Метаматериал поглотитель

Поглотитель из метаматериала ^{[ 1 ]} — это тип метаматериала, предназначенный для эффективного поглощения электромагнитного излучения, такого как свет . Более того, метаматериалы являются достижением в области материаловедения . Следовательно, те метаматериалы, которые предназначены для использования в качестве поглотителей, имеют преимущества перед обычными поглотителями, такие как дальнейшая миниатюризация, более широкая адаптируемость и повышенная эффективность. Предполагаемые области применения поглотителя из метаматериала включают излучатели, фотодетекторы , датчики , пространственные модуляторы света , инфракрасный камуфляж, беспроводную связь и использование в солнечной фотоэлектрической и термофотоэлектрической энергии .

Для практического применения поглотители из метаматериалов можно разделить на два типа: узкополосные и широкополосные. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Например, поглотители из метаматериалов можно использовать для улучшения характеристик фотодетекторов . ^{[ 2 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Поглотители из метаматериалов также можно использовать для улучшения поглощения как солнечных фотоэлектрических ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} и термофотоэлектрические ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} приложения. Проектирование глубины скин-слоя может использоваться в поглотителях метаматериалов в фотоэлектрических приложениях, а также в других оптоэлектронных устройствах, где оптимизация производительности устройства требует минимизации резистивных потерь и энергопотребления, таких как фотодетекторы , лазерные диоды и светоизлучающие диоды . ^{[ 11 ]}

Кроме того, появление поглотителей метаматериалов позволило исследователям глубже понять теорию метаматериалов , основанную на классической теории электромагнитных волн . Это приводит к пониманию возможностей материала и причин текущих ограничений. ^{[ 1 ]}

К сожалению, достижение широкополосного поглощения, особенно в ТГц диапазоне (и более высоких частотах), по-прежнему остается сложной задачей из-за узкой полосы пропускания поверхностных плазмонных поляритонов (SPP) или локализованных поверхностных плазмонных резонансов (LSPR), генерируемых на металлических поверхностях на наноуровне. , которые используются как механизм для достижения идеального поглощения. ^{[ 2 ]}

Метаматериалы

Метаматериалы – это искусственные материалы, обладающие уникальными свойствами, не встречающимися в природе. Обычно это массивы структур, размер которых меньше длины волны, с которой они взаимодействуют. Эти структуры обладают способностью контролировать электромагнитное излучение уникальными способами, которые недоступны обычным материалам. Именно расстояние и форма компонентов данного метаматериала определяют его использование и способ контроля электромагнитного излучения. В отличие от большинства обычных материалов, исследователи в этой области могут физически контролировать электромагнитное излучение, изменяя геометрию компонентов материала. Структуры метаматериалов используются в широком спектре приложений и в широком диапазоне частот: от радиочастот до микроволновых , терагерцовых , инфракрасного спектра и почти до видимых длин волн . ^{[ 1 ]}

Поглотители

«Электромагнитный поглотитель не отражает и не пропускает падающее излучение. Следовательно, мощность падающей волны в основном поглощается материалами поглотителя. Характеристики поглотителя зависят от его толщины и морфологии, а также от материалов, использованных для его изготовления». ^{[ 12 ]}

«Поглотитель, близкий к единице, — это устройство, в котором все падающее излучение поглощается на рабочей частоте: пропускание, отражение, рассеяние и все другие каналы распространения света отключены. Поглотители электромагнитных (ЭМ) волн можно разделить на два типа: резонансные поглотители и широкополосные поглотители. ^{[ 2 ]}^{[ 13 ]}

Основные концепции

Поглотитель из метаматериала использует конструкцию эффективной среды метаматериалов и компоненты потерь диэлектрической и магнитной проницаемости для создания материала, который имеет высокий коэффициент поглощения электромагнитного излучения. Потеря отмечается в приложениях с отрицательным показателем преломления ( фотонные метаматериалы , метаматериалы антенных систем ) или оптике преобразования ( маскировка метаматериалов , небесная механика), но обычно нежелательна в этих приложениях. ^{[ 1 ]}^{[ 14 ]}

Комплексная диэлектрическая проницаемость и проницаемость получаются из метаматериалов с использованием подхода эффективной среды . Как эффективные среды, метаматериалы могут характеризоваться комплексом ε(w) = ε ₁ + iε ₂ для эффективной диэлектрической проницаемости и µ(w) = µ ₁ + i µ ₂ для эффективной проницаемости. Комплексные значения диэлектрической проницаемости и проницаемости обычно соответствуют затуханию в среде. Большая часть работ по метаматериалам сосредоточена на реальных частях этих параметров, которые относятся к распространению волн, а не к затуханию. (Мнимые) компоненты потерь малы по сравнению с реальными частями, и в таких случаях ими часто пренебрегают.

Однако потери (ε ₂ и μ ₂ ) также можно спроектировать так, чтобы создать высокое затухание и, соответственно, большое поглощение. Независимо манипулируя резонансами ε и μ, можно поглощать как падающее электрическое, так и магнитное поле. Кроме того, метаматериал можно согласовать по импедансу со свободным пространством, спроектировав его диэлектрическую проницаемость и проницаемость, минимизируя отражательную способность. Таким образом, он становится высокоэффективным поглотителем. ^{[ 1 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Этот подход можно использовать для создания тонких поглотителей. Типичные традиционные поглотители имеют толщину по сравнению с интересующими длинами волн. ^{[ 16 ]} что является проблемой во многих приложениях. Поскольку метаматериалы характеризуются своей субволновой природой, их можно использовать для создания эффективных, но тонких поглотителей. Это не ограничивается электромагнитным поглощением. ^{[ 16 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Лэнди Н.И. и др. (21 мая 2008 г.). «Идеальный поглотитель метаматериала» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 100 (20): 207402 (2008) [4 страницы]. arXiv : 0803.1670 . Бибкод : 2008PhRvL.100t7402L . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.207402 . ПМИД 18518577 . S2CID 13319253 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2011 года . Проверено 22 января 2010 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ю, Пэн; Бестейро, Лукас В.; Хуан, Юнцзюнь; Ву, Цзян; Фу, Лан; Тан, Харк Х.; Джагадиш, Ченнупати; Видеррехт, Гэри П.; Говоров, Александр О. (2018). «Широкополосные метаматериальные поглотители» . Передовые оптические материалы . 7 (3): 1800995. doi : 10.1002/adom.201800995 . hdl : 1885/213159 . ISSN 2195-1071 .
^ де Оливейра Нето, AM; Беккаро, В.; де Оливейра, AM; Хусто, JF (2023). «Исследование внутренних закономерностей при проектировании сверхширокополосных поглотителей микроволнового излучения». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 22 (9): 2290–2294. дои : 10.1109/LAWP.2023.3284650 .
^ Ли, В.; Валентин, Дж. (2014). «Фотодетектирование горячих электронов на основе идеального поглотителя метаматериала». Нано-буквы . 14 (6): 3510–3514. Бибкод : 2014NanoL..14.3510L . дои : 10.1021/nl501090w . ПМИД 24837991 .
^ Ю, Пэн; Ву, Цзян; Эшалли, Эрик; Говоров, Александр; Ван, Чжимин (2016). «Двухдиапазонный поглотитель для многоспектрального инфракрасного фотодетектирования с плазмонным усилением» (PDF) . Журнал физики D: Прикладная физика . 49 (36): 365101. Бибкод : 2016JPhD...49J5101Y . дои : 10.1088/0022-3727/49/36/365101 . ISSN 0022-3727 . S2CID 123927835 .
^ Авад, Эхаб (21 июня 2022 г.). «Метаматериал графена, встроенный в Bundt Optenna для улучшенного сверхширокополосного инфракрасного поглощения» . Наноматериалы . 12 (13): 2131. дои : 10.3390/nano12132131 . ПМЦ 9268047 . ПМИД 35807966 .
^ Вора, А.; Гвамури, Дж.; Пала, Н.; Кулкарни, А.; Пирс, Дж. М.; Гюней, Д. Э. (2014). «Обмен омических потерь в поглотителях из метаматериалов на полезное оптическое поглощение для фотогальваники» . наук. Представитель . 4 : 4901. arXiv : 1404.7069 . Бибкод : 2014NatSR...4E4901V . дои : 10.1038/srep04901 . ПМК 4014987 . ПМИД 24811322 .
^ Ван, Ю.; Сан, Т.; Паудель, Т.; Чжан, Ю.; Рен, З.; Кемпа, К. (2011). «Метаматериально-плазмонная структура поглотителя для высокоэффективных солнечных элементов из аморфного кремния». Нано-буквы . 12 (1): 440–445. Бибкод : 2012NanoL..12..440W . дои : 10.1021/nl203763k . ПМИД 22185407 .
^ Ву, К.; Нойнер III, Б.; Джон, Дж.; Милдер, А.; Золларс, Б.; Савой, С.; Швец, Г. (2012). «Интегрированный плазмонный поглотитель/эмиттер на основе метаматериалов для солнечных термофотоэлектрических систем». Журнал оптики . 14 (2): 024005. Бибкод : 2012JOpt...14b4005W . дои : 10.1088/2040-8978/14/2/024005 . S2CID 120371536 .
^ Симовский, Константин; Масловский, Станислав; Нефедов Игорь; Третьяков, Сергей (2013). «Оптимизация радиационной теплопередачи в гиперболических метаматериалах для термофотоэлектрических применений» . Оптика Экспресс . 21 (12): 14988–15013. Бибкод : 2013OExpr..2114988S . дои : 10.1364/oe.21.014988 . ПМИД 23787687 .
^ Адамс, Вятт; Вора, Анкит; Гвамури, Джефиас; Пирс, Джошуа М.; Гюней, Дурду О. (2015). Субрамания, Ганапати С; Фотейнопулу, Ставрула (ред.). «Управление оптическим поглощением в поглотителях метаматериалов для плазмонных солнечных элементов» . Учеб. SPIE 9546, Активные фотонные материалы VII . Активные фотонные материалы VII. 9546 : 95461М. Бибкод : 2015SPIE.9546E..1MA . дои : 10.1117/12.2190396 . S2CID 8271761 .
^ Аличи, Камил Боратай; Билотти, Филиберто; Веньи, Лючио; Озбай, Экмель (2010). «Экспериментальная проверка субволновых микроволновых поглотителей на основе метаматериалов» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Журнал прикладной физики . 108 (8): 083113–083113–6. Бибкод : 2010JAP...108h3113A . дои : 10.1063/1.3493736 . hdl : 11693/11975 . S2CID 51963014 .
^ Уоттс, Клэр М.; Лю, Сяньлян; Падилья, Уилли Дж. (2012). «Поглотители электромагнитных волн из метаматериалов» . Продвинутые материалы . 24 (23): ОП98–ОП120. Бибкод : 2012AdM....24P..98W . дои : 10.1002/adma.201200674 . ПМИД 22627995 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Тао, Ху; и др. (12 мая 2008 г.). «Поглотитель из метаматериала для терагерцового диапазона: проектирование, изготовление и характеристики» (PDF) . Оптика Экспресс . 16 (10): 7181–7188. arXiv : 0803.1646 . Бибкод : 2008OExpr..16.7181T . дои : 10.1364/OE.16.007181 . ПМИД 18545422 . S2CID 15714828 . Архивировано из оригинала (бесплатная загрузка в формате PDF) 4 июня 2011 года . Проверено 22 января 2010 г.
^ Ю, Пэн; Бестейро, Лукас В.; Ву, Цзян; Хуан, Юнцзюнь; Ван, Юэци; Говоров Александр О.; Ван, Чжимин (6 августа 2018 г.). «Идеальный поглотитель метаматериала с неослабевающим поглощением, не зависящим от размера» . Оптика Экспресс . 26 (16): 20471–20480. Бибкод : 2018OExpr..2620471Y . дои : 10.1364/OE.26.020471 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 30119357 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ян, З.; и др. (2010). «Акустические панели из метаматериала для шумоглушения в режиме 50–1000 Гц». Прил. Физ. Летт . 96 (4): 041906 [3 страницы]. Бибкод : 2010ApPhL..96d1906Y . дои : 10.1063/1.3299007 . S2CID 123233731 .

Дальнейшее чтение

Аличи, Камил Боратай; Турхан, Адиль Бурак; Сукулис, Костас М.; Озбай, Экмель (2011). «Оптически тонкий композитный резонансный поглотитель в ближнем инфракрасном диапазоне: независимая от поляризации и спектрально широкополосная конфигурация» (PDF) . Оптика Экспресс . 19 (15): 14260–7. Бибкод : 2011OExpr..1914260B . дои : 10.1364/OE.19.014260 . hdl : 11693/12111 . ПМИД 21934790 .
Бейкер-Джарвис, Джеймс; Ким, Сун (2012). «Взаимодействие радиочастотных полей с диэлектрическими материалами на макроскопическом и мезоскопическом масштабах» . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 117 : 1–60. дои : 10.6028/jres.117.001 . ПМЦ 4553869 . ПМИД 26900513 .
Коста, Филиппо; Моноркьо, Агостино; Манара, Джулиано (2010). «Анализ и проектирование сверхтонких электромагнитных поглотителей, содержащих резистивно нагруженные поверхности с высоким импедансом». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 58 (5): 1551–1558. arXiv : 1005.1553 . Бибкод : 2010ITAP...58.1551C . дои : 10.1109/TAP.2010.2044329 . S2CID 26617084 . **Приведенный выше PDF-файл представляет собой самостоятельно опубликованную версию данного документа. * Мунк, Бенедикт А. (2000). Частотно-селективные поверхности: теория и проектирование . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. стр. 315–317. ISBN 978-0-471-37047-5 . Экран Солсбери , изобретенный американским инженером Уинфилдом Солсбери в 1952 году.
Солсбери WW «Поглощающее тело для электромагнитных волн», патент США № 2599944 от 10 июня 1952 г. Также цитируется у Мунка.

Внешние ссылки

Изображения — Простая схема миниатюрных микроволновых поглотителей от Камиля Боратая Алиджи (доктор философии по физике) из Исследовательского центра нанотехнологий Билкентского университета .

[landy-n-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Лэнди Н.И. и др. (21 мая 2008 г.). «Идеальный поглотитель метаматериала» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 100 (20): 207402 (2008) [4 страницы]. arXiv : 0803.1670 . Бибкод : 2008PhRvL.100t7402L . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.207402 . ПМИД 18518577 . S2CID 13319253 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2011 года . Проверено 22 января 2010 г.

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ю, Пэн; Бестейро, Лукас В.; Хуан, Юнцзюнь; Ву, Цзян; Фу, Лан; Тан, Харк Х.; Джагадиш, Ченнупати; Видеррехт, Гэри П.; Говоров, Александр О. (2018). «Широкополосные метаматериальные поглотители» . Передовые оптические материалы . 7 (3): 1800995. doi : 10.1002/adom.201800995 . hdl : 1885/213159 . ISSN 2195-1071 .

[3] де Оливейра Нето, AM; Беккаро, В.; де Оливейра, AM; Хусто, JF (2023). «Исследование внутренних закономерностей при проектировании сверхширокополосных поглотителей микроволнового излучения». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 22 (9): 2290–2294. дои : 10.1109/LAWP.2023.3284650 .

[4] Ли, В.; Валентин, Дж. (2014). «Фотодетектирование горячих электронов на основе идеального поглотителя метаматериала». Нано-буквы . 14 (6): 3510–3514. Бибкод : 2014NanoL..14.3510L . дои : 10.1021/nl501090w . ПМИД 24837991 .

[5] Ю, Пэн; Ву, Цзян; Эшалли, Эрик; Говоров, Александр; Ван, Чжимин (2016). «Двухдиапазонный поглотитель для многоспектрального инфракрасного фотодетектирования с плазмонным усилением» (PDF) . Журнал физики D: Прикладная физика . 49 (36): 365101. Бибкод : 2016JPhD...49J5101Y . дои : 10.1088/0022-3727/49/36/365101 . ISSN 0022-3727 . S2CID 123927835 .

[6] Авад, Эхаб (21 июня 2022 г.). «Метаматериал графена, встроенный в Bundt Optenna для улучшенного сверхширокополосного инфракрасного поглощения» . Наноматериалы . 12 (13): 2131. дои : 10.3390/nano12132131 . ПМЦ 9268047 . ПМИД 35807966 .

[7] Вора, А.; Гвамури, Дж.; Пала, Н.; Кулкарни, А.; Пирс, Дж. М.; Гюней, Д. Э. (2014). «Обмен омических потерь в поглотителях из метаматериалов на полезное оптическое поглощение для фотогальваники» . наук. Представитель . 4 : 4901. arXiv : 1404.7069 . Бибкод : 2014NatSR...4E4901V . дои : 10.1038/srep04901 . ПМК 4014987 . ПМИД 24811322 .

[8] Ван, Ю.; Сан, Т.; Паудель, Т.; Чжан, Ю.; Рен, З.; Кемпа, К. (2011). «Метаматериально-плазмонная структура поглотителя для высокоэффективных солнечных элементов из аморфного кремния». Нано-буквы . 12 (1): 440–445. Бибкод : 2012NanoL..12..440W . дои : 10.1021/nl203763k . ПМИД 22185407 .

[9] Ву, К.; Нойнер III, Б.; Джон, Дж.; Милдер, А.; Золларс, Б.; Савой, С.; Швец, Г. (2012). «Интегрированный плазмонный поглотитель/эмиттер на основе метаматериалов для солнечных термофотоэлектрических систем». Журнал оптики . 14 (2): 024005. Бибкод : 2012JOpt...14b4005W . дои : 10.1088/2040-8978/14/2/024005 . S2CID 120371536 .

[10] Симовский, Константин; Масловский, Станислав; Нефедов Игорь; Третьяков, Сергей (2013). «Оптимизация радиационной теплопередачи в гиперболических метаматериалах для термофотоэлектрических применений» . Оптика Экспресс . 21 (12): 14988–15013. Бибкод : 2013OExpr..2114988S . дои : 10.1364/oe.21.014988 . ПМИД 23787687 .

[11] Адамс, Вятт; Вора, Анкит; Гвамури, Джефиас; Пирс, Джошуа М.; Гюней, Дурду О. (2015). Субрамания, Ганапати С; Фотейнопулу, Ставрула (ред.). «Управление оптическим поглощением в поглотителях метаматериалов для плазмонных солнечных элементов» . Учеб. SPIE 9546, Активные фотонные материалы VII . Активные фотонные материалы VII. 9546 : 95461М. Бибкод : 2015SPIE.9546E..1MA . дои : 10.1117/12.2190396 . S2CID 8271761 .

[Alici-12] Аличи, Камил Боратай; Билотти, Филиберто; Веньи, Лючио; Озбай, Экмель (2010). «Экспериментальная проверка субволновых микроволновых поглотителей на основе метаматериалов» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Журнал прикладной физики . 108 (8): 083113–083113–6. Бибкод : 2010JAP...108h3113A . дои : 10.1063/1.3493736 . hdl : 11693/11975 . S2CID 51963014 .

[Watts-13] Уоттс, Клэр М.; Лю, Сяньлян; Падилья, Уилли Дж. (2012). «Поглотители электромагнитных волн из метаматериалов» . Продвинутые материалы . 24 (23): ОП98–ОП120. Бибкод : 2012AdM....24P..98W . дои : 10.1002/adma.201200674 . ПМИД 22627995 .

[optics-express-16-14] Перейти обратно: ^а ^б Тао, Ху; и др. (12 мая 2008 г.). «Поглотитель из метаматериала для терагерцового диапазона: проектирование, изготовление и характеристики» (PDF) . Оптика Экспресс . 16 (10): 7181–7188. arXiv : 0803.1646 . Бибкод : 2008OExpr..16.7181T . дои : 10.1364/OE.16.007181 . ПМИД 18545422 . S2CID 15714828 . Архивировано из оригинала (бесплатная загрузка в формате PDF) 4 июня 2011 года . Проверено 22 января 2010 г.

[15] Ю, Пэн; Бестейро, Лукас В.; Ву, Цзян; Хуан, Юнцзюнь; Ван, Юэци; Говоров Александр О.; Ван, Чжимин (6 августа 2018 г.). «Идеальный поглотитель метаматериала с неослабевающим поглощением, не зависящим от размера» . Оптика Экспресс . 26 (16): 20471–20480. Бибкод : 2018OExpr..2620471Y . дои : 10.1364/OE.26.020471 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 30119357 .

[APL-16] Перейти обратно: ^а ^б Ян, З.; и др. (2010). «Акустические панели из метаматериала для шумоглушения в режиме 50–1000 Гц». Прил. Физ. Летт . 96 (4): 041906 [3 страницы]. Бибкод : 2010ApPhL..96d1906Y . дои : 10.1063/1.3299007 . S2CID 123233731 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]