近十年來(lái)，人們對(duì)超構(gòu)材料吸收器（Metamaterial Absorber，MA）產(chǎn)生了濃厚的興趣，這種吸收器由金屬-絕緣體-金屬（MIM）制成的亞波長(zhǎng)尺寸單元按周期或非周期的排列方式構(gòu)成。超構(gòu)材料獨(dú)特的電磁（EM）特性（例如負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)等），使其能夠有效地被用于太陽(yáng)能收集、無(wú)線通信和傳感器等各種應(yīng)用。

迄今，基于超構(gòu)材料吸收器設(shè)計(jì)的研究已有廣泛報(bào)道。根據(jù)EM超構(gòu)材料工作的光譜范圍，它們可以很容易地在不同頻率下工作，包括太赫茲、可見(jiàn)光和紅外（IR）波段。對(duì)于吸收帶寬分類(lèi)，窄帶超構(gòu)材料吸收器可應(yīng)用于熱發(fā)射操縱、傳感器、納米天線和諧振器等。另一方面，寬帶超構(gòu)材料吸收器則可用于熱發(fā)射器、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器以及各種其他光電子應(yīng)用。

近些年，學(xué)術(shù)界投入了廣泛的研究，以拓寬吸收帶寬以提高其性能和功能性。實(shí)現(xiàn)寬帶吸收的一種方法是通過(guò)集成各種尺寸的多個(gè)諧振器來(lái)形成吸收單元。通過(guò)改變所涉及諧振器的幾何形狀和結(jié)構(gòu)尺寸，這類(lèi)吸收器在實(shí)現(xiàn)所需吸收光譜特性方面提供了很高的靈活性。另一種方法是使用在垂直方向上具有不同幾何參數(shù)的多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)介電層分隔，以拓寬吸收光譜帶寬。

然而，多層結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的微制造工藝，以及更高的成本。這可能會(huì)阻礙超構(gòu)材料吸收器的發(fā)展。因此，有必要開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸收的簡(jiǎn)單拓?fù)涑瑯?gòu)材料。

MIM配置可以提供增強(qiáng)的吸收帶寬。到目前為止，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了多項(xiàng)研究來(lái)最大限度地提高超構(gòu)材料吸收器結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和寬帶吸收。最常見(jiàn)的方法是優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸以及結(jié)構(gòu)頂面金屬層的形貌。

例如，有報(bào)道平均吸光度為97.85%的三棱柱形超構(gòu)材料吸收器在200~2980 nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了近乎完美的吸收。另一種具有雙尺寸斧形諧振器的超構(gòu)材料吸收器結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)光至近紅外光譜范圍（即320~982 nm）表現(xiàn)出了超過(guò)90%的吸收。此外，有報(bào)道介紹了基于納米盤(pán)形諧振器的超構(gòu)材料設(shè)計(jì)，用于可見(jiàn)光至中紅外范圍（即478~3278 nm）的光吸收，從而實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

對(duì)于可見(jiàn)光區(qū)，已有研究多種基于MIM配置的設(shè)計(jì)。有報(bào)道提出了一種基于Al-SiO2的三層超構(gòu)材料吸收器，在450~600 nm范圍內(nèi)的平均吸收率高于95%。不過(guò)，該波段仍不足以滿足太陽(yáng)能收集等應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求，這些應(yīng)用需要具有完美吸收特性的超寬帶。

因此，具有完美吸收和寬入射角的薄型、寬帶可見(jiàn)光吸收器是最佳設(shè)計(jì)。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，埃及赫爾灣大學(xué)（Helwan University）電子與通信工程學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種基于錳（Mn）的新型吸收器，可在整個(gè)可見(jiàn)光譜（400~800 nm）提供超高吸收。所提出的吸收器結(jié)構(gòu)基于MIM配置構(gòu)建。該研究成果已經(jīng)以“Design and optimization of broadband metamaterial absorber based on manganese for visible applications”為題，發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該研究獲得的厚度為190 nm的最佳結(jié)構(gòu)，能夠在可見(jiàn)光波段（400~800 nm）實(shí)現(xiàn)94%以上的吸收，平均吸收率為98.72%，在365~888 nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%以上的吸收。在447~717 nm范圍內(nèi)，該設(shè)計(jì)呈現(xiàn)了99%以上的吸收率，提供了270 nm的超寬帶寬。

所提出的超構(gòu)材料吸收器設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，使用粒子群優(yōu)化（PSO）算法對(duì)吸收器單元的幾何參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)。此外，研究人員還討論了電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布，以闡明寬帶完美吸收的物理機(jī)制。

所提出寬帶超構(gòu)材料吸收器（BMA）的示意圖

（a）具有所提出設(shè)計(jì)的三種不同吸收器配置的3D視圖，以及（b）具有所提出設(shè)計(jì)的所有三種吸收器配置的吸收光譜

本研究所提出的超構(gòu)材料吸收器結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的吸收性能，使其適用于光學(xué)傳感器、熱發(fā)射器和彩色成像等各種應(yīng)用。

審核編輯：劉清