双层超表面实现多波长选择性热发射

论文信息：

Shuang Pan, Shaoteng Wu, Huixue Ren, Jiarong Zhao, Yuanhao Zhu, Sailei Li, Li He, and Jun-Wei Luo，Multi-wavelength selective thermal emission enabled by dual-layer metasurface utilizing localized surface plasmon polariton resonance，Optics Express Vol.32,No.26,47192-47204(2024).

论文链接： https://doi.org/10.1364/OE.545764

研究背景

热发射是一种无处不在的电磁波，在自然界中具有极宽的光谱，控制热发射可用于开发低成本且方便的红外光源，其波长可调范围很广，这是目前其他光源难以实现的。传统的超表面通常用于控制光，但缺乏实现复杂发射光谱剖面和动态调谐的灵活性。在这里， 作者 介绍了一种 作者 认为新颖的双层超表面结构，该结构具有两个完全独立的层，可在 5-8 μm 波长范围内实现多峰热发射。仿真和实验表明，这种两层结构可以实现任意的频谱形状，而不会干扰多种谐振模式。这种独特的配置为热发射工程的进一步探索提供了一个有前途的平台。

研究内容

双层 MIM 结构设计为在放置在定制的热板上时发射多波长热发射，如图 1 所示。 1. 该结构由 100 nm 厚的SiO 2 组成沉积在硅衬底顶部的层，以防止未来施加电压时出现漏电流，然后沉积 200 nm 厚的 Al 层，用作反射器，最后沉积 300 nm 厚的 SiO2层充当热发射源。请注意，300 nm SiO2层也可以替换为其他电介质，通过改变介电常数来调整发射峰的波长。这种热发射源的独特之处在于它由两个不同的光栅层组成。第一层光栅 （FG） 由 5/90/5 nm Ti/Ag/Ti 组成，嵌入在 300 nm SiO 2层中 ，第二个光栅（SG） 位于其顶部，具有 10/100 nm Ti/Ag。在每个光栅层中，Ti 层充当粘合剂层，以增强 Ag 和 SiO 2 之间的附着力 。

图 1. （a）双层超表面结构的横截面和（b）俯视图。该结构由100 nm厚的SiO2组成沉积在硅衬底顶部的层，以防止未来施加电压时出现漏电流，然后沉积 200 nm 厚的 Al 层，用作反射器，最后沉积 300 nm 厚的SiO2层充当热发射源。第一层光栅（FG）由 5/90/5 nm Ti/Ag/Ti 组成，嵌入在300 nm SiO2层中，第二个光栅（SG）位于其顶部，具有 10/100 nm Ti/Ag。

根据设计结构和模拟结果，制作了混凝土样品。 这种设计的双层光栅结构的制造过程将FG嵌入二氧化硅层，同时保持顶部相对平坦的表面 ，同时在顶部保持相对平坦的表面。这是通过一个多步骤过程实现的，如图 2 所示。

图 2. 一系列剖面图用于显示制造样品的步骤。（a） 该过程从清洁用作衬底的硅晶片开始。（b） 100 nm SiO 的连续 PECVD 沉积2、200 nm Al 的电子束蒸发和 200 nm SiO 的 PECVD 沉积2.（c） 使用负光刻胶 （DNR-L300） 定义一系列周期为 10 μm、宽度为 w 的光栅图案1.采用反应离子刻蚀 （RIE） 刻蚀 100 nm 的 SiO2，创建宽度为 w1 的凹槽。（d） 然后通过使用电子束蒸发沉积 5 nm/90 nm/5 nm Ti/Ag/Ti 堆栈，然后 （e） 剥离形成 FG。（f） 随后沉积 100 nm SiO2使用 PECVD 之后 （g） 应用负性光刻胶来定义周期为 10 μm、宽度为 w 的 SG 图案2.（h） 通过电子束蒸发沉积了 10 nm Ti 和 100 nm Ag。（i） 采用升空程序组建 SG。

将样品放在热板上，并直接定位在 FTIR 输入孔径上进行测量。通过将样品放在定制的热板上，可以获得不同的热发射温度。图 3 （a）显示了在 310°C 下测得的发射率与使用有限差分时域（FDTD）方法模拟的光谱的比较，该方法基于从SEM观察到的几何参数，如图 3 （ b ） 所示 。

图 3. （a） 实验测量的四个样品的发射率光谱;（b） 根据从四个制造样品的 SEM 横截面获得的几何参数（纵坐标为 1-R）获得相应的模拟预测反射率光谱。

如图3（a） 和 （b） 所示，观察到实验结果和仿真结果紧密一致，每个峰都标有相应的谐振模式。由于四个样品的 FG 宽度固定，因此所有样品在 7.2 μm 处观察到共振峰，这些峰是由于 FG 的一级 LSPP 共振造成的。相比之下，SG 红移的一阶和三阶 LSPPs 模式随着 SG 宽度的增加而增加。这展示了高度的灵活性，允许通过结构调整独立控制每个峰的波长。此外，实验结果中的半峰全宽 （FWHM） 更大，这是由于实际制造过程中材料界面不完全平坦而引起的额外散射，导致发射率也较低。此外，FG 谐振峰的 FWHM 似乎比 SG 谐振峰的 FWHM 更宽，这是由于 FG 的图形质量比 SG 差。进一步优化制造工艺可能会改善这方面。在四个样本中，只有样本 4 显示 SG 的三阶 LSPPs 谐振峰的实验结果和仿真结果之间具有良好的匹配性。据推测，其他样品的这种差异受到 CO 吸收峰的影响2在 4.3 μm 处。由于发射率光谱是通过从样品的发射强度中减去参考样品的发射强度，然后将结果除以黑体的发射强度而获得的，黑体发射强度的最小值是由 CO 的吸收引起的2导致除法后出现显著波动。因此，4.3 μm 附近的发射率结果并不可靠。如果 CO2可以排除，则实验结果应与仿真结果吻合较好。因此，4.3 μm 附近的发射率结果并不可靠。总之，实验结果与仿真结果基本吻合较好，验证了仿真峰能够独立移动，实现了更灵活的调光手段。

结论与展望

本工作对用于控制热发射的双层光栅结构进行了全面研究，包括仿真和实验验证。主要发现证明了两个光栅层的独立性，证实了FG和SG的 LSPPs 谐振模式不会表现出相互干扰。作者进一步证明了光栅宽度与 LSPPs 谐振模式波长之间存在直接的正相关关系。值得注意的是，在光栅下方形成的谐振腔仅支持奇数阶驻波模式，例如一阶和三阶。作者的分析表明，金属光栅会增加 SiO 的折射率21.4 倍，而 SiO 吸收峰波长处的折射率2LO 声子显着降低，导致 LSPPs 模式难以在接近 8 μm 的波长处继续红移。此外，仿真阐明了当周期为 10 μm 时，三阶模式与 SPPs 能量重叠的现象，从而抑制了SPPs谐振。但是，如果通过调整周期使 SPP 的谐振能量偏离 LSPP 的谐振能量，则可以观察到SPP的谐振。

拟议的结构显着增强了光线控制的灵活性。它不仅可以实现特定波长的热发射，还可以独立移动各个热发射峰，甚至可以构建任意波长。它为低成本红外光源的应用带来了希望，并为设计高级光源控制器件提供了有价值的见解。这种结构在气体传感、3D 显示器和其他各个领域也有潜在的应用。未来的研究将侧重于探索该系统的动态调谐能力，释放其在高级热发射应用中的全部潜力。

热辐射与微纳光子学