同时宽带吸收的吸收器结构，由Ti/Si/SiO2/Ti四层结构所组成，如图5所示。
　　在上述两种设计中，第一种Ti/Ge/Si3N4/Ti结构可以在甚长波红外波段（14~30μm）实现近完美的宽带吸收，平均吸收率达到92%；随后通过调整介质组分、厚度以及金属结构尺寸， Ti/Si/SiO2/Ti吸收器可以使吸收峰覆盖整个长波、甚长波红外波段（8~30μm），平均吸收率为87%。由于测试仪器的限制，尚未进行有效测试甚长波红外波段光谱，这部分内容是对前面原理的验证以及扩展。
　　图5 Ti/Si/SiO2/Ti 长波-甚长波宽带吸收器结构以及吸收光谱
　　04 应用与展望
　　将中长波、甚长波红外吸收器与热红外探测器进行像元级集成，可以提供高吸收率，同时具有超薄的膜厚及低热容，能够极大地提高器件及系统性能，可以解决由于像元尺寸的减小以及相应波长进一步向太赫兹波的扩展所带来的衍射受限问题，在长波红外、甚长波红外探测领域有很大应用潜力。因此，超材料吸收器在多种重要的科学和技术中具有颠覆性效果及巨大的应用潜力，包括红外成像、热发射器、电磁屏蔽和光电探测器。
　　文章信息：
　　该研究成果以＂Ultra-broadband metamaterial absorbers from long to very long infrared regime＂为题在线发表在Light: Science & Applications。
　　本文第一作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生周余，通讯作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、东北师范大学的梁中翥教授，合作者为东北师范大学的刘益春教授、徐海阳教授和杜克大学的David R. Smith教授。
　　论文全文下载地址：
　　https://www.nature.com/articles/s41377-021-00577-8