热诱导的分子链互穿作用增强了GIS/GIL环氧复合绝缘材料-半导体粘合剂-铝界面的机械强度

《Surfaces and Interfaces》：Thermally Induced Molecular-Chain Interpenetration Enhances the Mechanical Strength of GIS/GIL Epoxy Composite Insulation–Semiconductive Adhesive–Aluminum Interface

基于准束缚态的多窄带高灵敏度吸收器设计及其电磁特性分析。采用硅基超表面/二氧化硅/铝三层结构，通过调控四个矩形空气腔的侧向长度差异破坏平面对称性，在1291.25 nm、1413 nm和1515 nm处获得吸收率超98%的三窄带特性，其中两个峰为准束缚态激发，磁共振主导效应显著，最大灵敏度达316 nm/RIU，为生物和环境传感器开发提供新思路。

　　

陈燕|宋世一|侯杰|陈善军

中国湖北省荆州市长江大学物理与光电工程学院，434023

摘要

连续体中的准束缚态（quasi-BIC）在生物传感器设计中具有显著优势，因为它们能够通过有效增强光与物质之间的相互作用来提高光的吸收效率。然而，设计一种多窄带吸收器仍然是一个挑战，其中每个窄带都需要具备超高的吸收率和灵敏度。在这项工作中，我们提出了一种基于准束缚态的超窄带吸收器，该吸收器由顶层刻有四个矩形空气腔的硅（Si）超表面、中间层的二氧化硅（SiO₂）和底层金属铝（Al）组成。通过改变四个矩形的边长差异，我们打破了结构的平面对称性，从而在1291.25 nm、1413 nm和1515 nm处产生了共振峰，对应的吸收率分别为99.9%、99.3%和98.3%；其中两个峰是在准束缚态下激发的。值得注意的是，多极分解分析表明，这三个共振峰主要受到磁共振效应的影响。该吸收器的最大灵敏度达到了316 nm/RIU，为生物和环境传感器的开发与应用提供了宝贵的参考。

引言

超材料是一种人工设计的复合材料，具有超越天然材料极限的独特电磁特性[[1], [2], [3], [4]]。它们在各个领域都有广泛的应用潜力。超材料的一个重要应用是超材料吸收器，通过精心设计结构单元，可以在特定频率带实现近乎完美的吸收[5]。随着研究的进展，超材料吸收器的工作带宽已从微波范围[6]扩展到太赫兹[7]、红外[8]甚至可见光[9]频率带。在微波频段，应用于飞机表面的超材料吸收器可以有效降低其雷达散射截面，从而提高隐身性能。在太赫兹频段，太赫兹波具有很强的穿透特性，使得超材料吸收器在太赫兹成像、安全检测和生物传感等领域具有广泛应用前景。在红外和可见光频段，超材料吸收器在提高太阳能电池效率、调节热辐射和优化光学探测器方面展现出巨大潜力。尽管超材料吸收器在所有频率带都取得了显著进展，但这些设备通常需要复杂的多层结构设计，这增加了制备难度和成本。此外，在实现更高吸收效率、更窄的吸收带宽和更高的环境灵敏度方面仍存在挑战。

为了克服传统超材料吸收器的性能局限，研究人员一直在探索新的物理机制和设计策略。在这种情况下，连续体中的束缚态（BIC）概念受到了越来越多的关注[[10], [11], [12], [13], [14]]。BIC是一种独特的共振模式，其频率位于辐射连续体内但仍然完全束缚，没有能量泄漏，并且理论上具有无限的品质因数[15,16]。BIC对于光学器件（如热发射器[17]、传感器[18]和光电探测器[19,20]）的开发与应用至关重要，因为它能够显著限制光场并在亚波长尺度上增强光与物质的相互作用。然而，真正的BIC仅存在于理想的无损耗、无限结构中。因此，需要将BIC转换为具有有限大品质因数的准BIC。准BIC不仅具有更窄的线宽，还能实现显著的近场增强，从而提高环境灵敏度。这种转换的一种常见方法是打破结构的平面对称性[21]。在超材料吸收器的设计中，打破平面对称性可以激发准BIC，从而显著增强结构与电磁波之间的相互作用强度，提高吸收效率和吸收带宽。然而，在结构简单的情况下实现多窄带吸收仍然是一个挑战，特别是当每个吸收峰都需要具备超高的吸收率和灵敏度时。

在这项工作中，我们设计了一种基于Si/SiO₂/Al的超窄带吸收器，其顶层刻有四个矩形空气腔。通过改变四个矩形的边长差异，我们在1291.25 nm、1413 nm和1515 nm处产生了共振峰，相应的吸收率分别为99.9%、99.3%和98.3%。值得注意的是，其中两个峰是在准束缚态下激发的。对吸收器的多极分解分析表明，这三个共振峰主要受到磁共振效应的影响。此外，该吸收器的最大灵敏度达到了316 nm/RIU，为生物和环境传感器的开发与应用奠定了基础。

方法与结果

使用有限元方法（FEM），通过求解麦克斯韦方程组进行了所有电磁场计算。研究域的边界条件设置为x和y方向的周期性边界，以及z方向的完美匹配层。吸收率（A）可以通过方程A=1-R-T获得，其中R和T分别表示反射率和透射率。入射平面波沿负z轴传播，电场...

结论

总之，我们提出了一种基于准束缚态的超灵敏窄带吸收器，通过改变硅超表面中空气腔的长度，可以打破结构的平面对称性，从而实现从束缚态到准束缚态的转变。我们提出的吸收器在1291.25 nm、1413.75 nm和1515 nm波长处实现了异常高的窄带吸收，相应的吸收率分别为99.9%、99.3%和98.3%。电磁场分析...

作者贡献声明

陈燕：研究、方法论、软件开发、验证、形式分析、初稿撰写、审稿与编辑、资金申请。宋世一：研究、方法论、软件开发、形式分析、初稿撰写、审稿与编辑。侯杰：审稿与编辑。陈善军：概念构思、监督、审稿与编辑。

数据可用性

数据可应要求提供。

作者贡献声明

陈燕：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法论研究、资金申请、形式分析。宋世一：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论研究、形式分析。侯杰：撰写 – 审稿与编辑。陈善军：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了湖北省自然科学基金（2024AFB346）的支持。