W/VO2可调红外吸收器的设计与制备

来源 :上海理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:richardwang_wjw
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近几年来,对于超颖材料吸收器的研究取得了较大的进展。超颖材料的光学特性因人工复合材料或复合结构而异,通过改变超颖材料的几何尺寸、表面微结构和组成成分等,可以得到不同性能的吸收器,例如红外吸收器,过滤吸收器和太阳能电池等。尽管吸收器的特性已经呈现出显著的优势,为了使其性能在实际应用中更好地发挥,选择合适的相变材料作为介质膜层可以实现吸收率随温度变化的可调控性能。VO2是一种常用的相变材料,温度上升到68℃左右时会发生半导体-金属的可逆相变,从而引起薄膜结构和性质的改变。基于VO2薄膜的特殊的相变性能,结合金属钨表面等离子体共振效应和光场渗透效应,本文设计制备了两种基于W/VO2复合薄膜结构的可调红外吸收器。(1)W/VO2方形点阵结构可调红外吸收器通过时域有限差分法(FDTD Solution)模拟仿真了不同结构参数下吸收器的吸收光谱。当VO2薄膜和钨膜的厚度均为0.14μm,方形点阵的边长和周期分别为0.60μm和1.00μm时,吸收可调控特性最为明显。在中心波长5.28μm处其高低温下吸收率调节范围可达89.74%。理论模拟结果表明,光正入射时吸收器的吸收率不随偏振角的变化而改变;光以不同的角度斜入射时吸收器具有广角吸收的特性。与TM偏振相比,TE偏振态吸收器对角度的变化更加敏感。高低温时吸收器中的电磁场分布也反映了吸收器的吸收机制。另外,利用等效LC电路模型计算吸收器的中心波长,验证了模拟计算结果。对实验制备的样品进行测量,结果与仿真结果比较吻合。(2)W/VO2平面结构可调红外吸收器鉴于第一种吸收器的制备方法比较复杂,我们设计了W/VO2平面结构的可调红外吸收器,运用FDTD模拟了吸收器的结构参数对吸收光谱的调制作用,经过优化得到顶层VO2薄膜厚度、中间钨膜厚度、介质层VO2厚度和底层钨膜厚度分别为0.14μm、0.02μm、0.14μm和0.10μm。在此最佳参数下,中心波长3.00μm处吸收器高低温的吸收率调控范围达到77.10%。光正入射时吸收器的吸收特性与偏振角的变化无关,不同角度的光斜入射时吸收器均具有广角吸收的特点。相比之下,TM偏振比TE偏振下广角吸收的效果更加明显。实验制备的样品测量结果与仿真结果误差很小。该种结构的吸收器无需光刻,制作工艺简单。
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