面向可见光应用的锰基宽带超构材料吸收器简析

近十年来，人们对超构材料吸收器（Metamaterial Absorber，MA）产生了浓厚的兴趣，这种吸收器由金属-绝缘体-金属（MIM）制成的亚波长尺寸单元按周期或非周期的排列方式构成。超构材料独特的电磁（EM）特性（例如负磁导率和负介电常数等），使其能够有效地被用于太阳能收集、无线通信和传感器等各种应用。

迄今，基于超构材料吸收器设计的研究已有广泛报道。根据EM超构材料工作的光谱范围，它们可以很容易地在不同频率下工作，包括太赫兹、可见光和红外（IR）波段。对于吸收带宽分类，窄带超构材料吸收器可应用于热发射操纵、传感器、纳米天线和谐振器等。另一方面，宽带超构材料吸收器则可用于热发射器、太阳能转换器以及各种其他光电子应用。

近些年，学术界投入了广泛的研究，以拓宽吸收带宽以提高其性能和功能性。实现宽带吸收的一种方法是通过集成各种尺寸的多个谐振器来形成吸收单元。通过改变所涉及谐振器的几何形状和结构尺寸，这类吸收器在实现所需吸收光谱特性方面提供了很高的灵活性。另一种方法是使用在垂直方向上具有不同几何参数的多层结构，通过介电层分隔，以拓宽吸收光谱带宽。

然而，多层结构需要复杂的微制造工艺，以及更高的成本。这可能会阻碍超构材料吸收器的发展。因此，有必要开发能够实现高效吸收的简单拓扑超构材料。

MIM配置可以提供增强的吸收带宽。到目前为止，学术界已经提出了多项研究来最大限度地提高超构材料吸收器结构在强度和宽带吸收。最常见的方法是优化结构尺寸以及结构顶面金属层的形貌。

例如，有报道平均吸光度为97.85%的三棱柱形超构材料吸收器在200~2980 nm范围内实现了近乎完美的吸收。另一种具有双尺寸斧形谐振器的超构材料吸收器结构在可见光至近红外光谱范围（即320~982 nm）表现出了超过90%的吸收。此外，有报道介绍了基于纳米盘形谐振器的超构材料设计，用于可见光至中红外范围（即478~3278 nm）的光吸收，从而实现宽带吸收。

对于可见光区，已有研究多种基于MIM配置的设计。有报道提出了一种基于Al-SiO2的三层超构材料吸收器，在450~600 nm范围内的平均吸收率高于95%。不过，该波段仍不足以满足太阳能收集等应用日益增长的需求，这些应用需要具有完美吸收特性的超宽带。

因此，具有完美吸收和宽入射角的薄型、宽带可见光吸收器是最佳设计。据麦姆斯咨询介绍，埃及赫尔湾大学（Helwan University）电子与通信工程学院的研究人员设计了一种基于锰（Mn）的新型吸收器，可在整个可见光谱（400~800 nm）提供超高吸收。所提出的吸收器结构基于MIM配置构建。该研究成果已经以“Design and optimization of broadband metamaterial absorber based on manganese for visible applications”为题，发表于Scientific Reports期刊。

该研究获得的厚度为190 nm的最佳结构，能够在可见光波段（400~800 nm）实现94%以上的吸收，平均吸收率为98.72%，在365~888 nm范围内实现90%以上的吸收。在447~717 nm范围内，该设计呈现了99%以上的吸收率，提供了270 nm的超宽带宽。

所提出的超构材料吸收器设计为了实现最佳性能，使用粒子群优化（PSO）算法对吸收器单元的几何参数进行了微调。此外，研究人员还讨论了电场和磁场分布，以阐明宽带完美吸收的物理机制。

所提出宽带超构材料吸收器（BMA）的示意图

（a）具有所提出设计的三种不同吸收器配置的3D视图，以及（b）具有所提出设计的所有三种吸收器配置的吸收光谱

本研究所提出的超构材料吸收器结构具有优异的吸收性能，使其适用于光学传感器、热发射器和彩色成像等各种应用。

 

审核编辑：刘清