stringtranslate.com

Метаматериал-поглотитель

Метаматериал -поглотитель [1] — это тип метаматериала, предназначенный для эффективного поглощения электромагнитного излучения , такого как свет . Кроме того, метаматериалы являются достижением в материаловедении . Следовательно, те метаматериалы, которые предназначены для использования в качестве поглотителей, предлагают преимущества по сравнению с обычными поглотителями, такие как дальнейшая миниатюризация, более широкая адаптивность и повышенная эффективность. Предполагаемые области применения метаматериального поглотителя включают излучатели, фотодетекторы , датчики , пространственные модуляторы света , инфракрасный камуфляж, беспроводную связь и использование в солнечной фотоэлектричестве и термофотоэлектричестве .

Для практических применений метаматериальные поглотители можно разделить на два типа: узкополосные и широкополосные. [2] [3] Например, метаматериальные поглотители можно использовать для улучшения производительности фотодетекторов . [2] [4] [5] [6] Метаматериальные поглотители также можно использовать для улучшения поглощения как в солнечных фотоэлектрических [7] [8] , так и в термофотоэлектрических [9] [10] приложениях. Инженерия глубины скин-слоя может использоваться в метаматериальных поглотителях 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 светодиоды . [11]

Кроме того, появление метаматериальных поглотителей позволяет исследователям глубже понять теорию метаматериалов , которая вытекает из классической теории электромагнитных волн . Это приводит к пониманию возможностей материала и причин текущих ограничений. [1]

К сожалению, достижение широкополосного поглощения, особенно в терагерцовом диапазоне (и на более высоких частотах), по-прежнему остается сложной задачей из-за изначально узкой полосы пропускания поверхностных плазмонных поляритонов (SPP) или локализованных поверхностных плазмонных резонансов (LSPR), генерируемых на металлических поверхностях в наномасштабе, которые используются в качестве механизма для получения идеального поглощения. [2]

Метаматериалы

Метаматериалы — это искусственные материалы, которые проявляют уникальные свойства, не встречающиеся в природе. Обычно это массивы структур, которые меньше длины волны, с которой они взаимодействуют. Эти структуры обладают способностью контролировать электромагнитное излучение уникальными способами, которые не проявляются обычными материалами. Именно расстояние и форма компонентов данного метаматериала определяют его использование и способ, которым он контролирует электромагнитное излучение. 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 микроволн , терагерц , через инфракрасный спектр и почти до видимых длин волн . [1]

Поглотители

«Электромагнитный поглотитель не отражает и не пропускает падающее излучение. Поэтому мощность падающей волны в основном поглощается в материалах поглотителя. Эффективность поглотителя зависит от его толщины и морфологии, а также материалов, используемых для его изготовления». [12]

«Близкий к единице поглотитель — 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

Метаматериальный поглотитель использует эффективную конструкцию среды метаматериалов и компоненты потерь диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости для создания материала, который имеет высокий коэффициент поглощения электромагнитного излучения. Потери отмечаются в приложениях с отрицательным показателем преломления ( фотонные метаматериалы , метаматериалы антенных систем ) или в преобразовательной оптике ( маскировка метаматериалами , небесная механика), но обычно нежелательны в этих приложениях. [1] [14]

Комплексная диэлектрическая проницаемость и проницаемость выводятся из метаматериалов с использованием подхода эффективной среды . Как эффективные среды, метаматериалы можно охарактеризовать с помощью комплексной 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 работы в области метаматериалов сосредоточена на действительных частях этих параметров, которые относятся к распространению волн, а не к затуханию. Компоненты потерь (мнимые) малы по сравнению с действительными частями и в таких случаях часто игнорируются.

Однако члены потерь (ε 2 и μ 2 ) также могут быть спроектированы для создания высокого затухания и соответственно большого поглощения. Независимо манипулируя резонансами в ε и μ, можно поглощать как падающее электрическое, так и магнитное поле. Кроме того, метаматериал может быть согласован по сопротивлению со свободным пространством, проектируя его диэлектрическую проницаемость и проницаемость, минимизируя отражательную способность. Таким образом, он становится высокоэффективным поглотителем. [1] [14] [15]

Этот подход может быть использован для создания тонких поглотителей. Типичные обычные поглотители толстые по сравнению с интересующими длинами волн, [16] что является проблемой во многих приложениях. Поскольку метаматериалы характеризуются на основе их субволновой природы, их можно использовать для создания эффективных, но тонких поглотителей. Это не ограничивается электромагнитным поглощением. [16]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Landy NI, et al. (21 мая 2008 г.). "Perfect Metamaterial Absorber" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 100 (20): 207402 (2008) [4 страницы]. arXiv : 0803.1670 . Bibcode :2008PhRvL.100t7402L. doi :10.1103/PhysRevLett.100.207402. PMID  18518577. S2CID  13319253. Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2011 г. Получено 22 января 2010 г.
  2. ^ abcd Ю, Пэн; Бестейро, Лукас В.; Хуан, Юнцзюнь; Ву, Цзян; Фу, Лан; Тан, Харк Х.; Джагадиш, Ченнупати; Видеррехт, Гэри П.; Говоров, Александр О. (2018). «Широкополосные поглотители метаматериалов». Передовые оптические материалы . 7 (3): 1800995. doi : 10.1002/adom.201800995 . hdl : 1885/213159 . ISSN  2195-1071.
  3. ^ de Oliveira Neto, AM; Beccaro, W.; de Oliveira, AM; Justo, JF (2023). «Изучение внутренних закономерностей в проектировании сверхширокополосных микроволновых поглотителей». IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters . 22 (9): 2290-2294. doi :10.1109/LAWP.2023.3284650.
  4. ^ Ли, В.; Валентайн, Дж. (2014). «Фотодетектирование горячих электронов на основе метаматериального идеального поглотителя». Nano Letters . 14 (6): 3510–3514. Bibcode : 2014NanoL..14.3510L. doi : 10.1021/nl501090w. PMID  24837991.
  5. ^ Юй, Пэн; У, Цзян; Эшелли, Эрик; Говоров, Александр; Ван, Чжимин (2016). "Двухполосный поглотитель для многоспектрального плазмонно-усиленного инфракрасного фотодетектирования" (PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . 49 (36): 365101. Bibcode :2016JPhD...49J5101Y. doi :10.1088/0022-3727/49/36/365101. ISSN  0022-3727. S2CID  123927835.
  6. ^ Авад, Эхаб (21 июня 2022 г.). «Графеновый метаматериал, встроенный в оптенну Bundt для сверхширокополосного инфракрасного улучшенного поглощения». Наноматериалы . 12 ( 13): 2131. doi : 10.3390/nano12132131 . PMC 9268047. PMID  35807966. 
  7. ^ Vora, A.; Gwamuri, J.; Pala, N.; Kulkarni, A.; Pearce, JM; Güney, D. Ö. (2014). «Обмен омическими потерями в метаматериальных поглотителях с полезным оптическим поглощением для фотоэлектричества». Sci. Rep . 4 : 4901. arXiv : 1404.7069 . Bibcode : 2014NatSR...4E4901V. doi : 10.1038/srep04901. PMC 4014987 . PMID  24811322. 
  8. ^ Ван, Y.; Сан, T.; Паудель, T.; Чжан, Y.; Жэнь, Z.; Кемпа, K. (2011). «Структура метаматериала-плазмонного поглотителя для высокоэффективных аморфных кремниевых солнечных элементов». Nano Letters . 12 (1): 440–445. Bibcode : 2012NanoL..12..440W. doi : 10.1021/nl203763k. PMID  22185407.
  9. ^ Wu, C.; Neuner III, B.; John, J.; Milder, A.; Zollars, B.; Savoy, S.; Shvets, G. (2012). "Интегрированный плазмонный поглотитель/излучатель на основе метаматериалов для солнечных термофотоэлектрических систем". Journal of Optics . 14 (2): 024005. Bibcode :2012JOpt...14b4005W. doi :10.1088/2040-8978/14/2/024005. S2CID  120371536.
  10. ^ Симовский, Константин; Масловский, Станислав; Нефедов, Игорь; Третьяков, Сергей (2013). «Оптимизация лучистого теплопереноса в гиперболических метаматериалах для термофотоэлектрических приложений». Optics Express . 21 (12): 14988–15013. Bibcode : 2013OExpr..2114988S. doi : 10.1364/oe.21.014988 . PMID  23787687.
  11. ^ Адамс, Уайетт; Вора, Анкит; Гвамури, Джефиас; Пирс, Джошуа М.; Гуней, Дурду О. (2015). Субрамания, Ганапати С.; Фотейнопулу, Ставрула (ред.). «Управление оптическим поглощением в метаматериальных поглотителях для плазмонных солнечных ячеек». Proc. SPIE 9546, Активные фотонные материалы VII . Активные фотонные материалы VII. 9546 : 95461M. Bibcode :2015SPIE.9546E..1MA. doi :10.1117/12.2190396. S2CID  8271761.
  12. ^ Alici, Kamil Boratay; Bilotti, Filiberto; Vegni, Lucio; Ozbay, Ekmel (2010). "Экспериментальная проверка субволновых поглотителей микроволн на основе метаматериалов" (бесплатная загрузка PDF-файла) . Journal of Applied Physics . 108 (8): 083113–083113–6. Bibcode : 2010JAP...108h3113A. doi : 10.1063/1.3493736. hdl : 11693/11975 . S2CID  51963014.
  13. ^ Уоттс, Клэр М.; Лю, Сяньлян; Падилла, Вилли Дж. (2012). «Метаматериальные поглотители электромагнитных волн». Advanced Materials . 24 (23): OP98–OP120. Bibcode : 2012AdM....24P..98W. doi : 10.1002/adma.201200674 . PMID  22627995.
  14. ^ ab Tao, Hu; et al. (12 мая 2008 г.). "A metamaterial absorber for the terahertz mode: Design, manufacturing and characterization" (PDF) . Optics Express . 16 (10): 7181–7188. arXiv : 0803.1646 . Bibcode :2008OExpr..16.7181T. doi :10.1364/OE.16.007181. PMID  18545422. S2CID  15714828. Архивировано из оригинала (бесплатная загрузка PDF) 4 июня 2011 г. . Получено 22 января 2010 г. .
  15. ^ Юй, Пэн; Бестейро, Лукас В.; У, Цзян; Хуан, Юнцзюнь; Ван, Юэци; Говоров, Александр О.; Ван, Чжимин (6 августа 2018 г.). «Метаматериальный идеальный поглотитель с неуменьшенным поглощением, независимым от размера». Optics Express . 26 (16): 20471–20480. Bibcode : 2018OExpr..2620471Y. doi : 10.1364/OE.26.020471 . ISSN  1094-4087. PMID  30119357.
  16. ^ ab Yang, Z.; et al. (2010). «Акустические метаматериальные панели для звукоизоляции в режиме 50–1000 Гц». Appl. Phys. Lett . 96 (4): 041906 [3 страницы]. Bibcode :2010ApPhL..96d1906Y. doi :10.1063/1.3299007. S2CID  123233731.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки