一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器论文和设计-伍铁生

全文摘要

本实用新型涉及一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，解决的是品质因数差的技术问题，通过采用所述基于表面晶格共振的超窄带吸收体是由纳米环柱阵列组成的；所述的纳米阵列单元从下往上依次设置为介质层基底、金属薄膜反射层及谐振器；所述的纳米阵列单元反射层薄膜金的厚度大于入射电磁波在贵金属金的趋肤深度的技术方案；所述的纳米阵列单元采用双环柱结构压缩了吸波体的吸收频谱的半峰全宽，较好地解决了传统吸波体吸收效率低，吸收半峰全宽大，品质因数低等问题，可用于窄带热辐射器，等离子体生物传感器的应用中。

主设计要求

1.一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，其特征在于：所述金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器由周期性金属纳米环柱结构组成；所述纳米环柱阵列结构从下往上依次为介质基底、底层连续金属薄膜层以及谐振器；所述纳米环柱为等高的双环柱结构；所述底层连续金属薄膜层的厚度大于入射波在所述底层连续金属薄膜层同材质金属中的趋肤深度；所述谐振器包括两个同心金属纳米环柱；第一同心金属纳米环柱处于第二同心金属纳米环柱之下，两环柱内径相等，第一纳米环柱外径大于第二纳米环柱的外径，两者厚度相等；所述第一纳米环柱与第二纳米环柱直接相叠，无需设置中间介质层；所述介质基底与底层连续金属薄膜竖直截面形状均为长方形；所述介质基底和底层连续金属薄膜的水平截面形状均为正方形且大小相同。

设计方案

所述谐振器包括两个同心金属纳米环柱；第一同心金属纳米环柱处于第二同心金属纳米环柱之下，两环柱内径相等，第一纳米环柱外径大于第二纳米环柱的外径，两者厚度相等；所述第一纳米环柱与第二纳米环柱直接相叠，无需设置中间介质层；

所述介质基底与底层连续金属薄膜竖直截面形状均为长方形；所述介质基底和底层连续金属薄膜的水平截面形状均为正方形且大小相同。

2.根据权利要求1所述的金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，其特征在于：所述底层连续金属薄膜的材质为金。

3.根据权利要求2所述的金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，其特征在于：所述底层连续金属薄膜的长度和宽度均为p＝1000nm，高度h＝200nm；

所述第一同心金属纳米环柱的内径d1＝100nm，外径d3＝300nm，高度h2＝40nm；

所述第二同心金属纳米环柱的内径d1＝100nm，外径d2＝210nm，高度h1＝40nm。

4.根据权利要求3所述的金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，其特征在于：所述金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器的工作波长范围为700nm-1800nm。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及超窄带吸波器领域，具体涉及一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器。

背景技术

近年来，基于表面晶格共振的窄带吸波体在许多领域中被受关注。纳米尺度的超窄带吸波器由于体积小，灵敏度高，市场应用前景广泛，易于大规模生产等特性，越来越受到人们的重视。而传统的窄带吸波体的常规结构是金属-介质-金属结构，但是产生的表面晶格共振效应较不明显，显著降低了吸波体的品质因数，致使窄带吸波体的应用受限。

为解决现有超窄带吸波器品质因数小的技术问题，本实用新型提供一种基于纳米结构金属表面的表面晶格共振的超窄带吸波体，在共振吸收波长能够产生强烈的表面晶格共振效应和超高的光学相互作用，得到较高的品质因数。使得基于表面晶格共振的超窄带吸波体在窄带热辐射器，高灵敏度生物传感器等方面具有较大的应用发展前景。

实用新型内容

现有报道的窄带吸波体几乎都存在品质因数小问题，为解决这一技术问题，本实用新型提供了一种基于金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，该新型超窄带吸波器具有较高的品质因数的特点。

为提升窄带吸波体的品质因数，采用的技术方案如下：

一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，所述金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器包括周期性排列的纳米结构单元；所述纳米结构单元从下往上依次为介质基底、底层连续金属薄膜、谐振器；所述底层连续金属薄膜的厚度大于入射波在所述底层连续金属薄膜层的趋肤深度；

所述谐振器包括两个同心金属纳米环柱；第一同心金属纳米环柱处于第二同心金属纳米环柱之下，两纳米环柱内径相等，第一纳米环柱外径大于第二纳米环柱的外径，且两者高度相等；所述第一纳米环柱与第二纳米环柱之间无缝连接；

所述介质基底与底层连续金属薄膜竖直截面形状均为长方形；所述介质基底和底层连续金属薄膜的水平截面形状均为正方形且大小相同。

本实用新型的工作原理：由于所设计的超窄带吸波体的吸波组分仅由同一金属组成，所以能使周期性纳米结构产生较强表面晶格共振，同时使谐振器和金膜两者之间产生较强的光学耦合作用，从而使器件能获得较高的品质因数。表面晶格共振本质上是复杂的局域表面等离子体共振，它在周期性阵列衍射级上不仅具有周期性效应，而且受到金属结构等离激元性质的影响。而对于我们所设计的结构，共振波长随着周期变大而线性增加。由于每个结构单元具有更强的耦合作用和更强的表面晶格共振效应，所述窄带吸波体结构具有更小的周期性。并且，我们能够通过增加周期的大小可以减少结构单元之间的耦合由此可以减小谐振带宽。

该纳米结构是全金制成的，与普通的金属-介质-金属结构相比，所设计的纳米结构下方的高反射性底层提供了强烈的光学相互作用，并将光线散射回空气而不是向下进入电介质。通过消除这种前向散射，辐射损耗显著降低，有助于得到更窄的吸收带。全金属吸收体将电磁场共振从基底界面驱动到纳米结构的顶部表面。来自顶部表面的激发模式可以将局部场的强度比金属-介质-金属结构要高三倍以上。总体而言，由下面的金属基板所激发的高度激发的表面晶格共振可以提供更尖的吸收频谱和更高品质因数。

上述方案中，为优化，进一步地，所述底层连续金属薄膜的材质为金。

进一步地，所述底层连续金属薄膜的长度和宽度均为p＝1000nm，厚度h＝200nm；所述第一金属纳米环柱的内径d1＝100nm，外径d3＝300nm，高度h2＝40nm；所述第二金属纳米环柱的内径d1＝100nm，外径d2＝210nm，高度h1＝40nm。

进一步地，所述新型超窄带吸波器的工作波长范围为700-1800nm。

本实用新型的有益效果：本实用新型的纳米超窄带吸波器为周期性结构，构成较为简单，结构紧凑，完美对称，易于实现；本实用新型提出的纳米超窄带吸波器，谐振波长调制范围在900nm到1500nm。周期从600nm到1000nm范围内，谐振波长的吸收率都超过了70％，品质因数高达80，折射率灵敏度最高可达1020nm\/RIU，特别需要指出的是，先前报道的窄带吸收器很难获得如此高的品质因数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1，所述吸波体阵列单元的三维示意图。

图2，实施例1所述的吸波体在空气中随着波长和周期变化的吸收率。

图3，实施例1所述的吸波体的光吸收率随波长和周期改变的变化趋势。

图4，实施例1所述的吸波体在传感器领域中的应用。

图5，实施例1所述的吸波体作为微纳传感器件，折射率灵敏度随着结构周期的增加而增加。

图6，实施例1所述的吸波体作为微纳光热辐射计，周期为1000nm，环境折射率为1(空气环境)，环境温度设置为300K，激发波长为谐振波长，入射光强为100mW\/cm^{2<\/sup>，由仿真所得的温度分布图可知，器件在热稳态时温度上升了5.6K。}

图7，实施例1所述的吸波体作为微纳光热辐射计，周期为1000nm，环境折射率为1(空气环境)，环境温度设置为300K，激发波长为谐振波长，入射光强为100mW\/cm^{2<\/sup>，输入光强与吸波体在热稳态时温度增加的关系。}

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实施例提供一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器，所述金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器由周期性金属纳米环柱结构组成；所述纳米环柱阵列结构从下往上依次为介质基底、底层连续金属薄膜层以及谐振器；所述纳米环柱为环柱壁厚度相同的双环柱结构；所述底层连续金属薄膜层的厚度大于入射波在所述底层连续金属薄膜层同材质金属中的趋肤深度。

如图1，所述纳米环柱阵列结构的底部为金材料制成的长方体，长方体上设置有第一纳米环柱，第一纳米环柱处于第二纳米环柱之下，两纳米环柱内径相等，所述第一纳米环柱与第二纳米环柱直接相叠；所述第一纳米环柱和第二纳米环柱的材料为金。底层金属的长度和宽度p＝1000nm，厚度h＝200nm；第一纳米环柱的内径d1＝100nm，外径d3＝300nm，高度h2＝40nm；第二纳米环柱的内径d1＝100nm，外径d2＝210nm，高度h1＝40nm。

使用FDTD solutions软件进行仿真计算，如图2。可以看到在700nm-1800nm波长的范围内，谐振频率从900nm逐渐红移到1500nm。当背景折射率为1，周期为600nm-1000nm范围内，吸收峰值都超过了70％。当周期从600nm变化到1100nm时，其折射率灵敏度从675nm\/RIU逐步增加到1020nm\/RIU。这说明本实施例所设计的超材料结构的超窄带吸波器无论在结构上还是在指标参数上，都具有明显的优势。

如图1，本实施例的超窄带吸波体的结构简单紧凑。本实施例的介质基底可以是常规的二氧化硅基底材料，也可以是其他的介质材料，作为基底其不对器件的表面晶格共振产生作用。优化的超窄带吸波器底层连续金属薄膜层和纳米环柱全部由金制成，材料单一、易于实现。

如图2，给出了本实施例的超窄带吸波器的在不同周期条件的吸收谱。由仿真可知，纳米阵列周期在600nm到1000nm范围，吸收器最高峰值吸收都超过了70％。且随着周期的增加，谐振吸收波长发生红移现象。

如图3，给出了本实施例的超窄带吸波体的光吸收效率随波长和周期改变的变化趋势。波长范围700nm-1700nm，当周期变化范围为600nm到800nm时，其吸收谱只有一个峰值吸收，但该峰半峰全宽过大，导致品质因数降低；当周期变化范围在800nm与1200nm之间，吸收谱呈现出两个吸收峰。波长较长所对应的吸收峰，不仅吸收率高，且半峰全宽要窄。如无特别说明，本专利提到的吸收峰指波长较长所对应的吸收峰。

如图4，展示了本实施例的超窄带吸波体在折射率传感领域的应用。超窄带吸波器的周期设置为1000nm，分析液折射率从1.30增加到1.50，其谐振吸收峰值也都超过了90％，且谐振波长随着折射率的增加而线性增加；在分析液折射率为1.30和1.50时，谐振波长分别为1350nm和1550nm。

如图5，展示了本实施例的超窄带吸波器的周期对折射率灵敏度的影响。有图可知，当周期从600nm变化到1100nm时，折射率灵敏度从675nm\/RIU逐渐增加到1020nm\/RIU。由此可知，本实施例的超窄带吸波器的折射率传感灵敏度可以通过周期来调节。

如图6，展示了本实施例的超窄带吸收体在热辐射器领域的应用。周期为1000nm，环境折射率为1(空气环境)，环境温度设置为300K，激发波长为谐振波长，入射光强为100W\/cm^{2<\/sup>，由仿真所得的温度分布图可知，器件在热稳态时温度上升了5.6K。仿真结果表明，该超窄带吸收体光热转换效率显著，可用作微纳热辐射器使用。}

如图7，实施例1所述的吸波体作为微纳光热辐射计，展示了本实施例的超窄带吸收体光热转换温度的增加与入射光强的关系。周期为1000nm，环境折射率为1(空气环境)，环境温度设置为300K，激发波长为谐振波长，入射光强为100W\/cm2，有图可知，在热稳态条件下，吸波体温度随着光强的增加而线性增加。

本实施例，在所考虑的频率范围内，入射波在底层连续金属薄膜的趋肤深度不超过100nm。因此，底层连续金属薄膜设置为200nm能够有效的防止电磁波透射过吸波体。

实施例中的新型超窄带吸波器的工作波长范围为700nm-1800nm。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本实用新型，但是本实用新型不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本实用新型精神和范围内，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

设计图

一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器论文和设计

一种金属纳米环柱阵列结构的新型超窄带吸波器论文和设计-伍铁生

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢