[实用新型]一种电磁吸收超材料

说明书

本实用新型提供一种电磁吸收超材料，其上表面处于工作环境中，包括周期性谐振单元阵列，所述电磁吸收超材料所述电磁吸收超材料上表面设有一层电介质复合薄膜，该薄膜为固态电介质层按不同厚度比例的叠加所述电介质复合薄膜的材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁或硅中的至少两种。本实用新型的电磁吸收超材料通过选取不同种类的介质薄膜，并把他们按照一定比例叠加，可以获得折射率在选取介质中最大与最小折射率之间的介质薄膜，从而实现表面晶格共振的更加灵活和可控的调制；电介质复合薄膜为固态电介质层按不同厚度比例的叠加，所以几乎可以在任意工作环境下工作，甚至是液态或运动的环境。

技术领域

本实用新型涉及电磁吸收超材料技术领域，特别是涉及基于金属局域表面等离子体谐振的，阵列排布谐振单元的超材料。

背景技术

这里的电磁吸收超材料的吸收特性，一般由阵列排布的谐振单元构成，在可见光到中红外波段，谐振单元可以由金属颗粒构成，这种谐振单元主要利用了金属颗粒的局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)，也称为偶极子共振，谐振频率可以方便地由金属颗粒尺寸控制。LSPR峰的位置为：

其中D*为颗粒有效尺寸，n_d为工作环境折射率，ω_p为金属等离子体频率。

然而，在这些基于金属颗粒或金属谐振环的电磁吸收超材料中，由于金属的的固有损耗，导致谐振具有较大的谐振阻尼，导致LSPR峰的半高宽较大，这严重限制了电磁吸收超材料在窄带领域的应用。

2004年，美国西北大学的Shengli Zou等人在理论上证明了：在这种周期性排列的谐振单元中还存在一种半高宽比LSPR共振小1～2个量级的集体性共振峰，该共振峰与阵列周期高度相关，被称之为表面晶格共振(Surface lattice resonance, SLR)。次年，他们在实验中证实了这种共振峰的存在。

SLR的位置可由瑞利异常(Rayleigh abnormal，RA)位置估算。SLR峰的位置一般出现在RA的附近，但是又和RA不能完全吻合。RA出现的位置为：

其中，n为工作环境折射率；i，j为整数，指示不同的衍射级；Px，Py为不同方向的阵列周期。和瑞利异常一样，SLR的位置强烈地依赖阵列周期和工作环境折射率，此外，它还具有角度色散的特性，即SLR的位置与光源角度或探测角度相关。

SLR具有极低的半高宽，一般低至几纳米到几十纳米，可以在窄带的应用场景中发挥作用，例如窄带的红外探测器。此外，SLR还可以与LSPR耦合，使得两个峰重叠，以用来调节LSPR的共振峰型，例如获得不对称的Fano共振线型(与对称的洛伦兹线型区分)；或者在保持LSPR各项优点的同时，进一步降低LSPR 的半高宽，例如，2008年，美国哈佛大学的Yizhuo Chu等人将二维金颗粒阵列制作在ITO材料上，并设计不同的阵列周期，将SLR的位置缓慢移动到LSPR 的位置，将SLR与LSPR耦合，结果将经过合并的共振峰半高宽降低到26.6nm，相比之下，不利用SLR耦合的样品，其LSPR半高宽为311.6nm。

现阶段还没有直接利用SLR在远场的光谱特性实现的窄带光源或者窄带吸收器件，尚处于研究阶段。在SLR的远场应用中遇到的主要问题是目前SLR的观测需要满足均匀的介质环境和高度一致的周期。其中，介质环境是指器件本身所具有的紧贴谐振单元上下表面的环境(并非工作环境)，谐振单元上下表面的折射率不相同可能导致SLR共振峰的强度变得非常微弱，并且展宽增加；SLR 共振峰的强度也很容易受到阵列一致性的影响，阵列周期的不一致和谐振单元的不一致，都可能导致相同问题。这些都限制了SLR在远场光学中的实际应用。