ENZ基板上光学天线的垂直热辐射

论文信息：

Irfan Khan, Milan Palei, Owen Dominguez, Evan Simmons, Viktor A. Podolskiy, and Anthony J. Hoffman. Vertical Thermal Emission from Optical Antennas on an Epsilon-Near-Zero Substrate, Advanced Optical Materials, 2400715 (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adom.202400715

研究背景

方向性和垂直发射是决定热辐射器功能的两个关键属性。方向性指的是物体在特定方向上优先发射光的能力，而垂直发射指的是发射器垂直于其表面发射光的能力。由于热辐射的全向性，大部分发射的能量因辐射到不需要的方向而被浪费，导致收集效率低下。因此，开发能够控制发射方向的热源具有基础性的重要意义。该研究提出了一种新方法，通过利用ENZ材料实现方向性和垂直热辐射。ENZ 材料在 ENZ 点表现出接近零的介电常数，这使得它们相较于传统光学材料具有一些独特的特性，包括无限波长、恒定相位分布，以及在 ENZ 材料内部空间场与时间场的解耦。通过将天线的共振模式与 ENZ 材料的 Berreman 模式耦合，展示了高度方向性和垂直的热辐射。这种方法可能对热管理、能量转换和传感应用产生重大影响。

研究内容

在具有金属地平面的AlN亚波长层上制作了光学天线阵列。在硅载流子基板上沉积了100 nm厚的Mo层面，然后通过溅射沉积了1.2 μm的多晶AlN。将晶片切成1.2×1.2 cm2片状结构，利用电子束光刻和金属剥离工艺制作1×1 cm2天线阵列。样品和天线阵列的示意图如 图1(a) 所示。在三个阵列中，单个天线的尺寸分别为：宽120nm，厚90nm，长度为2.73、4.77和8.27μm（对应样品1、2和3）。对于所有阵列，天线与其最近邻的间距为2μm。图1(b)显示了样品2天线阵列部分的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图1. (a)在AlN/Mo/Si基板上形成图案的光学天线示意图。(b)部分天线阵列的扫描电镜图像。

通过如图2所示光学测量装置，收集加热样品的角度依赖辐射来进行角度、波长和偏振依赖的辐射量的测定。带有翻转支架的分束器被用来将光引导到傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）或CMOS相机中。当测量中红外光谱时，光束通过一对离轴抛物面反射镜进入FTIR。在最后一个抛物面镜后放置第二个虹膜，以控制通过外部端口进入FTIR的准直光束的宽度。在第二个虹膜和FTIR之间放置一个偏振器，以选择发射光的偏振光。对于横向磁（TM）极化，样品被对齐，使磁场平行于棒形天线的短轴和加热级的旋转轴，如图2所示。

图2.测量ENZ基板上Au天线发射率的光学装置。

模拟采用COMSOL多物理软件，材料的光学参数来自文献，如图3(a)所示。图3(b)显示了在没有天线图案的情况下，Si/Mo/AlN基底的TM偏振吸收角度依赖性的模拟结果。靠近AlN的LO声子频率处的强吸收是由Berreman模式引起的。在垂直入射时，Berreman模式没有吸收。随着入射角度的增加，Berreman模式发生蓝移，并且其半高宽（FWHM）变宽。最大吸收在大约30°的入射角处出现，此时吸收系数接近1。之后，对在Si/Mo/AlN基底上图案化的Au条形天线的吸收进行模拟。模拟在垂直入射下进行，以消除由于Berreman模式引起的吸收，仅激发天线的共振模式。图3(c)显示了天线长度对天线共振的调节效果。随着天线长度的减少，一级天线共振模式发生蓝移并且变宽。虚线红色标记显示了AlN的Re(ε) = 0的光谱位置。作者利用该特性选择了三种不同长度的天线，使得：(a) 一级天线模式远离ENZ点，此时Re(εAlN) > 1；(b) 接近ENZ点（0 ）； (c) 超过ENZ点，此时Re(εAlN) < 0。

图3. (a)有限元模拟的单元格示意图。(b)采用TMM法计算的AlN的伯雷曼模式引起的吸收。(c)用COMSOL模拟调整一阶天线模式作为天线长度的函数。

图4(a) 显示了没有任何天线的Si/Mo/AlN结构的TM偏振角度依赖光谱发射率的测量结果。颜色条表示在300°C下测量的发射率，而叠加的圆圈显示了从有限元模拟中获得的模式的入射角度依赖波长。这些模拟使用的是室温下的介电常数，并没有考虑由于温度变化引起的介电常数变化。测量发射率的轻微红移归因于在高温下光学声子的软化,这种红移与高温下光学声子的红移有关。对于样本1（2.73 μm天线阵列），天线模式远离AlN衬底的ENZ区域，Berreman模式和棒形天线的谐振模式之间没有耦合。测量结果显示出两个强烈的光谱特征，如图4(b)所示。发射率在30°附近达到峰值，频率随角度的增加而蓝移。

对于样本2（4.77 μm天线阵列），天线的一阶谐振模式仅在ENZ区域的高频侧，0 （ εAlN ） <1 。该样品的发射率如 图4(c) 所示。该样本分别在880 和 922cm −1处观察到Berreman和一阶天线模式。由于这两种模式之间的耦合，与样本1相比，Berreman模式有轻微的红移。此外，Berreman模式在较小的角度下表现出微弱的色散，并且仅在较高的角度下才能观察到红移。当天线的共振模式位于Berreman模式的低频侧，即Re(εAlN) < 0时，热辐射的角度依赖性会被显著改变，辐射集中在接近法线的狭窄角度区域，如图4(d)中所示。法线方向的辐射是由于ENZ基底的折射率低于空气的结果。对于位于两个介质界面的天线，辐射会指向折射率较高的介质。由于在ENZ点，基底的折射率变得极其接近于零，主光束因此被指向法线方向。

图4.测量的Si/Mo/AlN多层结构，(a）无天线，(b) 2.73 μm天线，(c) 4.77 μm天线，(d) 8.27 μm天线。

图5(b) 和5(c)显示了2.73和8.27μm天线在正入射下的m = 1模式的电场分布的横截面。对于2.73μm的天线，未观察到相邻天线之间的耦合。而对于8.27μm的天线，观察到了相邻天线之间的长距离耦合。这是因为天线模式耦合到Berreman模式，而Berreman模式在接近ENZ点时具有非常长的平面波长。Berreman模式可以同时耦合多个天线，这导致了空间相干性的增加，因此角度扩展减小，如图5(a)所示。为了定量评估不同天线阵列的方向性，作者定义了一个优值（FOM = ΔE/Δθ），其中ΔE是最大和最小发射率之间的对比度，Δθ是角度扩展，计算为特定频率下E(θ)的半高宽（FWHM）。较高的FOM值表示更好的方向性。对于m = 1模式，2.73、4.77和8.27微米天线阵列的FOM值分别为0.31、0.49和1.75。通过调整AlN层的厚度，可以改善图5(a)中的角度扩展和角度对比度。

图5. (a)分别在1088、922和860cm−1的三个天线阵列的m = 1模式的远场辐射图。(b)，(c)相应的模拟电场，|Ez|，2.73和8.27 μm天线阵列的轮廓，显示相邻天线之间的耦合。

对于较长的天线，观察到显著的光谱线宽度变窄。图6显示了三种天线样品在0°角度下的发射率，电场极化方向与天线长度一致。计算出2.73、4.77和8.27μm天线的一级天线模式的中心频率分别为1085、909和852 cm-1。对应的三种天线阵列的FWHM分别为32.9、15.9和6.8 cm-1。将天线的共振模式移近Berreman模式，导致最长的天线光谱宽度缩小了4.8倍。Q因子从2.73μm天线的31.2增加到8.27μm天线阵列的125，提高了4倍。对于8.27μm天线，作者还观察到849 cm-1处有一个肩部结构,归因于AlN层的表面声子极化子模式的激发。

图6.正入射角度测量的发射率。

结论与展望

作者展示了ENZ基底对光学天线远场热辐射的影响。在ENZ基底上制造了三种不同长度的条形天线，使得一级共振模式的频率分别位于：(a) 离ENZ点较远的区域；(b) ENZ点附近；(c) 超过ENZ点的区域。ENZ基底会显著改变光学天线的远场辐射。一级天线模式的远场辐射强烈依赖于天线的长度。随着天线长度的增加，天线模式会发生红移，与Berreman模式耦合。同时，热辐射的方向会向法线方向移动。与Berreman模式的耦合还导致天线模式的光谱和空间变窄。本文所述的工作可能会开辟工程中在中远红外范围内吸收、辐射和散射的新方法。尽管有限的方向带宽可能成为实际应用的障碍，但可以通过使用不同ENZ材料的梯度异质结构或在超胞中使用不同长度的多个天线等方法来克服这一问题。

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