基于石墨烯和钛环嵌入结构的双波段中红外（MWIR）与宽波段长红外（LWIR）完美吸收器

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Dual-band MWIR and broadband LWIR perfect absorber based on graphene and Ti rings embedded structure

中波红外双峰与长波红外宽带吸收的石墨烯-Ti复合结构研究，提出嵌入Ti环的分层结构实现MWIR双峰（3.23μm,99.8%；4.13μm,99.53%）和LWIR（8-14.17μm）96.3%平均吸收，机理为F-P共振与SPR协同作用，适用于红外成像、隐身与检测。

　　近年来，红外吸收材料因其在热红外成像、红外隐身以及红外探测等领域的广泛应用，受到了越来越多科研人员的关注。红外波段可以划分为多个子区域，其中中波红外（MWIR）通常指的是波长在3至5微米之间的区域，而长波红外（LWIR）则涵盖8至14微米的波长范围。在这些波段中，材料的吸收性能直接关系到设备的灵敏度和效率。因此，开发一种能够在MWIR和LWIR波段实现高性能吸收的材料，成为当前研究的热点之一。

传统的红外吸收材料多采用金属、半导体或某些有机材料，但这些材料在特定波段的吸收性能往往受到材料特性和结构设计的限制。近年来，随着对纳米材料和二维材料研究的深入，科学家们开始探索基于这些新型材料的吸收结构。其中，石墨烯因其独特的物理性质，特别是其可调的费米能级和优异的导电性能，被认为是一种极具潜力的红外吸收材料。通过电压调控，石墨烯的吸收特性可以在一定范围内进行调整，这为实现可调的多波段吸收提供了可能性。

然而，石墨烯在中波红外区域的吸收效率并不理想，这主要归因于其电子结构和光学响应的特性。在中波红外范围内，石墨烯的吸收能力受限于所谓的泡利阻塞效应，使得其难以在该波段实现高效的吸收。因此，为了克服这一限制，研究者们尝试结合其他材料或结构设计，以增强石墨烯在中波红外区域的吸收能力。例如，通过引入金属结构，如钛环（Ti rings），可以激发表面等离子体共振（SPR），从而提高石墨烯在中波红外区域的吸收效率。

本研究提出了一种基于嵌入式钛环和石墨烯的新型双波段中波红外与可调宽带长波红外完美吸收器。该吸收器由石墨烯顶层、依次排列的二氧化硅（Si?N?）、氧化铝（Al?O?）和硅（Si）的介质层组成，并在硅层中嵌入了四个钛环和一个十字形的石墨烯图案，整个结构由钛基底支撑。这种结构设计不仅能够实现中波红外区域的双波段吸收，还能在长波红外区域实现广泛的宽带吸收。

在中波红外波段，该吸收器表现出两个接近完美的吸收峰，分别位于3.23微米（吸收效率为99.80%）和4.13微米（吸收效率为99.53%）。这些吸收峰的出现，得益于结构中钛环和石墨烯的协同作用。钛环能够通过其自身的共振特性，增强电磁波在特定波长下的吸收，而石墨烯则提供了额外的可调性，使得吸收器能够适应不同的工作条件。这种双重作用使得吸收器在中波红外区域能够实现高效率的双波段吸收。

在长波红外区域，吸收器表现出超过90%的宽带吸收能力，覆盖范围为6.67至14.17微米。平均吸收效率达到96.3%，覆盖了8至14微米的长波红外波段。这种宽带吸收能力主要来源于多层介质堆叠结构中的法布里-珀罗（Fabry-Pérot, F-P）共振效应。法布里-珀罗共振是一种典型的光学干涉现象，当电磁波在多层介质之间多次反射和透射时，会在特定波长下形成增强的吸收效应。通过合理设计各层的厚度和折射率，可以实现对吸收波长范围的精确控制，从而获得更宽的吸收带宽。

此外，本研究还分析了吸收器在不同环境条件下的性能表现。实验结果表明，该吸收器在多种环境条件下仍能保持较高的吸收效率，且对外部因素如入射角和偏振角的敏感性较低。这一特性对于实际应用至关重要，因为红外吸收器往往需要在复杂的环境中稳定工作。低的环境敏感性意味着该吸收器能够在不同的使用条件下保持一致的性能，从而提高了其在实际工程中的适用性。

从物理机制来看，该吸收器的吸收性能主要依赖于两种不同的共振效应：表面等离子体共振（SPR）和法布里-珀罗共振（F-P）。表面等离子体共振是指金属表面与自由电子之间的相互作用，导致电磁波在金属表面形成局域化的电场增强。这种增强效应能够显著提高吸收效率，尤其是在中波红外区域。而法布里-珀罗共振则涉及电磁波在多层介质之间的干涉，使得吸收器能够在更宽的波长范围内实现高效的吸收。这两种共振效应的协同作用，使得该吸收器能够在中波红外区域实现双波段吸收，并在长波红外区域实现广泛的宽带吸收。

该吸收器的结构设计不仅考虑了吸收性能的优化，还兼顾了稳定性与可调性。石墨烯的可调性使得吸收器能够在不同频率下进行优化，而钛环的嵌入则增强了结构的机械稳定性和热稳定性。这种设计思路为未来开发高性能、高稳定性的红外吸收器提供了新的方向。同时，该吸收器的结构也具有一定的灵活性，可以通过调整钛环的尺寸、形状以及石墨烯图案的布局，进一步优化其吸收性能。

从应用角度来看，这种双波段中波红外与可调宽带长波红外完美吸收器具有广泛的应用前景。在热红外成像系统中，高吸收效率的吸收器能够提高图像的对比度和清晰度，从而增强系统的成像能力。在红外隐身技术中，吸收器能够有效减少物体对红外辐射的反射，使其在红外探测设备中更加隐蔽。此外，在红外探测领域，这种吸收器可以用于制造高灵敏度的探测器，提高其对弱信号的捕捉能力。

然而，尽管该吸收器在性能上表现出色，但其实际应用仍面临一些挑战。例如，如何在大规模生产中保持结构的一致性和稳定性，如何在不同温度和湿度条件下维持吸收性能，以及如何进一步提高吸收效率和降低制造成本等。这些问题需要进一步的研究和实验验证，以确保该吸收器能够在实际应用中发挥其应有的作用。

综上所述，本研究提出了一种基于嵌入式钛环和石墨烯的新型红外吸收器，该吸收器在中波红外区域实现了双波段的高吸收效率，并在长波红外区域实现了广泛的宽带吸收。通过分析电磁场分布和吸收机制，研究者们揭示了该吸收器在不同波段下实现高效吸收的物理原理。此外，该吸收器在环境适应性和稳定性方面也表现出色，为未来红外吸收器的设计和应用提供了新的思路和方法。这一成果不仅在理论研究上具有重要意义，也在实际工程中展现出广阔的应用前景。