撰稿 | 周余（中科院長春光機所 博士生）

超材料是具有人工設計的結構并呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料，可以通過調整幾何結構及其尺寸來獲得所需的介電常數或磁導率，這些結構在光捕獲和操縱領域有多種應用。

超材料完美吸收器（MPA）是超材料在光學方面的一個重要應用。超材料吸收器通常由三層結構組成，被稱為金屬/介質/金屬（MIM）結構。頂層是由周期排列的金屬納米圖案組成，通常在實際加工中利用電子束光刻或者DUV光刻來實現，中間層和底層由連續的介質層和金屬層組成。

超材料吸收器自提出以來，從微波到深紫外波段都有大量報道，在軍事隱身涂層，光伏材料，探測器等方面展現了巨大應用前景，但對于實際應用來說，帶寬的限制一直是瓶頸和難點。如何在有限的亞波長尺寸內實現多個表面等離激元諧振來增加吸收帶寬；如何設計厚度小、結構簡單、易于制作的吸收器結構并且具備高吸收率，是目前超材料領域的研究熱點。

2008年，Landy團隊設計了一種吸收率接近100%的吸收超材料，首次實現微波超材料“完美”吸收器，三層結構由Cu/FR4/Cu組成。隨后，超材料吸收器實現完美吸收的波段逐漸引入到可見光、紅外以及太赫茲波段。

在大氣窗口中波紅外（3~5μm）、長波紅外（8~14μm）以及甚長波紅外波段（14~30μm）公開的寬帶吸收器研究成果較少，大多僅對窄帶高吸收率進行了研究。在長波紅外、甚長波紅外波段實現寬帶吸收對于紅外探測以及太空目標探測具有重要意義。

在長波紅外寬帶吸收器的設計中，通常的方法是疊層諧振結構或者設計不同尺寸的金屬諧振結構來實現寬帶吸收，但這會導致吸收器膜層太厚、占空比低、實際結構復雜，難以制作。

鑒于此，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、東北師范大學與杜克大學合作，利用耦合傳播型和局域型表面等離激元諧振模式提出了幾種可以在中波、長波以及甚長波紅外實現寬譜高吸收的吸收器結構。這些結構在設計過程中兼顧到實際應用中結構簡單、易于制作、低成本以及薄介質層等因素，實現了結構簡單、厚度薄、高吸收的長波-甚長波紅外寬帶超材料吸收器。

圖1 吸收器結構

該成果以 Ultra-broadband metamaterial absorbers from long to very long infrared regime 為題發表在 Light: Science & Applications。

研究人員提出了一種超寬帶吸收膜層的設計策略，以實現從長波到甚長波紅外的寬帶吸收，其結構尺寸遠低于長波波長，能夠解決紅外應用中衍射受限問題。

高損耗金屬能激發寬帶等離子體激元共振，這些金屬的折射率有很大的虛部，具有高損耗特性，這有助于寬帶吸收；

設計不同結構在不同方向激發多個傳播型表面等離激元諧振模式PSP、局域型表面等離激元諧振模式LSP并且進行耦合，形成寬帶吸收；

對于復合介電層，選擇上部無損材料（Ge或Si）和下部有損材料（Si3N4或SiO2）的組合，以實現材料本征吸收、PSP和LSP主導吸收的最佳耦合。

研究人員設計并制作了Ti/Ge/Ti吸收器結構，如圖2所示，結構圖形簡單，易于制作。

圖2 Ti/Ge/Ti吸收器結構及對應吸收率曲線

介質層選擇在長波紅外波段具有高折射率的Ge，可在低厚度時實現在更長的波長范圍內高吸收。金屬層選擇了低Q諧振金屬Ti，相對于其它昂貴的金屬Au和Ag，Ti作為諧振金屬在紅外波段可以激發更寬的帶寬響應。Ti/Ge/Ti吸收器結構在中長波紅外波段具有寬帶響應，通過對峰值處的電磁場分析，如圖3所示，這些峰值分別由法布里諧振、傳播型和局域型表面等離激元混合諧振所主導。實際的制作加工中，由于結構尺寸的誤差以及金屬和介質鍍膜的介電常數與仿真的差異，測得的吸收率曲線中在長波紅外處仿真的得到的峰值有所降低。通過調整結構來控制兩種表面等離激元諧振，可以用簡單的單一結構實現多個吸收峰的調控。

圖3 吸收光譜峰值處的電磁場分析及光譜隨入射角變化關系

隨后，提出并制作了兩種圖案的Ti/Ge/Si?N?/Ti四層吸收器結構，其中中間介質層由兩種不同材料組成：在長波紅外波段無損耗的Ge和高損耗的Si?N?。Ge的選擇是為了實現低厚度、更長波長的吸收率調控，而高損耗介質Si?N?，可在長波紅外波段對入射光直接進行吸收，這是由Si?N?本身的折射率虛部特性決定的。同時，Si?N?可以對吸收峰的兩種諧振模式進行調控，更容易使吸收器的吸收性能優化到想要的目標波段。對結構進行差異化設計，在不同方向激發多個PSP、LSP諧振模式，形成多個吸收峰。所設計的兩種Ti/Ge/Si?N?/Ti吸收器結構在仿真優化過程中可以實現在目標長波紅外波段（8~14μm）實現近完美的寬帶吸收，但是，在實際的加工過程中，除去結構尺寸的誤差影響，最大導致誤差的原因應該是Si?N?等膜層材料實際折射率曲線與仿真數據有所差別，導致吸收峰的偏移和降低。

圖4 兩種圖案的Ti/Ge/Si?N?/Ti四層吸收器結構以及對應吸收率曲線

采用控制傳播型表面等離激元諧振、局域型表面等離激元諧振以及損耗材料的本征吸收和調控，進一步設計了可以實現在長波、甚長波紅外同時寬帶吸收的吸收器結構，由Ti/Si/SiO?/Ti四層結構所組成，

在上述兩種設計中，第一種Ti/Ge/Si?N?/Ti結構可以在甚長波紅外波段（14~30μm）實現近完美的寬帶吸收，平均吸收率達到92%；隨后通過調整介質組分、厚度以及金屬結構尺寸， Ti/Si/SiO?/Ti吸收器可以使吸收峰覆蓋整個長波、甚長波紅外波段（8~30μm），平均吸收率為87%。由于測試儀器的限制，尚未進行有效測試甚長波紅外波段光譜，這部分內容是對前面原理的驗證以及擴展。

將中長波、甚長波紅外吸收器與熱紅外探測器進行像元級集成，可以提供高吸收率，同時具有超薄的膜厚及低熱容，能夠極大地提高器件及系統性能，可以解決由于像元尺寸的減小以及相應波長進一步向太赫茲波的擴展所帶來的衍射受限問題，在長波紅外、甚長波紅外探測領域有很大應用潛力。

因此，超材料吸收器在多種重要的科學和技術中具有顛覆性效果及巨大的應用潛力，包括紅外成像、熱發射器、電磁屏蔽和光電探測器。

論文信息

Zhou, Y., Qin, Z., Liang, Z. et al. Ultra-broadband metamaterial absorbers from long to very long infrared regime. Light Sci Appl 10, 138 (2021).

本文第一作者為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所博士研究生周余，通訊作者為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、東北師范大學的梁中翥教授，合作者為東北師范大學的劉益春教授、徐海陽教授和杜克大學的David R. Smith教授。

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00577-8

編輯 | 趙陽

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