[发明专利]一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法

说明书

本发明属于红外人工电磁超材料和辐射制冷领域，更具体的涉及一种调控特定波段红外宽带吸波结构及其设计方法。本发明利用金属薄膜底层结构来阻挡透射，利用阻抗匹配来减少反射，通过锯齿状多层双介质周期结构来实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的强吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。由下至上为金属底板和多层锯齿状双介质结构组成的基本单元，金属底板由金属薄膜组成，双介质结构上层介质为金属薄膜，下层介质为Ge、P等半导体薄膜，该基本单元在x‑y二维平面上周期性展开。本发明可提高大气窗口材料的吸波能力，非大气窗口材料的反射能力，提高材料的辐射制冷能力，满足节能环保的需求。

技术领域

本发明属于红外人工电磁超材料及辐射制冷领域，涉及一种调控用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法。

背景技术

超材料是由人工构建的基本“单元”组成的亚波长结构的复合材料体，可以超越自然界材料本征参数的限制，实现自然材料所不具有的物理特性和功能，这些被人工结构改性过的材料被统称为“超材料”。超材料的宏观物质特性由它的结构决定而不是由材料本征特性决定，所以超材料的诞生为材料界引入一个全新的设计理念，改变了以往自然界中有何种材料制造出何种物件的惯例，开创了逆向设计的方法，即针对电磁波的应用需求制造出相应功能的材料，在材料科学领域具有重大历史意义。

基尔霍夫定律表明，在热平衡条件下，任何物体的辐射出射度和它对来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度下黑体的辐射出射度，物体的黑度即发射率与该物体在相同温度下的吸收率相等，物体吸收辐射的本领越大，其发射辐射的本领也越大。因此，一个好的吸收体也是一个好的发射体。

红外吸收器可以通过大气的红外透明窗口向冰冷的外太空辐射能量，从而实现被动辐射制冷。大气的红外透明窗口从3到5μm,和8到13μm.具有这种光谱选择性吸收的红外吸收器也可以用作成像和探测器，具有背景噪声低的优势。因此，拓宽吸收器的选择频带去覆盖大气的两个主要透明窗口，对推进吸收器在辐射制冷领域的应用具有重要意义。

现有辐射制冷材料存在带宽不宽，吸收率不强，辐射制冷效果欠佳等缺陷。

发明内容

本发明针对上述技术问题提供一种用于辐射制冷的宽频吸波超材料及其设计方法，能够使吸波超材料在特定波段具有宽带强吸收，同时其他波段高反射。

为了实现这个目的，我们设计了一种宽频带超材料吸收器，实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。

红外可选波段超材料吸收体由周期性单元结构组成，每个单元由下至上为金属底板和金字塔形多层双薄膜，多层双薄膜由半导体介质层材料和金属薄膜交互堆叠而成。

基本单元结构在x-y平面周期性展开，周期为0.5～5μm。

金属底板由金属薄膜组成，如金银铜铝等，厚度大于红外波段电磁波在金属中的趋肤深度，大于50nm。

多层双薄膜结构中上层介质为金属薄膜，厚度为10nm～100nm，下层介质为Ge、P等半导体薄膜，厚度为10～100nm，双介质结构的层数为13～30。

双介质结构被刻蚀为金字塔形，在x-z平面的截图为梯形，梯形最上层宽度为0.2μm～4μm，梯形最下层宽度为0.3μm～4.5μm。

利用金属薄膜底层结构来阻挡透射，利用阻抗匹配来减少反射，通过锯齿状多层双介质周期结构来实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。

根据吸收A＝1-透射T-反射R，为了减少透射，在最底层加一层金属底板，该底板由金属薄膜组成，厚度大于红外波段的穿透深度，使得透射T＝0；为了减少大气窗口的反射，要使此波段内该结构的波阻抗Z与外界环境的波阻抗Z匹配，非大气窗口该结构的波阻抗Z与外界环境的波阻抗不匹配：