金属光子晶体可见光及微波电磁波频谱调控
【中国电子科技集团公司第三十三研究所赵亚丽高级工程师团队】


        金属是一种在光学频段有损且强色散的电介质,由于在该频段其介电常数的实部小于零,导致金属不支持体波,但支持约束在金属-介质界面传播的表面等离子体激元(SPPs)。将金属这种特殊的光学性质与光子晶体相结合(称为金属光子晶体),能够在亚波长尺度上有效控制和约束光的传输,呈现出诸多奇特的光传输现象。当金属光子晶体中的金属膜厚小于SPP的穿透深度时,在隧道效应和SPP耦合的共同作用下可形成在三维空间传播的体表面等离子体激元,从而使原本在金属中不可传输的可见光在金属光子晶体中可以传输。
        研究表明,通过改变金属光子晶体的组份材料属性、组份膜厚比、周期以及周期数等结构参数,可对其中传输波的中心波长、频率宽度和传输强度进行主动设计和调控。此外,由于金属光子晶体在红外、微波以及无线电波段的等效介电常数为负,具备较强的电磁屏蔽能力,因此采用该项技术可实现宽频段电磁屏蔽和良好视觉效果的兼容。

        中国电子科技集团公司第三十三研究所赵亚丽高级工程师团队和太原科技大学李旭峰副教授团队致力于金属光子晶体表面可见光及微波光谱特性的研究。采用等效介质理论、光子晶体布拉格散射理论和SPP耦合理论揭示了金属光子晶体结构对光谱特性影响的物理机理;通过对磁控溅射氧氩比、沉积温度和退火等工艺的优化,制备出了光电性能优异的金属光子晶体薄膜,实现了对金属光子晶体传输和反射特性的主动设计及有效控制。
        研究团队研制出了一种由金属Ag和ITO薄膜交替构成的金属光子晶体薄膜。该薄膜在微波波段等效介电常数为负,具备宽频段电磁屏蔽的能力;而在可见光波段等效介电常数大于0(在透光率中心波长等效介电常数等于1),具备低反射和高透光的能力。通过该技术,很好地解决了宽频段电磁屏蔽和良好视觉能力相互制约的技术难题。其电磁屏蔽性能明显优于目前普遍使用的ITO膜;同时,可见光视觉效果也明显优于金属网栅结构,实现了电磁屏蔽材料的薄膜化、轻质化和可视化。与金属复合薄膜相比,这种材料具备可通过结构设计对其色泽感和色彩饱和度进行优化的独特优势,而这对电磁屏蔽可视窗的设计是至关重要的。
        在此基础上,研究团队还设计了一种非连续金属薄膜(ITO/Ag/ITO)N型光学窗,该光学窗方阻低至0.53Ω,导电性能与金属微网相当,而在可见光的高透过率半高宽保持在380 nm~780 nm之间,实现了良好的低电阻和宽频段高透光的创新成果。在提升平面显示器的分辨率和响应速度方面具有潜在的应用价值。此外,采用金属光子晶体结构设计也可以实现对可见光不同频段的增强反射,图1~图3分别为ITO膜厚为60 nm、80 nm和120 nm的光子晶体的反射图。

 
图1  FDTD算法模拟3.5个Ag/ITO周期在垂直入射的反射光谱,ITO厚度固定为60 nm


 
图2  FDTD算法模拟3.5个Ag/ITO周期在垂直入射的反射光谱,固定ITO厚度为80 nm

 
图3  FDTD算法模拟3.5个Ag/ITO周期垂直入射的光学反射光谱,固定ITO厚度为120 nm

研究团队简介
       中国电子科技集团公司第三十三研究所电磁防护材料及技术山西省重点实验室赵亚丽高级工程师与太原科技大学应用科学学院李旭峰副教授团队主要从事电磁超材料设计及应用的研究工作,近年来承担了863和预研基金等研究课题。团队致力于超构材料电磁频谱设计、控制及应用技术的研究,很好地解决了电磁屏蔽和可视、电磁吸波和可视、高导电和可视之间相互制约的技术难题。在本领域发表及合作发表相关学术论文近40篇,参编专著一部;获山西省科技进步二等奖一次;获中国电子科技集团公司科学技术二等奖和三等奖各一次;获山西省国防科技工业技术创新一等奖和二等奖各一次。

相关论文
赵亚丽, 李旭峰, 贾琨, 等. 一维金属介质光子带隙材料的光学特性[J]. 光电工程, 2018, 45(11): 180239.
DOI:10.12086/oee.2018.180239