[发明专利]一种基于银开口谐振环超表面的中红外超宽带吸波器

说明书

本发明公开一种基于银开口谐振环超表面的中红外超宽带吸波器，其中包括开口谐振环、硅层、氮化硅层、二氧化硅层、金属银镜组成。开口谐振环在氮化硅层表面呈方阵形式排列，并被硅层所覆盖。本发明吸波器具有超宽带的吸波范围，大于90％吸收率的绝对带宽为14.5um(9.1um～23.6um)，相对带宽约为88.7％，涉及波段为红外光谱中红外范围。本发明结构简单、材料成本低，能够将光场有效的束缚在器件内部，且能在气体至大部分液体折射率环境中使用，具有应用范围广、鲁棒性好、易于小型化和高集成度等特点，在中红外完美吸波器件中有潜在的应用价值。

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子器件领域，具体是一种基于金属超表面的中红外超宽带完美吸波器。

(二)背景技术

超表面是指由亚波长晶胞构成的且具有超凡电磁特性的人工二维材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。根据组成材料的不同，超表面可分为金属超表面和介质超表面，其核心思想是通过人为构造的方式，将一些亚波长单元结构以周期或非周期的形式排列起来，从而可以实现自然材料所不具备的特殊电磁特性。由于其独特的亚波长表面结构，使其在用于光与物质相互作用时展现出了优异的光学特性。近年来，由于微纳加工技术的进步，超表面被广泛地应用于超灵敏生物化学传感器、慢光器件、光学调制器件等。

金属纳米颗粒在平面光照射下，其费米能级附近导带上的自由电子打破平衡发生集体振荡，产生局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons，LSPs)。当入射光频率与自由电子振荡频率匹配时就会形成局域表面等离激元共振(Localized Surface PlasmonsResonance，LSPR)，实现纳米尺度下电磁场能量的局域增强和调控。

一般来说，中红外辐射通常被定义为波长处于2.5-25um的电磁波，其不仅可用于分子含量的检测和分子类型的鉴定，还可以实现分子的成像等。分子是由两个或多个原子通过化学键结合而成，除了和原子一样有电子能态外，分子中的原子之间存在振动和相对转动，不同原子之间及不同模式的振动频率不同，可以通过特定的官能团具有的各自独特的能态来识别各种材料。对于振动能态的探测，可以使用红外光，例如近红外或中红外光。由于中红外光可以与基频振动共振，因此可获得更强的光谱吸收强度和更多的识别特征。基于以上特点，中红外吸波器在军事领域，如夜视仪、热成像、红外探测器有着广泛的应用。同时由于分子具有不同的官能团，因此可以使用中红外“指纹光谱”来识别分子并表征其结构。另外混合物的中红外光谱是各组分的光谱叠加而成的，因此依照光谱特征可以测定混合物中各组分的含量，因此中红外吸波器在环境监测、医学治疗以及基础研究等领域具有广泛的应用和研究。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于银开口谐振环超表面的中红外超宽带吸波器，以克服现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于银开口谐振环超表面的中红外超宽带吸波器，从下到上依次由金属银镜、二氧化硅层，氮化硅层、开口谐振环、硅层组成。氮化硅层上表面铺有开口谐振环，其上覆盖一层硅。开口谐振环由两个完全一致的银半圆环与一根平行于x轴并经过两银半圆环圆心的银条带组成，并在氮化硅层上表面周期排列，每个单元周期大小均一样。所有开口谐振环单元均在氮化硅层上呈方阵形式周期排列。

上述技术方案可采用如下优选方式：

所述的金属银镜厚度为300nm；二氧化硅层厚度为1000nm；氮化硅介质层厚度为300nm；所述开口谐振环线宽为30nm，间隙为250nm，内环半径为220nm，外环半径为250nm，高度为30nm；所述开口谐振环单元周期为1150nm；所述硅介质层厚度为180nm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：