寬頻帶超材料完美吸波器研究現(xiàn)狀

孫帥輝

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

超材料是一種人工設計的周期性微納結構材料，由于其具有天然常規(guī)材料所不具備的諸如負折射率、完美吸收、逆多普勒效應等特殊性能，近年來引起人們的極大關注。超材料完美吸收器（PMA）作為超材料的一個重要分支，可以在特定波段對電磁波實現(xiàn)近乎完全的吸收。自2008年LANDY等[1]首次在11.5 GHz實現(xiàn)完美吸收后，PMA得到了快速的發(fā)展，并已實現(xiàn)在太赫茲波段、紅外波段以及可見光波段的完美吸收。雖然實現(xiàn)窄帶的完美吸收是容易的，但是寬頻帶的完美吸收尤其是太赫茲及更高頻段的寬頻帶完美吸收是相對困難的，這是由它的吸收機制、表面等離子共振（SPR）所引起的固有窄帶造成的。但對光電探測、光伏器件等十分具有發(fā)展前景的領域來說，實現(xiàn)寬帶吸收是必要的。因而，本文綜述了近年來寬頻帶PMA的實現(xiàn)方法及相關應用，以期為寬頻帶PMA的發(fā)展提供幫助。

1 寬頻帶PMA的結構

金屬-介質-金屬（MⅠM）三層結構，是設計PMA的普遍思路，不同類型的PMA均是在此結構基礎上發(fā)展而來的。近年來的研究認為，實現(xiàn)寬帶吸收主要可以通過以下3種方式：①選用合適的材料，主要是難熔金屬等，并通過恰當的幾何設計，降低品質因數（Q值）實現(xiàn)寬帶吸收；②在一個結構單元中包含多個尺寸差異較小、吸收峰較為接近的諧振器，并使其吸收峰互相融合，形成寬帶吸收；③在同一結構單元中實現(xiàn)表面等離極化激元（SPP）、局域表面等離子共振（LSP）、法布里-珀羅（FP）等多種共振模式，進而實現(xiàn)寬帶吸收。

1.1 金屬-介質-金屬型

由于貴金屬更易激發(fā)SPR，早期的PMA研究常采用貴金屬金、銀等，但這并不利于寬帶的實現(xiàn)，且價格昂貴。具有高損耗性能的難熔金屬鉻、鈦、鎢、鎳等有助于增強電阻效應，降低Q值，增加吸收器的帶寬，近年來被廣泛應用于寬頻帶PMA的設計中。üSTüN等[2]選用圓盤狀金屬Ti作為頂部金屬層，中間介質層選用Ge，金屬Al為底部金屬，設計了一種結構簡單、易于加工的3層結構，實現(xiàn)了在長波紅外波段8～12.7 μm范圍90%以上的吸收，將中間介質層換為SiO2并適當改變結構尺寸，可以實現(xiàn)在中紅外波段2.41～5.4 μm范圍90%以上的吸收。為了進一步提高長波紅外波段的吸收帶寬，LⅠ等[3]在Ti-SiO2-Ti三層結構的基礎上，在頂部金屬層與中部介質層之間增加了5 nm的金屬Ti薄膜，使SPP與LSP均得到增強，最終在8～13 μm波段平均吸收率高達96.7%。中科院長春光機所ZHOU等[4]將Ge和Si3N4復合，共同作為中間介質層，利用SPR和有損材料Si3N4的本征吸收，模擬結果顯示該器件在8～14 μm的平均吸收率接近95%，并進行了實驗驗證。在可見光及近紅外波段同樣可以采用高損耗金屬，2021年，ZHOU等[5]將頂層設計為中心具有圓柱體的十字交叉結構，頂部諧振器與底板Ti之間用SiO2介質層隔開，該結構在400～2 500 nm波長范圍內對電磁波具有很強的吸收作用，平均吸收率達93.8%，最大吸收率可達99.8%。

1.2 水平配置多諧振器型

通過將具有相近尺寸的諧振器布置在同一個結構單元中，可以實現(xiàn)寬帶吸收。CUⅠ等[6]于2011年在一個結構周期中布置了4個不等寬光柵，4個吸收峰互相融合，實現(xiàn)了寬帶吸收，從吸收光譜中可以明顯地看到由4個諧振器引起的4個吸收峰，但光柵型結構對偏振較為敏感，只對特定偏振方向的入射光有較強的吸收，且在吸收范圍內，吸收曲線并不平滑。此外，同一周期中能夠配置的不等寬光柵數目是有限的，當數目較多時并不容易實現(xiàn)吸收峰的互相耦合，進一步擴展吸收帶并不容易。LUO等[7]選用Ti作為頂部和底部金屬，設計了一種介質層和頂部金屬層具有相同方形圖案的結構，研究表明，方形結構的寬度對吸收峰值大小影響較小，隨著寬度的增加，吸收峰向長波段發(fā)生偏移。因而，選用4個合適的寬度，共同組成一個結構單元，得到了6.26～13.55 μm范圍內吸收率大于90%的寬帶吸收，若在頂部金屬層上方再加一組金屬-介質層，吸收寬度會進一步提升。ZHOU等[8]采用相同結構，金屬選用W，上層介質使用ZnTe，下層介質使用Ge，實現(xiàn)了長波紅外波段的寬帶吸收。

1.3 垂直配置多諧振器型

一個結構單元中能夠水平配置的諧振器數目是有限的，因此，有研究人員通過垂直堆疊諧振器，實現(xiàn)寬帶吸收。一種由截頭圓錐和厚金屬基板組成的寬頻帶PMA被設計出來[9]，截頭圓錐由SiO2和Ti交替排列而成，厚金屬基板選用金屬Ti，吸收光譜具有從紫外線到中紅外范圍的高水平吸收，在太陽光譜波段，加權吸收率可以達到95%，在可見光與近紅外、中紅外波段，這么高的吸收率是其他結構類型的PMA很少報道過的，該結構可以對太陽能有較好的利用。但是，該結構由近20層堆疊而成，制備工藝較為復雜，制造成本高。

1.4 平面結構

上述結構均需要使用刻蝕工藝，而近年來無需進行刻蝕的平面狀結構受到研究者關注。2018年，GHOBADⅠ等[10]設計了一種平面結構，由底部金屬Cr、中間介質層Al2O3和頂部金屬Cr組成，值得注意的是，在該結構中頂部金屬Cr也是平面結構，無需進行刻蝕，通過模擬計算及參數優(yōu)化，該結構可以在400～850 nm范圍內實現(xiàn)90%以上的吸收率。為了進一步擴展吸收帶寬，作者采用傳輸矩陣法計算了得到了頂部金屬最佳的介電常數，結果表明，頂部金屬介電常數的實部過小阻礙了帶寬的進一步展寬，因此，將樣品在850℃下進行退火，在金屬表面形成了一些納米結構，減小了金屬層表面的填充比例，最終實現(xiàn)了在400～1 250 nm范圍內90%以上的寬帶吸收。AALⅠZADEH等[11]使用傳輸線理論進行計算，結果認為，在所研究波段，金屬Mn擁有小的介電常數實部和大的介電常數虛部，更有利于平面結構的寬帶吸收，因而采用厚度為200 nm的Mn作為底部金屬，65 nm的Al2O3作為中間介質，5 nm的Mn作為頂部金屬，實現(xiàn)了在400～900 nm范圍內94%以上的平均吸收，且626.4 nm處的吸收率高達99.6%。為了使吸收帶更寬，將樣品在500℃下保溫5 min，進行退火處理，將吸收上限擴展至1 400 nm，吸收帶寬是退火前的2倍[12]。加熱退火會產生額外成本，還可能造成樣品破裂。北京大學WU等[13]提出了一種介質-金屬-介質-金屬（ⅠMⅠM）4層平面結構，該結構擁有2個高損耗諧振腔，可以實現(xiàn)在410～1 410 nm范圍內吸收率大于90%。

2 可調型PMA

隨著PMA的逐步發(fā)展，將PMA作為一種可調諧器件，靈活控制吸收性能，實現(xiàn)不同電壓或溫度下的特定吸收，對電吸收開關、調制器等器件是十分重要的。而常規(guī)型PMA實現(xiàn)吸收性能的調節(jié)往往需要幾何結構的重新調整，不利于有關器件的應用，因而，研究人員通過使用石墨烯、VO2等材料，實現(xiàn)了具有吸收可調的PMA。

2.1 電調控型PMA

石墨烯是由單層碳原子以蜂窩狀結構排列而成的二維晶體，它具有極高的電子遷移率、高度受限的等離子傳播以及極低的損耗，此外它的費米能級可以通過施加外部電壓進行調節(jié)，因此受到了PMA研究者的極大關注。重慶大學HUANG等[14]選用0.2 μm的金作為底部金屬，27 μm的低損耗多聚物TOPAS作為中間介質層，圓環(huán)與圓形石墨烯為頂部圖案，在外加0.7 eV的電壓下，實現(xiàn)了0.95～2.52 THz范圍內90%以上的吸收率，其吸收主要是由石墨烯等離子共振引起的，并且該結構對偏振角度完全不敏感，在較寬的入射角度范圍內，吸收率變化較小。更重要的是，在電壓由0～0.9 eV改變過程中，在吸收帶寬變化不大的情況下，吸收峰值由19%調節(jié)至接近100%。ALDEN等[15]采用長方形開口圖案，選用3層石墨烯，增加了電磁波與石墨烯的相互作用，該結構擁有4種相互接近的吸收模式，因而在遠紅外波段實現(xiàn)了帶寬達8.48 THz的寬帶吸收，其中心頻率為12.43 THz，通過改變電壓，可以實現(xiàn)吸收峰值的調節(jié)。

2.2 溫度調控型PMA

實現(xiàn)溫度調控較為有效的方法是采用相變材料。VO2是一種較為理想的材料，隨著溫度的升高，它可以在68℃左右發(fā)生相變，由單斜結構轉變?yōu)樗姆浇Y構，與此同時VO2的電導率也提升了幾個數量級，由絕緣體材料轉變?yōu)榫哂薪饘偬匦缘膶щ姴牧稀Ｉ钲诖髮WLEⅠ等[16]人采用Cr-VO2-Cr 3層結構，VO2層采用與頂部金屬相同的圖案，在25℃下實現(xiàn)了在1 627～4 696 nm波段大于90%的平均吸收，并將其歸因于PSP、LSP、FP及瑞利-伍德異常（RAs）等模式的共同作用。隨著溫度升高，VO2轉變?yōu)榻饘傧啵?0℃時該器件轉變?yōu)槿饘傩统牧辖Y構，吸收帶寬變窄（1 443～2 066 nm），吸收峰值增大，實現(xiàn)了溫度調控。ZHONG[17]使用VO2在THz波段設計了一種多波段可調諧PMA，并進行了實驗驗證，實驗結果表明，在室溫條件下，該結構在5.08 THz與34.42 THz處有2個吸收峰，隨著溫度升高，又會在8.3 THz與28.46 THz處新增2個吸收峰，且28.46 THz處的吸收帶寬會隨著溫度變化進行調節(jié)。

3 寬頻帶PMA的應用

寬頻帶PMA在熱電子光電探測領域具有較好的應用前景，入射光被金屬層吸收，在金屬層激發(fā)出表面等離激元，表面等離激元非輻射衰變會在金屬內部產生熱電子，熱電子具有較高的能量。當金屬與半導體接觸時，會形成肖特基勢壘，能量較高的熱電子跨越肖特基勢壘注入到半導體中，可以實現(xiàn)光電探測。通過控制PMA的吸收波段，能夠控制光電探測器的探測范圍。該類型探測器對光的吸收率較高，且肖特基勢壘的高度較半導體的帶隙寬度低，更易提高探測器的響應度。YU等[18]提出并證明了第一個超材料PMA熱電子光電探測器，在15 nm厚的Au納米結構中實現(xiàn)了近乎統(tǒng)一的吸收，顯著提高了熱電子的轉移效率。寬頻帶PMA由于其優(yōu)良的吸收性能，可作為吸收劑應用在熱紅外探測器中，MA等[19]人將PMA應用在熱紅外探測器中，較傳統(tǒng)的氮化硅吸收劑，響應性能可提高60%。

4 總結與展望

由于模擬計算與微納加工技術的較快發(fā)展，寬頻帶PMA在過去10多年得到快速發(fā)展，已經在理論和實驗上證明了覆蓋各種頻率的寬頻帶PMA。但寬頻帶PMA仍處于初始發(fā)展階段，因為有些設計方案對加工制備提出十分苛刻的要求，且制造成本高，因此不利于大規(guī)模生產。此外，關于寬頻帶PMA應用的研究還不多，相關應用并不成熟，需要進一步研究。寬頻帶PMA的應用領域還可以擴展，只要是需要將電磁波轉化為其他能量形式的應用領域，都可以使用PMA。基于PMA如此優(yōu)良的吸收性能，經過不懈研究，必定能在未來得到廣泛應用。