近十年來，人們對超構材料吸收器（Metamaterial Absorber，MA）產(chǎn)生了濃厚的興趣，這種吸收器由金屬-絕緣體-金屬（MIM）制成的亞波長尺寸單元按周期或非周期的排列方式構成。超構材料獨特的電磁（EM）特性（例如負磁導率和負介電常數(shù)等），使其能夠有效地被用于太陽能收集、無線通信和傳感器等各種應用。

迄今，基于超構材料吸收器設計的研究已有廣泛報道。根據(jù)EM超構材料工作的光譜范圍，它們可以很容易地在不同頻率下工作，包括太赫茲、可見光和紅外（IR）波段。對于吸收帶寬分類，窄帶超構材料吸收器可應用于熱發(fā)射操縱、傳感器、納米天線和諧振器等。另一方面，寬帶超構材料吸收器則可用于熱發(fā)射器、太陽能轉(zhuǎn)換器以及各種其他光電子應用。

近些年，學術界投入了廣泛的研究，以拓寬吸收帶寬以提高其性能和功能性。實現(xiàn)寬帶吸收的一種方法是通過集成各種尺寸的多個諧振器來形成吸收單元。通過改變所涉及諧振器的幾何形狀和結構尺寸，這類吸收器在實現(xiàn)所需吸收光譜特性方面提供了很高的靈活性。另一種方法是使用在垂直方向上具有不同幾何參數(shù)的多層結構，通過介電層分隔，以拓寬吸收光譜帶寬。

然而，多層結構需要復雜的微制造工藝，以及更高的成本。這可能會阻礙超構材料吸收器的發(fā)展。因此，有必要開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸收的簡單拓撲超構材料。

MIM配置可以提供增強的吸收帶寬。到目前為止，學術界已經(jīng)提出了多項研究來最大限度地提高超構材料吸收器結構在強度和寬帶吸收。最常見的方法是優(yōu)化結構尺寸以及結構頂面金屬層的形貌。

例如，有報道平均吸光度為97.85%的三棱柱形超構材料吸收器在200~2980 nm范圍內(nèi)實現(xiàn)了近乎完美的吸收。另一種具有雙尺寸斧形諧振器的超構材料吸收器結構在可見光至近紅外光譜范圍（即320~982 nm）表現(xiàn)出了超過90%的吸收。此外，有報道介紹了基于納米盤形諧振器的超構材料設計，用于可見光至中紅外范圍（即478~3278 nm）的光吸收，從而實現(xiàn)寬帶吸收。

對于可見光區(qū)，已有研究多種基于MIM配置的設計。有報道提出了一種基于Al-SiO2的三層超構材料吸收器，在450~600 nm范圍內(nèi)的平均吸收率高于95%。不過，該波段仍不足以滿足太陽能收集等應用日益增長的需求，這些應用需要具有完美吸收特性的超寬帶。

因此，具有完美吸收和寬入射角的薄型、寬帶可見光吸收器是最佳設計。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，埃及赫爾灣大學（Helwan University）電子與通信工程學院的研究人員設計了一種基于錳（Mn）的新型吸收器，可在整個可見光譜（400~800 nm）提供超高吸收。所提出的吸收器結構基于MIM配置構建。該研究成果已經(jīng)以“Design and optimization of broadband metamaterial absorber based on manganese for visible applications”為題，發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該研究獲得的厚度為190 nm的最佳結構，能夠在可見光波段（400~800 nm）實現(xiàn)94%以上的吸收，平均吸收率為98.72%，在365~888 nm范圍內(nèi)實現(xiàn)90%以上的吸收。在447~717 nm范圍內(nèi)，該設計呈現(xiàn)了99%以上的吸收率，提供了270 nm的超寬帶寬。

所提出的超構材料吸收器設計為了實現(xiàn)最佳性能，使用粒子群優(yōu)化（PSO）算法對吸收器單元的幾何參數(shù)進行了微調(diào)。此外，研究人員還討論了電場和磁場分布，以闡明寬帶完美吸收的物理機制。

所提出寬帶超構材料吸收器（BMA）的示意圖

（a）具有所提出設計的三種不同吸收器配置的3D視圖，以及（b）具有所提出設計的所有三種吸收器配置的吸收光譜

本研究所提出的超構材料吸收器結構具有優(yōu)異的吸收性能，使其適用于光學傳感器、熱發(fā)射器和彩色成像等各種應用。

審核編輯：劉清