Fabry-Perot共振GaAs光电阴极，在532纳米波长处具有增强的光吸收能力

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Fabry-Perot resonant GaAs photocathode with the enhanced light absorption at 532 nm wavelength

基于钒氧化物的金属-介质-金属超宽带热调谐吸收器，通过花状结构激发多重共振模式，实现13.2-34.8 THz（8.6-22.7 μm）平均98.7%吸收效率，具备宽角稳定性和金属-绝缘体相变调控特性，适用于红外伪装、热调控及可重构光电子器件。

　　

王俊豪|刘超|吕静伟|王建新|姚毅|朱保罗·K.

东北石油大学物理与电子工程学院，大庆，163318，中国

摘要

本研究提出了一种基于花形二氧化钒（VO₂）共振结构的热调谐超宽带吸收器，该结构集成在金属-介质-金属（MDM）配置中，工作在红外（MIR）波段。利用我们之前设计得出的结构参数，该吸收器在13.2–34.8 THz（8.6–22.7 μm）范围内实现了98.7%的平均吸收效率，整个带宽内的吸收率均超过90%。独特的花形VO₂几何结构——由类似花瓣的外弧和内部刻蚀的“雄蕊”组成——能够同时激发局域表面等离子体共振（LSPR）、法布里-珀罗（FP）腔模式和径向混合共振。这些多重共振共同作用，实现了与自由空间的优异阻抗匹配，并产生了平滑的超宽带吸收平台。利用VO₂的金属-绝缘体转变（MIT）特性，该吸收器表现出强烈的热调谐能力。随着VO₂的电导率从200 S/m（绝缘态）变化到2 × 10⁵ S/m（金属态），其吸收特性从单峰窄带响应演变为宽带近乎完美的吸收谱。吸收强度可以在2%到99.99%之间连续调节。此外，由于花形单元格的对称设计，该吸收器在TE和TM模式下均表现出优异的偏振独立性，并且在0°到60°的入射角范围内保持高吸收稳定性。这些结果表明，基于VO₂的MIR吸收器在宽带吸收、可调谐性、角度鲁棒性和几何耐受性方面表现出色，为红外伪装、热辐射控制和可重构MIR光子器件应用提供了巨大潜力。

引言

红外（MIR）电磁波在许多光学和能源相关应用中发挥着重要作用[[1], [2], [3], [4]]。它们覆盖了由分子振动和转动跃迁主导的光谱范围。因此，MIR技术已广泛应用于环境监测、红外成像、化学传感、热管理和光子能量转换[[5], [6], [7]]。高性能的MIR吸收器是先进光学系统中的关键组件。传统的吸收器通常依赖于厚金属层或材料本身的损耗，往往存在固有局限性[8,9]，包括狭窄的工作带宽、缺乏可调谐性以及对入射辐射角度的敏感性。这些限制最终影响了它们在复杂MIR应用中的有效性。

超材料的发展为这类应用提供了新的可能性[[10], [11], [12]]。金属-介质-金属（MDM）吸收器可以利用亚波长共振单元实现近乎完美的吸收[[13,14]]。许多设计利用局域表面等离子体共振（LSPR）、法布里-珀罗（FP）腔模式或多重共振混合效应来拓宽带宽[[15], [16], [17]]。然而，大多数吸收器是静态的，其光学响应在制造后无法调节。为了克服这一限制，引入了石墨烯、相变材料和狄拉克半金属等可调材料[[18], [19], [20], [21]]。在各种材料中，二氧化钒（VO₂因其卓越的性能而脱颖而出。VO₂在340 K附近发生金属-绝缘体转变（MIT），在此过程中其电导率变化几个数量级。此外，其介电常数具有强烈的温度依赖性[[22,23]]。这些独特特性使得在MIR范围内动态调节光学响应成为可能[[24,25]]。近年来，提出了多种基于VO₂的MIR吸收器，许多设计实现了频率调节或窄带调制[[26], [27], [28]]。然而，同时实现宽带吸收、强热调谐性和角度无关性能仍然具有挑战性。这些特性对于MIR伪装、自适应热管理和可重构光子器件等应用至关重要[[29], [30], [31]]。

在这项工作中，我们提出了一种基于MDM架构的花形VO₂吸收器。该结构由图案化的VO₂顶层、SiO₂介质间隔层和钨（W）底层反射层组成。花形谐振器具有独特的几何设计，包括类似花瓣的外弧和内部刻蚀的“雄蕊”区域。这种创新配置能够同时激发三种共振模式——LSPR、FP腔模式和径向混合共振——从而突破了传统单共振或双共振模式的限制，为超宽带吸收提供了新的结构设计方法。相比之下，现有研究主要采用十字形、方形和环形结构，这些结构难以实现多重共振模式的协同耦合。利用我们优化的设计参数，该吸收器在8.6–22.7 μm范围内实现了近乎完美的吸收，吸收阈值达到90%，平均吸收效率为98.7%，峰值吸收为99.99%。此外，VO₂的金属-绝缘体转变（MIT）效应使得吸收强度可以在2%到99.99%之间连续调节。与现有的基于VO₂的MIR吸收器研究相比，我们的设计在吸收带宽和平均效率方面取得了显著改进，同时实现了偏振独立响应和宽角度稳定性（0°–60°），从而解决了宽带吸收与高可调谐性之间的关键平衡问题。除了这些性能指标外，这项工作还揭示了由VO₂相变调控的共振模式的动态演变机制。在VO₂从绝缘态转变为金属态的过程中，共振模式从单峰窄带LSPR模式演变为宽带LSPR-FP多模式耦合状态。此外，我们阐明了花形结构的几何耦合如何优化阻抗匹配。虽然现有研究主要集中在相变对吸收强度的调制上，但尚未深入分析这一过程中的共振模式演变——这是我们研究的填补之处。在现有相变材料超材料吸收器研究的基础上，这项工作通过结构设计和潜在机制的创新实现了重大的性能突破，而不仅仅是方法上的重复。所提出的设计方法为未来可调谐红外光电器件的发展提供了新的参考，具有在MIR隐身、智能热控制和自适应红外光子学等领域的广泛应用前景。

结构与仿真方法

所提出的基于宽带VO₂的超材料吸收器单元的示意图如图1所示，相应的结构参数列在表1中。吸收器由三层组成：顶层的图案化VO₂共振层、中间的SiO₂介质间隔层和底层的钨（W）反射层。底部的钨层作为反射基底。与Cu、Ag和Al相比，W具有更好的化学稳定性、导电性和高温性能

结果与讨论

在优化尺寸和仿真设置的基础上，进一步详细研究了吸收器的电磁特性。图2表明，具有花形轮廓的VO₂单元在TE和TM激发下保持了高效宽带吸收，证实了其偏振独立响应，并为后续的共振分析提供了支持[51]。如图2(a)所示，在T = 342 K时，设计的花形VO₂吸收器实现了连续的

结论

通过数值模拟，我们展示了一种基于花形VO₂超材料单元的超宽带红外吸收器。图案化的VO₂层具有一个中央圆形“雄蕊”腔，周围环绕着类似花瓣的弧线，这些结构共同激发了局域等离子体共振和法布里-珀罗腔模式。这种多模式耦合产生了超过90%的吸收谱，在13.2–34.8 THz范围内（相对带宽约为90%），平均吸收率为大约98.7%

CRediT作者贡献声明

王俊豪：撰写——原始草稿，可视化，方法论，研究，数据管理。刘超：验证，监督，项目管理，方法论，形式分析。吕静伟：验证，监督，资源管理，方法论，形式分析。王建新：可视化，验证，资源管理，形式分析，数据管理。姚毅：撰写——审阅与编辑，项目管理，方法论，研究，形式分析。朱保罗·K：验证，监督，项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国黑龙江省自然科学基金（JQ2023F001）、国家自然科学基金（12304480）、黑龙江省自然科学基金（LH2021F00）、中国博士后科学基金资助项目（2020M670881）以及香港城市大学捐赠研究基金（DON-RMG 9229021和9220061）的共同支持。