王棟 許軍 陳溢杭

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣州 510006)

介電常數(shù)為零或近零模式在微納結(jié)構(gòu)中提供了一個(gè)新的方式調(diào)控光與物質(zhì)的相互作用.本文首先利用金屬圓盤陣列結(jié)構(gòu)激發(fā)了表面等離激元共振,在共振頻率處實(shí)現(xiàn)了光的局域效果;然后通過在金屬-絕緣體-金屬超表面微納結(jié)構(gòu)中加入摻雜半導(dǎo)體材料,利用上層金屬圓盤陣列激發(fā)的表面等離激元共振誘導(dǎo)介電常數(shù)近零模式的產(chǎn)生,從而使得介電常數(shù)近零模式與表面等離激元模式發(fā)生耦合,在中紅外波段實(shí)現(xiàn)了一個(gè)470 nm的寬帶吸收效果;數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在寬帶吸收處存在光場(chǎng)的強(qiáng)局域效果.與窄帶吸收相比,寬帶吸收有更廣泛的應(yīng)用,比如吸收器、傳感器、濾波器、微測(cè)輻射熱計(jì)、光電探測(cè)器、相干熱發(fā)射器、太陽(yáng)能電池、指紋識(shí)別和能量收集裝置等.

1 引 言

金屬-絕緣體-金屬(MIM)超表面結(jié)構(gòu)近年來(lái)引起了許多關(guān)注[1?13],這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一系列波的操控效果,可以在輕微改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下實(shí)現(xiàn)多樣化的應(yīng)用,比如偏振控制[3,4]、反射相位調(diào)制[5]、完美吸收[6?8]、異常光線反射[9?10]、聚焦[11]和全息圖[12].其中MIM超表面光吸收已成為熱點(diǎn),它通過激發(fā)表面等離激元諧振,把光局域起來(lái),實(shí)現(xiàn)完美吸收效果[9].為了得到廣泛的應(yīng)用,通過兩種MIM超表面組合形成一個(gè)復(fù)雜的超表面結(jié)構(gòu),使得產(chǎn)生的兩個(gè)表面等離激元模式發(fā)生耦合,實(shí)現(xiàn)寬帶吸收效果[13].但是由于表面等離激元對(duì)光的局域性不強(qiáng),實(shí)現(xiàn)寬帶效果達(dá)不到預(yù)期值.最近,又提出具有不同摻雜濃度的銦錫氧化物層實(shí)現(xiàn)寬帶完美吸收[14],這種摻雜材料是介電常數(shù)為零或近零(ENZ)材料[15?17];ENZ材料有其獨(dú)特的性質(zhì),當(dāng)厚度足夠薄時(shí)可以激發(fā)ENZ模式,這種模式具有很強(qiáng)的態(tài)密度,為增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用提供了一個(gè)新的方式.目前ENZ材料已得到了許多應(yīng)用,包括全透射、全反射現(xiàn)象[18],Goos-Hanchen位移[19]、耗散或增益導(dǎo)致的不對(duì)稱傳輸[20]、完美吸收等.

為了達(dá)到更好的光局域效果,本文通過在MIM超表面結(jié)構(gòu)中加入ENZ材料,由于這種材料具有強(qiáng)烈的局域共振模式,所以原有表面等離激元占主要吸收的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為表面等離激元和ENZ模式共同吸收的結(jié)構(gòu);如果使這兩種模式發(fā)生耦合,會(huì)很大地提升吸收效果,更好地實(shí)現(xiàn)完美吸收,甚至可以在近、中紅外波段實(shí)現(xiàn)超寬帶吸收.最后可以制作完美吸收器,同時(shí)在電磁屏蔽、光電探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、傳感器和能量收集裝置等領(lǐng)域也具有很大的應(yīng)用價(jià)值.

2 ENZ材料

ENZ模式是強(qiáng)烈的局域共振模式,這種模式僅存在于介電常數(shù)為零或近零的亞波長(zhǎng)納米材料中.由于ENZ模式的電場(chǎng)垂直于納米薄層,所以電磁波在正入射的情況下不能被激發(fā)[17];需要引入表面等離激元模式去誘導(dǎo)ENZ模式的產(chǎn)生,這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)可以在光正入射時(shí)被激發(fā),但是ENZ材料厚度不能超過等離子體波長(zhǎng)的1/50或者更薄[21].自然界中也存在許多這樣的材料,比如金屬在其等離子體頻率處,還有二氧化硅和三氧化二鋁等材料在某些頻段也滿足介電常數(shù)實(shí)部為零的條件;當(dāng)然使用納米加工技術(shù),也能實(shí)現(xiàn)人造ENZ材料[22].其中最普通的是摻雜半導(dǎo)體材料,通過改變其摻雜濃度和生長(zhǎng)條件,在整個(gè)近紅外或者中紅外波段可以根據(jù)人們所設(shè)想的進(jìn)行調(diào)控[23?24].本文選擇的ENZ材料是摻雜氧化鎘的鏑(Cdo:Dy)[16],因?yàn)樵摬牧显谡麄€(gè)中紅外波段研究等離子體現(xiàn)象具有非常大的應(yīng)用前景;同時(shí)當(dāng)載流子濃度和遷移率發(fā)生改變可以調(diào)節(jié)等離子體頻率,從而可以在不同波段處滿足介電常數(shù)為零的特征.

Cdo:Dy材料的介電常數(shù)滿足Drude模型,也就是它的實(shí)部和虛部滿足下面的方程:

(1),(2)式可以看出等離子體頻率取決于載流子濃度n,q是自由電子電荷量,ε0是真空介電常數(shù),me是電子有效質(zhì)量,μ是電遷移率;這里Cdo:Dy材料的參數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)得到的[16],ε∞為5.5,有效電子質(zhì)量取0.21倍單個(gè)電子有效質(zhì)量.圖1表示不同生長(zhǎng)條件下的鏑摻雜氧化鎘的介電常數(shù),可以看出介電常數(shù)實(shí)部為零的頻率隨著載流子濃度的不同發(fā)生改變.本文選用的載流子濃度和遷移率分別是n=3.7×1020cm?3,μ =359 cm?2/(V·s),在1870 nm處實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)為零.

圖1 計(jì)算得到不同鏑摻雜氧化鎘材料介電常數(shù)的實(shí)部(實(shí)線)和虛部(虛線)Fig.1.Real(solid line)and imaginary(dashed line)dielectric constant for dif f erent calculated Cdo:Dy materials.

3 結(jié)果與討論

3.1 基于MIM結(jié)構(gòu)中的超表面

一般的MIM結(jié)構(gòu)由3層結(jié)構(gòu)組成,上層是二維周期性排列的鋁金屬圓盤,下層是連續(xù)的鋁金屬平面,兩層鋁金屬中間由介質(zhì)層連接;由于下層的金屬比較厚,所以這個(gè)結(jié)構(gòu)沒有透射光,整個(gè)結(jié)構(gòu)的吸收率滿足A=1?R.為了能激發(fā)共振效應(yīng),本文采用電場(chǎng)平行于x方向正入射,如圖2(a)所示,上層由周期為800 nm的三角晶格金屬圓盤排列,圓盤半徑為290 nm,髙33 nm,介質(zhì)層采用的是26 nm厚的二氧化硅材料,下層是100 nm厚的金屬鋁層;最后用時(shí)域有限差分(FDTD)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算得到圖2(b).在共振頻率處,由于R為0,并且沒有透射,所以吸收率為1.圖2(c)表示在一個(gè)單元中共振頻率處電場(chǎng)的實(shí)部,0—33 nm(z軸)是圓盤的高,0—?26 nm(z軸)是介質(zhì)層的厚度,290—?290 nm(x軸)是圓盤直徑,很明顯由于產(chǎn)生了表面等離激元共振,光被局域到圓盤周圍和介質(zhì)層中,實(shí)現(xiàn)了完美吸收.如圖2(d)所示,隨著圓盤的半徑的增大,共振波長(zhǎng)也相應(yīng)地增大.

圖2 (a)由二維周期性排列的鋁圓盤MIM結(jié)構(gòu);(b)MIM結(jié)構(gòu)在共振頻率處的反射光譜;(c)在一個(gè)單元中共振頻率處電場(chǎng)的實(shí)部;(d)隨著圓盤的半徑的增大,共振波長(zhǎng)也相應(yīng)的增大Fig.2.(a)A MIM structure of two-dimensional periodic arrangement of aluminum disks;(b)ref l ection spectrum of the MIM structure at the resonant frequency;(c)real part of the electric f i eld at the resonant frequency in a unit;(d)corresponding increase in the resonance wavelength as the radius of the disk increases.

3.2 具有ENZ材料的超表面結(jié)構(gòu)

由于金屬損耗較大,產(chǎn)生的吸收帶既不是寬帶也不是很好的窄帶,所以為了實(shí)現(xiàn)更多光吸收的應(yīng)用,本文在MIM結(jié)構(gòu)中加入一層Cdo:Dy材料,這樣在不影響激發(fā)表面等離激元諧振的情況下又激發(fā)了ENZ模式,使得僅有表面等離激元共振占主要吸收的結(jié)構(gòu)變成了多種模式之間的耦合吸收效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了更佳的吸收效果,并且產(chǎn)生較寬的寬帶吸收.

激發(fā)ENZ模式有多種方式[25],本文設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)類型來(lái)分析各自特點(diǎn).第一種結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,在一般的MIM結(jié)構(gòu)中加入一層15 nm的Cdo:Dy材料,這個(gè)結(jié)構(gòu)和圖2(a)的結(jié)構(gòu)相似,只是在鋁圓盤和介質(zhì)層之間加了一層Cdo:Dy材料.為了得到最佳效果,本文優(yōu)化圓盤半徑為324 nm,髙8 nm,介質(zhì)層改為205 nm.介質(zhì)層的改變是為了減弱表面等離激元與ENZ模式耦合,因?yàn)殚g隔層太厚,表面等離激元模式與ENZ模式的空間重疊會(huì)減少?gòu)亩鴾p弱兩種模式之間的耦合;相反,如果介質(zhì)層太薄,兩種模式之間的耦合進(jìn)入強(qiáng)耦合區(qū)域則兩個(gè)共振將完全分裂成兩個(gè)諧振模式[26],所以間隔層的厚度也有嚴(yán)格的要求.為了優(yōu)化寬帶吸收,表面等離激元模式和ENZ模式應(yīng)該處于強(qiáng)耦合的邊緣,但仍處于弱耦合狀態(tài)區(qū)域,所以在介質(zhì)層適當(dāng)厚的情況下,表面等離激元模式與ENZ模式的空間重疊一定時(shí),兩種共振模式發(fā)生弱耦合效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)寬帶吸收[14].圖3(b)黑色曲線就是利用FDTD數(shù)值模擬得出的兩種模式耦合后的反射光譜,吸收寬帶達(dá)350 nm,實(shí)現(xiàn)了中紅外更寬的寬帶吸收,吸收效果比以往的更佳.這個(gè)結(jié)構(gòu)和一般的MIM結(jié)構(gòu)一樣,上層的金屬用來(lái)激發(fā)表面等離激元,但是有Cdo:Dy材料層又會(huì)誘導(dǎo)ENZ模式產(chǎn)生,并且Cdo:Dy薄膜層的加入改變了有效折射率,使得在金屬層與Cdo:Dy薄膜層交界邊緣電荷聚集,導(dǎo)致強(qiáng)局域效果.在一定的參數(shù)下局域表面等離激元模式與ENZ模式有重疊部分,重疊部分的兩種模式之間發(fā)生弱耦合效應(yīng),從而達(dá)到完美的寬帶吸收效果.共振波長(zhǎng)的紅移是由于Cdo:Dy材料層的厚度增加,其色散曲線會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng),使得ENZ模式遠(yuǎn)離ENZ頻率[27],所以耦合產(chǎn)生的寬帶也隨Cdo:Dy材料層的厚度增加發(fā)生紅移.

圖3 (a)在MIM結(jié)構(gòu)中加入一層Cdo:Dy材料的結(jié)構(gòu)圖;(b)有Cdo:Dy層結(jié)構(gòu)和去掉Cdo:Dy層結(jié)構(gòu)的反射光譜Fig.3. (a)Structure diagram of the MIM structure added by Cdo:Dy material nanolayer;(b)with the Cdo:Dy nanolayer and ref l ection spectrum of the structure with the Cdo:Dy nanolayer removed.

作為對(duì)比,圖3(b)紅色的曲線表示去掉ENZ層的反射光譜,去掉ENZ層后其反射率大幅增加,紅線的谷值說明在此波段處確實(shí)有一個(gè)弱的表面等離激元共振但是沒有寬帶吸收;而引入了Cdo:Dy材料,既產(chǎn)生ENZ模式又加強(qiáng)了表面等離激元強(qiáng)度,利用這些模式之間的耦合達(dá)到了寬帶吸收.并且和一般的MIM結(jié)構(gòu)相比(圖2),其寬帶吸收增大超過一個(gè)數(shù)量級(jí).為了解釋兩種模式之間的耦合,圖4是選取的圖3中的3個(gè)頻率點(diǎn)的電場(chǎng)圖與磁場(chǎng)圖,分別是ENZ頻率、寬帶吸收中心波長(zhǎng)和等離子體頻率.其中圖4(a)表示在一個(gè)單元中ENZ頻率(1870 nm)處電場(chǎng)的實(shí)部,z軸表示一個(gè)模擬單元的厚度,x軸表示一個(gè)單元的周期;?324—324 nm(x軸)是Al圓盤的直徑,0—8 nm(z軸)是圓盤的高度(圖4中最上面的虛線框是圓盤的正視圖),由于表面等離激元共振所以圓盤周圍有電場(chǎng)分布;0—?15 nm(z軸)是ENZ材料層(圖4用虛線框表示),?15—?320 nm(z軸)是介質(zhì)層與金屬鏡面.很明顯電場(chǎng)幾乎都是局域在ENZ材料層中(除了很弱的表面等離激元),說明此處誘導(dǎo)產(chǎn)生了ENZ模式,這種模式具有很大的態(tài)密度,有場(chǎng)增強(qiáng)效果.圖4(b)是ENZ頻率處磁場(chǎng)的實(shí)部圖.圖4(c)和圖4(d)表示在一個(gè)單元中吸收寬帶中心波長(zhǎng)(2838 nm)處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部.其電場(chǎng)局域在Cdo:Dy材料層中和圓盤周圍,并且光局域的強(qiáng)度高于圖4(a)的強(qiáng)度,說明耦合增加了光局域效果,同時(shí)其磁場(chǎng)也得到了增強(qiáng).圖4(e)和圖4(f)表示在一個(gè)單元中表面等離激元共振處(3270 nm)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部.其主要是表面等離激元局域引起的,相對(duì)強(qiáng)度比圖4(c)弱許多.總之,其物理機(jī)理與圖2原理相似.當(dāng)光垂直照射到超表面結(jié)構(gòu)時(shí),金屬與Cdo:Dy材料周圍聚集電荷,從而誘導(dǎo)下層的金屬產(chǎn)生相反的電流,上下兩層形成環(huán)形電流,產(chǎn)生磁共振,從而在上下兩層之間產(chǎn)生強(qiáng)的磁場(chǎng)局域效果;在這種條件下又激發(fā)了Cdo:Dy材料的ENZ模式,在相互作用下,更好地實(shí)現(xiàn)光的局域效果.從全部電場(chǎng)圖來(lái)分析,波段在1870 nm附近的以ENZ模式為主,在3270 nm附近及以后波段以表面等離激元共振吸收為主,在2838 nm附近兩種模式都存在,并且這兩種模式重疊發(fā)生耦合效應(yīng),產(chǎn)生更強(qiáng)的光局域效果.因此,可以得出光的寬帶吸收是由ENZ模式與表面等離激元模式之間發(fā)生耦合產(chǎn)生的現(xiàn)象.

另一結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,在一般的MIM結(jié)構(gòu)中加入柱狀Cdo:Dy材料而不是像圖3的層狀,這樣的結(jié)構(gòu)可以減少光的輻射.為了得到最佳效果,通過理論分析計(jì)算得到優(yōu)化的金屬圓盤與Cdo:Dy材料半徑都為220 nm,髙分別是10 nm和26 nm,介質(zhì)層仍是適當(dāng)?shù)暮穸?為205 nm,避免過厚與過薄,以達(dá)到最好的寬帶吸收效果.圖5(b)黑色曲線展示了表面等離激元模式和ENZ模式耦合后的反射光譜,很明顯其吸收寬帶達(dá)470 nm,實(shí)現(xiàn)了更寬的寬帶吸收效果.作為對(duì)比,圖5(b)紅色曲線表示去掉ENZ層后的反射光譜,同樣,去掉ENZ層后反射率大幅增加,只存在一個(gè)弱的表面等離激元.并且和圖3結(jié)構(gòu)相比,這種結(jié)構(gòu)能更好地局域光,更好地實(shí)現(xiàn)寬帶吸收效果.其機(jī)理是當(dāng)光垂直照射到Cdo:Dy材料圓盤-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)時(shí),不能激發(fā)ENZ模式(這是由于激發(fā)ENZ模式需要電場(chǎng)垂直于界面),也不會(huì)有場(chǎng)的局域效果,所以本文設(shè)計(jì)了金屬圓盤-Cdo:Dy材料圓盤-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu).當(dāng)光垂直照射到這種結(jié)構(gòu)時(shí),由于金屬圓盤陣列激發(fā)表面等離激元 (圖5(b)紅色的線,表面等離激元頻率為2100 nm),被激發(fā)的表面等離激元在短波長(zhǎng)處能夠激發(fā)ENZ模式,在長(zhǎng)波長(zhǎng)處Cdo:Dy材料圓盤也能激發(fā)局域表面等離激元模式(這是由于Cdo:Dy材料也有負(fù)的介電常數(shù),類似于金屬有等離子體頻率).因此ENZ模式、金屬圓盤表面等離激元模式和Cdo:Dy材料圓盤的局域表面等離激元模式三者共同作用下,實(shí)現(xiàn)寬帶吸收.設(shè)計(jì)的這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)更寬的吸收,但其輻射出去的光也會(huì)減少,增強(qiáng)了光的局域,達(dá)到更好模式耦合.

圖4 電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布,最上面的虛線框是Al圓盤的正視圖,下面的虛線框是Cdo:Dy材料層的正視圖 (a),(b)在一個(gè)單元中ENZ頻率(1870 nm)處電場(chǎng)的實(shí)部和磁場(chǎng)的實(shí)部;(c),(d)在一個(gè)單元中吸收寬帶中心波長(zhǎng)(2838 nm)處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部;(e),(f)在一個(gè)單元中表面等離激元共振處(3270 nm)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部Fig.4.Electric fi eld and magnetic fi eld distribution,the uppermost dashed frame is the front view of the Al disks,and the lower dashed frame is the front view of the Cdo:Dy material nanolayer:(a),(b)Real part of electric fi eld and magnetic fi eld at the ENZ frequency(1870 nm)in a unit;(c),(d)real part of the electric fi eld and magnetic fi eld at the broadband center wavelength(2838 nm)in a unit;(e),(f)real part of the electric fi eld and magnetic if eld at the the surface plasmon resonance(3270 nm)in a unit.

圖5 (a)在MIM結(jié)構(gòu)中加入柱狀Cdo:Dy材料的結(jié)構(gòu)圖;(b)具有Cdo:Dy材料結(jié)構(gòu)和去掉Cdo:Dy材料結(jié)構(gòu)的反射光譜Fig.5.(a)Structure diagram of the MIM structure added by Cdo:Dy material disks;(b)ref l ection spectrum of the structure with the Cdo:Dy disks and with the Cdo:Dy disks removed.

圖6 電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布 (a),(b)在一個(gè)單元中ENZ頻率(1870 nm)處電場(chǎng)的實(shí)部和磁場(chǎng)的實(shí)部;(c),(d)在一個(gè)單元中吸收寬帶左端邊緣的波長(zhǎng)(2140 nm)處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部;(e),(f)在一個(gè)單元中吸收寬帶右端邊緣的波長(zhǎng)處(2625 nm)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部;(g)隨著Cdo:Dy層厚度的增加,寬帶吸收的寬帶位置發(fā)生紅移Fig.6.Electric f i eld and magnetic f i eld distribution:(a),(b)Real part of electric f i eld and magnetic f i eld at the ENZ frequency(1870 nm)in a unit;(c),(d)real part of the electric f i eld and magnetic f i eld at the wavelength of the left end edge of the broadband(2140 nm)in a unit;(e),(f)real part of the electric f i eld and magnetic f i eld at the wavelength of the right end edge of the broadband(2625 nm)in a unit;(g)as the thickness of the Cdo:Dy nanolayer increases,the position of the broadband absorption is red shifted.

同樣,為了更清晰地理解其物理的本質(zhì),本文也選取了圖5中的3個(gè)點(diǎn)分析其電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布,這3個(gè)點(diǎn)分別是ENZ頻率、寬帶吸收的左右兩端.圖6(a)和圖6(b)表示在一個(gè)單元中ENZ頻率(1870 nm)處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部.?220—220 nm(x軸)是Al圓盤的直徑,11—21 nm(z軸)是圓盤的高度(圖6中最上面的虛線框是Al圓盤的正視圖),11—?15 nm(z軸)是Cdo:Dy材料薄膜的高度(圖6中最下面的虛線框是Cdo:Dy材料圓盤的正視圖),很明顯有電場(chǎng)局域在Cdo:Dy材料層中和圓盤周圍,說明確實(shí)是金屬陣列產(chǎn)生的表面等離激元激發(fā)了ENZ模式.圖6(c)和圖6(d)表示在一個(gè)單元中寬帶吸收的左端邊緣的波長(zhǎng)(2140 nm)處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部.很明顯ENZ模式和表面等離激元模式都有場(chǎng)的局域效果,并且ENZ模式占主要吸收地位.同樣,圖6(e)和圖6(f)表示在一個(gè)單元中寬帶吸收的右端邊緣的波長(zhǎng)(2625 nm)處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)部,ENZ模式明顯弱一些,但光的局域強(qiáng)度仍舊很強(qiáng),這是由于金屬圓盤和Cdo:Dy材料圓盤也產(chǎn)生了局域表面等離激元模式,電荷聚集在金屬圓盤和Cdo:Dy材料圓盤周圍.而在2140—2625 nm之間有ENZ模式、金屬圓盤產(chǎn)生的表面等離激元共振和Cdo:Dy材料圓盤產(chǎn)生的局域表面等離激元共振,這3種模式共同作用下,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)470 nm吸收寬帶.圖6(g)描述的是隨著Cdo:Dy材料層的厚度的增加ENZ模式有明顯的紅移現(xiàn)象,這就是本文前面提到的為什么ENZ模式會(huì)偏離ENZ頻率.由于這個(gè)紅移的產(chǎn)生,其寬帶的位置也隨Cdo:Dy層的厚度增大而向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng).在Cdo:Dy厚度達(dá)26 nm時(shí),有一個(gè)最佳的吸收寬帶為470 nm,實(shí)現(xiàn)了中紅外寬帶吸收,寬帶效果比以往的結(jié)果好1倍.

4 結(jié) 論

完美吸收對(duì)光與物質(zhì)相互作用的研究具有重要的意義,加強(qiáng)和控制光吸收在光電子學(xué)等領(lǐng)域起著很大的實(shí)用價(jià)值.本文通過設(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)等方法,用FDTD進(jìn)行模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)了超表面寬帶吸收效果,寬帶吸收在中紅外波段達(dá)470 nm.并通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)圖也能看出光的寬帶吸收是由ENZ模式與表面等離激元模式之間發(fā)生耦合產(chǎn)生的現(xiàn)象.因?yàn)橥ㄟ^載流子濃度和遷移率發(fā)生改變可以調(diào)節(jié)等離子體頻率,所以理論上可以在中紅外任意波段實(shí)現(xiàn)寬帶吸收現(xiàn)象.本文相對(duì)于之前的含超表面吸收特性的性能優(yōu)化和吸收器件設(shè)計(jì)邁進(jìn)了一步,為實(shí)際應(yīng)用中的吸收器件的設(shè)計(jì)和制作提供可靠的理論依據(jù).