宽频带超材料完美吸波器研究现状

孙帅辉

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

超材料是一种人工设计的周期性微纳结构材料，由于其具有天然常规材料所不具备的诸如负折射率、完美吸收、逆多普勒效应等特殊性能，近年来引起人们的极大关注。超材料完美吸收器（PMA）作为超材料的一个重要分支，可以在特定波段对电磁波实现近乎完全的吸收。自2008年LANDY等[1]首次在11.5 GHz实现完美吸收后，PMA得到了快速的发展，并已实现在太赫兹波段、红外波段以及可见光波段的完美吸收。虽然实现窄带的完美吸收是容易的，但是宽频带的完美吸收尤其是太赫兹及更高频段的宽频带完美吸收是相对困难的，这是由它的吸收机制、表面等离子共振（SPR）所引起的固有窄带造成的。但对光电探测、光伏器件等十分具有发展前景的领域来说，实现宽带吸收是必要的。因而，本文综述了近年来宽频带PMA的实现方法及相关应用，以期为宽频带PMA的发展提供帮助。

1 宽频带PMA的结构

金属-介质-金属（MⅠM）三层结构，是设计PMA的普遍思路，不同类型的PMA均是在此结构基础上发展而来的。近年来的研究认为，实现宽带吸收主要可以通过以下3种方式：①选用合适的材料，主要是难熔金属等，并通过恰当的几何设计，降低品质因数（Q值）实现宽带吸收；②在一个结构单元中包含多个尺寸差异较小、吸收峰较为接近的谐振器，并使其吸收峰互相融合，形成宽带吸收；③在同一结构单元中实现表面等离极化激元（SPP）、局域表面等离子共振（LSP）、法布里-珀罗（FP）等多种共振模式，进而实现宽带吸收。

1.1 金属-介质-金属型

由于贵金属更易激发SPR，早期的PMA研究常采用贵金属金、银等，但这并不利于宽带的实现，且价格昂贵。具有高损耗性能的难熔金属铬、钛、钨、镍等有助于增强电阻效应，降低Q值，增加吸收器的带宽，近年来被广泛应用于宽频带PMA的设计中。ÜSTÜN等[2]选用圆盘状金属Ti作为顶部金属层，中间介质层选用Ge，金属Al为底部金属，设计了一种结构简单、易于加工的3层结构，实现了在长波红外波段8～12.7 μm范围90%以上的吸收，将中间介质层换为SiO2并适当改变结构尺寸，可以实现在中红外波段2.41～5.4 μm范围90%以上的吸收。为了进一步提高长波红外波段的吸收带宽，LⅠ等[3]在Ti-SiO2-Ti三层结构的基础上，在顶部金属层与中部介质层之间增加了5 nm的金属Ti薄膜，使SPP与LSP均得到增强，最终在8～13 μm波段平均吸收率高达96.7%。中科院长春光机所ZHOU等[4]将Ge和Si3N4复合，共同作为中间介质层，利用SPR和有损材料Si3N4的本征吸收，模拟结果显示该器件在8～14 μm的平均吸收率接近95%，并进行了实验验证。在可见光及近红外波段同样可以采用高损耗金属，2021年，ZHOU等[5]将顶层设计为中心具有圆柱体的十字交叉结构，顶部谐振器与底板Ti之间用SiO2介质层隔开，该结构在400～2 500 nm波长范围内对电磁波具有很强的吸收作用，平均吸收率达93.8%，最大吸收率可达99.8%。

1.2 水平配置多谐振器型

通过将具有相近尺寸的谐振器布置在同一个结构单元中，可以实现宽带吸收。CUⅠ等[6]于2011年在一个结构周期中布置了4个不等宽光栅，4个吸收峰互相融合，实现了宽带吸收，从吸收光谱中可以明显地看到由4个谐振器引起的4个吸收峰，但光栅型结构对偏振较为敏感，只对特定偏振方向的入射光有较强的吸收，且在吸收范围内，吸收曲线并不平滑。此外，同一周期中能够配置的不等宽光栅数目是有限的，当数目较多时并不容易实现吸收峰的互相耦合，进一步扩展吸收带并不容易。LUO等[7]选用Ti作为顶部和底部金属，设计了一种介质层和顶部金属层具有相同方形图案的结构，研究表明，方形结构的宽度对吸收峰值大小影响较小，随着宽度的增加，吸收峰向长波段发生偏移。因而，选用4个合适的宽度，共同组成一个结构单元，得到了6.26～13.55 μm范围内吸收率大于90%的宽带吸收，若在顶部金属层上方再加一组金属-介质层，吸收宽度会进一步提升。ZHOU等[8]采用相同结构，金属选用W，上层介质使用ZnTe，下层介质使用Ge，实现了长波红外波段的宽带吸收。

1.3 垂直配置多谐振器型

一个结构单元中能够水平配置的谐振器数目是有限的，因此，有研究人员通过垂直堆叠谐振器，实现宽带吸收。一种由截头圆锥和厚金属基板组成的宽频带PMA被设计出来[9]，截头圆锥由SiO2和Ti交替排列而成，厚金属基板选用金属Ti，吸收光谱具有从紫外线到中红外范围的高水平吸收，在太阳光谱波段，加权吸收率可以达到95%，在可见光与近红外、中红外波段，这么高的吸收率是其他结构类型的PMA很少报道过的，该结构可以对太阳能有较好的利用。但是，该结构由近20层堆叠而成，制备工艺较为复杂，制造成本高。

1.4 平面结构

上述结构均需要使用刻蚀工艺，而近年来无需进行刻蚀的平面状结构受到研究者关注。2018年，GHOBADⅠ等[10]设计了一种平面结构，由底部金属Cr、中间介质层Al2O3和顶部金属Cr组成，值得注意的是，在该结构中顶部金属Cr也是平面结构，无需进行刻蚀，通过模拟计算及参数优化，该结构可以在400～850 nm范围内实现90%以上的吸收率。为了进一步扩展吸收带宽，作者采用传输矩阵法计算了得到了顶部金属最佳的介电常数，结果表明，顶部金属介电常数的实部过小阻碍了带宽的进一步展宽，因此，将样品在850℃下进行退火，在金属表面形成了一些纳米结构，减小了金属层表面的填充比例，最终实现了在400～1 250 nm范围内90%以上的宽带吸收。AALⅠZADEH等[11]使用传输线理论进行计算，结果认为，在所研究波段，金属Mn拥有小的介电常数实部和大的介电常数虚部，更有利于平面结构的宽带吸收，因而采用厚度为200 nm的Mn作为底部金属，65 nm的Al2O3作为中间介质，5 nm的Mn作为顶部金属，实现了在400～900 nm范围内94%以上的平均吸收，且626.4 nm处的吸收率高达99.6%。为了使吸收带更宽，将样品在500℃下保温5 min，进行退火处理，将吸收上限扩展至1 400 nm，吸收带宽是退火前的2倍[12]。加热退火会产生额外成本，还可能造成样品破裂。北京大学WU等[13]提出了一种介质-金属-介质-金属（ⅠMⅠM）4层平面结构，该结构拥有2个高损耗谐振腔，可以实现在410～1 410 nm范围内吸收率大于90%。

2 可调型PMA

随着PMA的逐步发展，将PMA作为一种可调谐器件，灵活控制吸收性能，实现不同电压或温度下的特定吸收，对电吸收开关、调制器等器件是十分重要的。而常规型PMA实现吸收性能的调节往往需要几何结构的重新调整，不利于有关器件的应用，因而，研究人员通过使用石墨烯、VO2等材料，实现了具有吸收可调的PMA。

2.1 电调控型PMA

石墨烯是由单层碳原子以蜂窝状结构排列而成的二维晶体，它具有极高的电子迁移率、高度受限的等离子传播以及极低的损耗，此外它的费米能级可以通过施加外部电压进行调节，因此受到了PMA研究者的极大关注。重庆大学HUANG等[14]选用0.2 μm的金作为底部金属，27 μm的低损耗多聚物TOPAS作为中间介质层，圆环与圆形石墨烯为顶部图案，在外加0.7 eV的电压下，实现了0.95～2.52 THz范围内90%以上的吸收率，其吸收主要是由石墨烯等离子共振引起的，并且该结构对偏振角度完全不敏感，在较宽的入射角度范围内，吸收率变化较小。更重要的是，在电压由0～0.9 eV改变过程中，在吸收带宽变化不大的情况下，吸收峰值由19%调节至接近100%。ALDEN等[15]采用长方形开口图案，选用3层石墨烯，增加了电磁波与石墨烯的相互作用，该结构拥有4种相互接近的吸收模式，因而在远红外波段实现了带宽达8.48 THz的宽带吸收，其中心频率为12.43 THz，通过改变电压，可以实现吸收峰值的调节。

2.2 温度调控型PMA

实现温度调控较为有效的方法是采用相变材料。VO2是一种较为理想的材料，随着温度的升高，它可以在68℃左右发生相变，由单斜结构转变为四方结构，与此同时VO2的电导率也提升了几个数量级，由绝缘体材料转变为具有金属特性的导电材料。深圳大学LEⅠ等[16]人采用Cr-VO2-Cr 3层结构，VO2层采用与顶部金属相同的图案，在25℃下实现了在1 627～4 696 nm波段大于90%的平均吸收，并将其归因于PSP、LSP、FP及瑞利-伍德异常（RAs）等模式的共同作用。随着温度升高，VO2转变为金属相，在80℃时该器件转变为全金属型超材料结构，吸收带宽变窄（1 443～2 066 nm），吸收峰值增大，实现了温度调控。ZHONG[17]使用VO2在THz波段设计了一种多波段可调谐PMA，并进行了实验验证，实验结果表明，在室温条件下，该结构在5.08 THz与34.42 THz处有2个吸收峰，随着温度升高，又会在8.3 THz与28.46 THz处新增2个吸收峰，且28.46 THz处的吸收带宽会随着温度变化进行调节。

3 宽频带PMA的应用

宽频带PMA在热电子光电探测领域具有较好的应用前景，入射光被金属层吸收，在金属层激发出表面等离激元，表面等离激元非辐射衰变会在金属内部产生热电子，热电子具有较高的能量。当金属与半导体接触时，会形成肖特基势垒，能量较高的热电子跨越肖特基势垒注入到半导体中，可以实现光电探测。通过控制PMA的吸收波段，能够控制光电探测器的探测范围。该类型探测器对光的吸收率较高，且肖特基势垒的高度较半导体的带隙宽度低，更易提高探测器的响应度。YU等[18]提出并证明了第一个超材料PMA热电子光电探测器，在15 nm厚的Au纳米结构中实现了近乎统一的吸收，显著提高了热电子的转移效率。宽频带PMA由于其优良的吸收性能，可作为吸收剂应用在热红外探测器中，MA等[19]人将PMA应用在热红外探测器中，较传统的氮化硅吸收剂，响应性能可提高60%。

4 总结与展望

由于模拟计算与微纳加工技术的较快发展，宽频带PMA在过去10多年得到快速发展，已经在理论和实验上证明了覆盖各种频率的宽频带PMA。但宽频带PMA仍处于初始发展阶段，因为有些设计方案对加工制备提出十分苛刻的要求，且制造成本高，因此不利于大规模生产。此外，关于宽频带PMA应用的研究还不多，相关应用并不成熟，需要进一步研究。宽频带PMA的应用领域还可以扩展，只要是需要将电磁波转化为其他能量形式的应用领域，都可以使用PMA。基于PMA如此优良的吸收性能，经过不懈研究，必定能在未来得到广泛应用。