論文信息：

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).

論文鏈接： https://doi.org/10.1364/OE.545764

研究背景

熱發射是一種無處不在的電磁波，在自然界中具有極寬的光譜，控制熱發射可用于開發低成本且方便的紅外光源，其波長可調范圍很廣，這是目前其他光源難以實現的。傳統的超表面通常用于控制光，但缺乏實現復雜發射光譜剖面和動態調諧的靈活性。在這里， 作者 介紹了一種 作者 認為新穎的雙層超表面結構，該結構具有兩個完全獨立的層，可在 5-8 μm 波長范圍內實現多峰熱發射。仿真和實驗表明，這種兩層結構可以實現任意的頻譜形狀，而不會干擾多種諧振模式。這種獨特的配置為熱發射工程的進一步探索提供了一個有前途的平臺。

研究內容

雙層 MIM 結構設計為在放置在定制的熱板上時發射多波長熱發射，如圖 1 所示。 1. 該結構由 100 nm 厚的SiO 2 組成沉積在硅襯底頂部的層，以防止未來施加電壓時出現漏電流，然后沉積 200 nm 厚的 Al 層，用作反射器，最后沉積 300 nm 厚的 SiO2層充當熱發射源。請注意，300 nm SiO2層也可以替換為其他電介質，通過改變介電常數來調整發射峰的波長。這種熱發射源的獨特之處在于它由兩個不同的光柵層組成。第一層光柵 （FG） 由 5/90/5 nm Ti/Ag/Ti 組成，嵌入在 300 nm SiO 2層中 ，第二個光柵（SG） 位于其頂部，具有 10/100 nm Ti/Ag。在每個光柵層中，Ti 層充當粘合劑層，以增強 Ag 和 SiO 2 之間的附著力 。

圖 1. （a）雙層超表面結構的橫截面和（b）俯視圖。該結構由100 nm厚的SiO2組成沉積在硅襯底頂部的層，以防止未來施加電壓時出現漏電流，然后沉積 200 nm 厚的 Al 層，用作反射器，最后沉積 300 nm 厚的SiO2層充當熱發射源。第一層光柵（FG）由 5/90/5 nm Ti/Ag/Ti 組成，嵌入在300 nm SiO2層中，第二個光柵（SG）位于其頂部，具有 10/100 nm Ti/Ag。

根據設計結構和模擬結果，制作了混凝土樣品。 這種設計的雙層光柵結構的制造過程將FG嵌入二氧化硅層，同時保持頂部相對平坦的表面 ，同時在頂部保持相對平坦的表面。這是通過一個多步驟過程實現的，如圖 2 所示。

圖 2. 一系列剖面圖用于顯示制造樣品的步驟。（a） 該過程從清潔用作襯底的硅晶片開始。（b） 100 nm SiO 的連續 PECVD 沉積2、200 nm Al 的電子束蒸發和 200 nm SiO 的 PECVD 沉積2.（c） 使用負光刻膠 （DNR-L300） 定義一系列周期為 10 μm、寬度為 w 的光柵圖案1.采用反應離子刻蝕 （RIE） 刻蝕 100 nm 的 SiO2，創建寬度為 w1 的凹槽。（d） 然后通過使用電子束蒸發沉積 5 nm/90 nm/5 nm Ti/Ag/Ti 堆棧，然后 （e） 剝離形成 FG。（f） 隨后沉積 100 nm SiO2使用 PECVD 之后 （g） 應用負性光刻膠來定義周期為 10 μm、寬度為 w 的 SG 圖案2.（h） 通過電子束蒸發沉積了 10 nm Ti 和 100 nm Ag。（i） 采用升空程序組建 SG。

將樣品放在熱板上，并直接定位在 FTIR 輸入孔徑上進行測量。通過將樣品放在定制的熱板上，可以獲得不同的熱發射溫度。圖 3 （a）顯示了在 310°C 下測得的發射率與使用有限差分時域（FDTD）方法模擬的光譜的比較，該方法基于從SEM觀察到的幾何參數，如圖 3 （ b ） 所示 。

圖 3. （a） 實驗測量的四個樣品的發射率光譜;（b） 根據從四個制造樣品的 SEM 橫截面獲得的幾何參數（縱坐標為 1-R）獲得相應的模擬預測反射率光譜。

如圖3（a） 和 （b） 所示，觀察到實驗結果和仿真結果緊密一致，每個峰都標有相應的諧振模式。由于四個樣品的 FG 寬度固定，因此所有樣品在 7.2 μm 處觀察到共振峰，這些峰是由于 FG 的一級 LSPP 共振造成的。相比之下，SG 紅移的一階和三階 LSPPs 模式隨著 SG 寬度的增加而增加。這展示了高度的靈活性，允許通過結構調整獨立控制每個峰的波長。此外，實驗結果中的半峰全寬 （FWHM） 更大，這是由于實際制造過程中材料界面不完全平坦而引起的額外散射，導致發射率也較低。此外，FG 諧振峰的 FWHM 似乎比 SG 諧振峰的 FWHM 更寬，這是由于 FG 的圖形質量比 SG 差。進一步優化制造工藝可能會改善這方面。在四個樣本中，只有樣本 4 顯示 SG 的三階 LSPPs 諧振峰的實驗結果和仿真結果之間具有良好的匹配性。據推測，其他樣品的這種差異受到 CO 吸收峰的影響2在 4.3 μm 處。由于發射率光譜是通過從樣品的發射強度中減去參考樣品的發射強度，然后將結果除以黑體的發射強度而獲得的，黑體發射強度的最小值是由 CO 的吸收引起的2導致除法后出現顯著波動。因此，4.3 μm 附近的發射率結果并不可靠。如果 CO2可以排除，則實驗結果應與仿真結果吻合較好。因此，4.3 μm 附近的發射率結果并不可靠。總之，實驗結果與仿真結果基本吻合較好，驗證了仿真峰能夠獨立移動，實現了更靈活的調光手段。

結論與展望

本工作對用于控制熱發射的雙層光柵結構進行了全面研究，包括仿真和實驗驗證。主要發現證明了兩個光柵層的獨立性，證實了FG和SG的 LSPPs 諧振模式不會表現出相互干擾。作者進一步證明了光柵寬度與 LSPPs 諧振模式波長之間存在直接的正相關關系。值得注意的是，在光柵下方形成的諧振腔僅支持奇數階駐波模式，例如一階和三階。作者的分析表明，金屬光柵會增加 SiO 的折射率21.4 倍，而 SiO 吸收峰波長處的折射率2LO 聲子顯著降低，導致 LSPPs 模式難以在接近 8 μm 的波長處繼續紅移。此外，仿真闡明了當周期為 10 μm 時，三階模式與 SPPs 能量重疊的現象，從而抑制了SPPs諧振。但是，如果通過調整周期使 SPP 的諧振能量偏離 LSPP 的諧振能量，則可以觀察到SPP的諧振。

擬議的結構顯著增強了光線控制的靈活性。它不僅可以實現特定波長的熱發射，還可以獨立移動各個熱發射峰，甚至可以構建任意波長。它為低成本紅外光源的應用帶來了希望，并為設計高級光源控制器件提供了有價值的見解。這種結構在氣體傳感、3D 顯示器和其他各個領域也有潛在的應用。未來的研究將側重于探索該系統的動態調諧能力，釋放其在高級熱發射應用中的全部潛力。

熱輻射與微納光子學