金属介质金属光栅结构强化吸收特性.doc

文档介绍：中国工程热物理学会学科类别:传热传质学
学术会议论文编号:123700
金属/介质/金属光栅结构强化吸收特性
张玉涛,宣益民
(南京理工大学能源与动力工程学院, 南京 210094)
Tel: [phone] Email: ******@.
摘要:本文从电磁场理论出发,利用严格耦合波方法计算了金属/介质/金属双层光栅结构表面的光谱特性,利用金属/介质/金属膜层结构的色散关系和等效LC回路模型两种理论对金属/介质/金属双层光栅结构表面的共振现象进行研究,讨论了几何参数对结构表面光谱特性的影响,对不同的金属材料的MIM光栅结构共振频率做了对比,结果表明金属/介质/金属双层光栅结构的共振由金属/介质界面上的表面波之间的耦合产生,这也是磁极化效应的物理机理。
关键词:磁极化效应,表面波,等效LC回路
0 引言
随着全球能源的日益紧张,新型能源的研究和应用是人类能源发展的主要方向之一。近年来,由于科学工作者的深入研究,这一领域取得迅速的发展,设计了各种各样的微结构表面并应用于光谱反射率,透射率和吸收率的控制,改善太阳能电池,热辐射器和滤光器,热光伏装置和其他的能量转换装置的性能[1]。金属光栅结构表面可以激发表面波,从而实现窄带定向辐射器[2],微腔结构表面可以用来实现全方向窄带辐射[3]。
超材料的研究和应用是光谱控制领域的新方向,自从被提出来,已经引起学者们的广泛关注。金属/介质/金属(MIM)光栅结构是一种典型的超材料。在该超材料的研究中,强化吸收(EOA)现象普遍存在。对于产生EOA现象的原因,学者们的意见并不一致。Ortuño 等人研究了二维MIM光栅结构中的EOA现象,认为该EOA现象是金属层之间的距离比较小,在金属/介质界面上产生表面波(SPP)并且相互耦合,从而产生共振引起EOA现象[4]。Lee等人认为MIM光栅结构中的EOA现象是由磁极化效应(MPP),即微结构表面的磁单元产生感应电流形成的,并非SPP产生[1]。关于MIM光栅结构的EOA现象的物理机理的争论一直持续,并未出现统一的理解。因此有必要对EOA现象做进一步的研究讨论,增加MIM结构的实用性。
本文利用严格耦合波(RCWA)方法计算了TM偏振下的一维MIM光栅结构表面在75-750 THz范围内的光谱辐射特性,研究了几何参数对共振频率的影响,利用MIM薄膜结构的色散关系以及等效LC回路讨论MIM微结构表面的的共振及共振频率的变化,分析了Ag、Cu、Al三种MIM光栅结构表面的共振现象,并将利用色散关系以及等效LC回路两种理论的预测结果进行对比,揭示MIM光栅结构表面的EOA现象产生的物理机理,分析了内SPP和MPP的关系。
1计算模型
物理模型
MIM光栅结构如图1所示,两层金属光栅的厚度均为h,光栅中间的介质层厚度为d, 周期为L,w为金属窄带的宽带,-方向周期排布,沿y-方向均匀无限延伸,光线沿-z方向垂直入射。考虑到SPP(内SPP和外SPP)只能在TM偏振下产生,所以,本文只考虑入射波为TM偏振。
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50936002)
图1 MIM光栅结构示意图
金属材料的光学参数常用Drude模型描述如下[5]:
(1)
式中,为金属