Метамериал сіңіргіш - Metamaterial absorber

A метамериал сіңіргіш[1] түрі болып табылады метаматериал тиімді сіңіруге арналған электромагниттік сәулелену сияқты жарық. Сонымен қатар, метаматериалдар аванс болып табылады материалтану. Демек, сіңіргіш ретінде жасалған метаматериалдар әдеттегі сіңіргіштерге қарағанда одан әрі миниатюризация, кеңірек бейімделу және тиімділіктің жоғарылауы сияқты артықшылықтар ұсынады. Метамериал сіңіргішке арналған қолданбалы бағдарламаларға эмитенттер, фотодетекторлар, датчиктер, кеңістіктегі жарық модуляторлары, инфрақызыл маскировка, сымсыз байланыс, және пайдалану күн фотоэлектриктері және термофотовольтаика.

Практикалық қолдану үшін метаматериалды жұтқыштарды екі түрге бөлуге болады: тар жолақты және кең жолақты.[2] Мысалы, өнімділікті жақсарту үшін метаматериалды сіңіргіштерді пайдалануға болады фотодетекторлар.[2][3][4] Метамериал сіңіргіштерін жақсарту үшін де қолдануға болады сіңіру екеуінде де күн фотоэлектрі[5][6] және термоэлектрлік[7][8] қосымшалар. Терінің тереңдігі инженериясын метаматериалды сіңіргіштерде қолдануға болады фотоэлектрлік қосымшалар, сондай-ақ басқа оптоэлектрондық құрылғылар, мұнда құрылғының өнімділігін оңтайландыру төзімді шығындар мен қуат шығынын азайтуды талап етеді, мысалы. фотодетекторлар, лазерлік диодтар, және жарық диодтары.[9]

Сонымен қатар метаматериалдардың пайда болуы зерттеушілерге одан әрі түсінуге мүмкіндік береді метаматериалдар теориясы алынған классикалық электромагниттік толқындар теориясы. Бұл материалдың мүмкіндіктерін және қазіргі шектеулердің себептерін түсінуге әкеледі.[1]

Өкінішке орай, кең жолақты сіңіруге қол жеткізу, әсіресе THz аймағында (және одан жоғары жиіліктер), наноқөлшектерде металды беттерде пайда болған жер үсті плазмоны поляритондарының (ППС) немесе локализацияланған беттік плазмондық резонанстардың (LSPR) ішкі тар өткізу қабілеттілігіне байланысты күрделі мәселе болып қала береді. , олар тамаша сіңіру механизмі ретінде қолданылады.[2]

Метаматериалдар

Метаматериалдар табиғатта кездеспейтін ерекше қасиеттері бар жасанды материалдар. Әдетте, олар өзара әрекеттесетін толқын ұзындығынан кіші құрылымдардың массивтері. Бұл құрылымдардың басқару мүмкіндігі бар электромагниттік сәулелену әдеттегі материалдар көрмейтін ерекше тәсілдермен. Бұл оның қолданылуын және электромагниттік сәулеленуді басқару әдісін анықтайтын метаматериалдың компоненттерінің аралықтары мен пішіні. Кәдімгі материалдардан айырмашылығы, осы саланың зерттеушілері электромагниттік сәулеленуді материал компоненттерінің геометриясын өзгерту арқылы физикалық басқара алады. Метаматериалды құрылымдар кең ауқымда және кең жиілік диапазонында қолданылады радиожиіліктер, дейін микротолқынды пеш, терахертс, қарсы инфрақызыл спектрге дейін көрінетін толқын ұзындықтары.[1]

Абсорберлер

«Электромагниттік абсорбер түсетін сәулеленуді көрсетпейді де, өткізбейді. Сондықтан әсер етуші толқынның күші көбінесе абсорбер материалдарына сіңеді. Абсорбердің өнімділігі оның қалыңдығына және морфологиясына, сонымен қатар оны жасау үшін қолданылатын материалдарға байланысты болады.» [10]

«Бірлікке жақын абсорбер - бұл барлық түсетін сәуле жұмыс жиілігінде жұтылатын құрылғы - өткізгіштік, шағылыстырғыштық, шашырау және барлық басқа таралу арналары ажыратылған. Электромагниттік (ЭМ) толқын сіңіргіштерді екі түрге бөлуге болады: резонанстық абсорберлер және кең жолақты абсорберлер.[2][11]

Негізгі тұжырымдамалар

Метамериал сіңіргіш метаметариалдар мен шығын компоненттерінің тиімді орташа дизайнын қолданады өткізгіштік және магниттік өткізгіштік электромагниттік сәуле сіңірудің жоғары қатынасына ие материал жасау. Жоғалу теріс сыну көрсеткішін қолдану кезінде байқалады (фотондық метаматериалдар, метаматериалдардың антенналық жүйелері ) немесе трансформациялық оптика (метаматериалды жабу, аспан механикасы), бірақ әдетте бұл қосымшаларда қажет емес.[1][12]

Кешенді өткізгіштік және өткізгіштік метаматериалдардан алынған тиімді орта тәсіл. Тиімді медиа ретінде метаматериалдарды күрделі ε (w) = ε сипаттауға болады1 + iε2 тиімді өткізгіштік үшін және µ (w) = µ1 + i µ2 тиімді өткізгіштігі үшін. Өткізгіштік пен өткізгіштіктің күрделі мәндері әдетте ортадағы әлсіреуге сәйкес келеді. Метаматериалдардағы жұмыстың көп бөлігі әлсіреуге емес, толқындардың таралуына қатысты осы параметрлердің нақты бөліктеріне бағытталған. Жоғалту (ойдан шығарылған) компоненттер нақты бөліктермен салыстырғанда аз болады және мұндай жағдайларда жиі ескерілмейді.

Алайда шығын мерзімі (ε2 және µ2) жоғары әлсіреуді және сәйкесінше үлкен сіңіруді жасау үшін де жасалуы мүмкін. Ε және in резонанстарын дербес манипуляциялау арқылы түскен электр және магнит өрістерін жұтуға болады. Сонымен қатар, метаматериалды шағылысуды азайта отырып, оның өткізгіштігі мен өткізгіштігін құру арқылы бос кеңістікке сәйкес келуі мүмкін. Осылайша, ол жоғары қабілетті абсорберге айналады.[1][12][13]

Бұл тәсілді жұқа сіңіргіштер жасау үшін қолдануға болады. Әдеттегі әдеттегі сіңіргіштер толқын ұзындығымен салыстырғанда қалың,[14] бұл көптеген қосымшаларда проблема. Бастап метаматериалдар ішкі толқын ұзындығына қарай сипатталады, оларды тиімді, бірақ жұқа жұтқыштар жасау үшін қолдануға болады. Бұл электромагниттік сіңірумен ғана шектелмейді.[14]

Шағылысу минималды және оның ішіндегі энергия ағыны максималды болған кезде тиімді абсорберді абсорбер ортасымен сәйкестендіру керек. Сонымен қатар, абсорбер ішіндегі сіңіргіш қабат тереңдігі толқын өзінің энергиясын біртіндеп жоғалтқан кезде көптеген толқын ұзындықтарын қамтуы керек. Қойылған талаптарды ішінара орындау үшін арнайы әдістер қолданылады ширек-толқындық сәйкестік, оптикалық жабын, импеданс бойынша сәйкестік және басқалар. Табылған теориялық және эксперименттік шешімдер ХХ ғасырға сәйкес нәтижелер береді. Тек 155 жылдан кейін Френельдің формулаларын шығарғаннан кейін, Сергей П. Ефимов Бауман атындағы Мәскеу мемлекеттік техникалық университеті i анизотропты ортаның параметрлері табылды. e. барлық жиіліктер мен барлық түсу бұрыштары үшін толқындарды абсолютті сәйкестендіруге болатын кезде шағылыспайтын кристалдың.[15][16]

Екі ұғым - метаматериалдың теріс индексі Виктор Г. Веселагодан тапқан Мәскеу физика-техникалық институты[17] және шағылыспайтын кристалл бұл электродинамика мен акустиканың таза теориялық жетістіктері, егер бұл дәуір болмаса, шамамен 30 жыл болды метаматериалдар ақыры келді.[18][19][20][21]

Сергей П. Ефимов Максвелл теңдеулерінің негізгі қасиетін пайдаланды. Егер Z осінің масштабын өзгерту керек болса: Z '= Z / K, i. e. Z> 0 жарты кеңістігі үшін ортаны ε = 1 сығымдау үшін Максвелл теңдеулері макроскопиялық ортаға тең болады. Рұқсат εз оның Z осі бойымен көлденеңдігі ε болғанда К-ге теңтр 1 / К-ге тең. Z μ осі бойымен магниттік өткізгіштікз К-ге тең және көлденең 1 / К-ге тең. Шағылыс индексінің тура есебі береді нөл барлық бұрыштарда және барлық жиіліктерде табиғи түрде. Максвелл теңдеулерінен абсорбция метаматериалдары үшін жақсы сыйлық. Сонымен бірге, сығымдау коэффициентінің болуы өте маңызды теріс және күрделі тіпті. Аналогиялық түрлендіруді акустика үшін қолдануға болады, бұл теріс емес кристалды теориялық ұғым ретінде береді, нәтижесінде метаматериалдағы толқын ұзындығы бос кеңістікке қарағанда K есе аз болады. Демек, сіңіру қабатының қалыңдығы К есе аз болуы мүмкін.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c г. e Ланди Н.И. және т.б. (21 мамыр 2008). «Керемет метамериал сіңіргіш» (PDF). Физ. Летт. 100 (20): 207402 (2008) [4 бет]. arXiv:0803.1670. Бибкод:2008PhRvL.100t7402L. дои:10.1103 / PhysRevLett.100.207402. PMID  18518577. Архивтелген түпнұсқа (PDF) 2011 жылғы 4 маусымда. Алынған 22 қаңтар 2010.
  2. ^ а б c г. Ю, Пенг; Бестейро, Лукас V .; Хуанг, Юнджун; Ву, Цзян; Фу, Лан; Тан, Харк Х .; Джагадиш, Ченнупати; Видерехт, Гари П .; Говоров, Александр О. (2018). «Кең жолақты метериал сіңіргіштер». Жетілдірілген оптикалық материалдар. 7 (3): 1800995. дои:10.1002 / adom.201800995. ISSN  2195-1071.
  3. ^ Ли, В .; Валентин, Дж. (2014). «Метаматериалды абсорбер негізінде ыстық электронды фотодетекциялау». Нано хаттары. 14 (6): 3510–3514. Бибкод:2014 NanoL..14.3510L. дои:10.1021 / nl501090w. PMID  24837991.
  4. ^ Ю, Пенг; Ву, Цзян; Ашаллей, Эрик; Говоров, Александр; Ванг, Цзимин (2016). «Мультиспектральды плазмонмен күшейтілген инфрақызыл фотодеттеу үшін екі жолақты абсорбер». Физика журналы: Қолданбалы физика. 49 (36): 365101. Бибкод:2016JPhD ... 49J5101Y. дои:10.1088/0022-3727/49/36/365101. ISSN  0022-3727.
  5. ^ Вора, А .; Гвамури, Дж .; Пала, Н .; Кулкарни, А .; Пирс, Дж .; Güney, D. Ö. (2014). «Фотоэлектрлік үшін пайдалы оптикалық сіңірумен метаматериалды сіңіргіштердегі омдық шығындарды ауыстыру». Ғылыми. Rep. 4: 4901. arXiv:1404.7069. Бибкод:2014 Натрия ... 4E4901V. дои:10.1038 / srep04901. PMC  4014987. PMID  24811322.
  6. ^ Ванг, Ю .; Күн, Т .; Паудель Т .; Чжан, Ю .; Рен, З .; Кемпа, К. (2011). «Жоғары тиімділігі бар аморфты кремний күн батареялары үшін метаматериалды-плазмоникалық абсорбер құрылымы». Нано хаттары. 12 (1): 440–445. Бибкод:2012NanoL..12..440W. дои:10.1021 / nl203763k. PMID  22185407.
  7. ^ Ву, С .; Нойнер III, Б .; Джон Дж .; Милдер, А .; Золларс Б .; Савой, С .; Швец, Г. (2012). «Күн термо-фотоэлектрлік жүйелер үшін метаматериал негізінде интеграцияланған плазмоникалық абсорбер / эмитент». Оптика журналы. 14 (2): 024005. Бибкод:2012ЖЫЛ ... 14b4005W. дои:10.1088/2040-8978/14/2/024005.
  8. ^ Симовский, Константин; Масловский, Станислав; Нефедов, Игорь; Третьяков, Сергей (2013). «Термофотоволтаикалық қолдану үшін гиперболалық метаматериалдарда радиациялық жылу беруді оңтайландыру». Optics Express. 21 (12): 14988–15013. Бибкод:2013OExpr..2114988S. дои:10.1364 / oe.21.014988. PMID  23787687.
  9. ^ Адамс, Уайт; Вора, Анкит; Гвамури, Иефия; Пирс, Джошуа М .; Guney, Durdu Ö. (2015). «Плазмоникалық күн батареяларына арналған метаматериалды сіңіргіштердегі оптикалық сіңіруді бақылау». Proc. SPIE 9546, белсенді фотондық материалдар VII. дои:10.1117/12.2190396.
  10. ^ Алиси, Камил Боратай; Билотти, Филиберто; Вегни, Люцио; Озбай, Экмель (2010). «Метатериал негізінде микротолқынды ұзындықтағы абсорберлерді эксперименттік тексеру» (PDF тегін жүктеу). Қолданбалы физика журналы. 108 (8): 083113–083113–6. Бибкод:2010ЖАП ... 108h3113A. дои:10.1063/1.3493736. hdl:11693/11975.
  11. ^ Уоттс, Клэр М .; Лю, Сянлян; Падилла, Вилли Дж. (2012). «Электромагниттік толқындардың абсорберлері». Қосымша материалдар. 24 (23): OP98 – OP120. дои:10.1002 / adma.201200674. PMID  22627995.
  12. ^ а б Дао, Ху; т.б. (12 мамыр 2008). «Терагерц режимі үшін метаматериалды абсорбер: жобалау, дайындау және сипаттама» (PDF). Optics Express. 16 (10): 7181–7188. arXiv:0803.1646. Бибкод:2008OExpr..16.7181T. дои:10.1364 / OE.16.007181. PMID  18545422. Архивтелген түпнұсқа (PDF тегін жүктеу) 2011 жылғы 4 маусымда. Алынған 22 қаңтар 2010.
  13. ^ Ю, Пенг; Бестейро, Лукас V .; Ву, Цзян; Хуанг, Юнджун; Ван, Юэчи; Говоров, Александр О .; Ванг, Цзимин (6 тамыз 2018). «Өлшемге тәуелді емес сіңірілуі бар метаматериалды тамаша абсорбер». Optics Express. 26 (16): 20471–20480. дои:10.1364 / OE.26.020471. ISSN  1094-4087. PMID  30119357.
  14. ^ а б Янг, З .; т.б. (2010). «50–1000 Гц режиміндегі дыбысты бәсеңдетуге арналған акустикалық метаматериалды панельдер». Қолдану. Физ. Летт. 96 (4): 041906 [3 бет]. Бибкод:2010ApPhL..96d1906Y. дои:10.1063/1.3299007.
  15. ^ Ефимов, Сергей П. (1978). «Электромагниттік толқындардың анизотропты ортамен қысылуы.» Шағылыспайтын «кристалды модель». Радиофизика және кванттық электроника. 21 (9): 916–920. дои:10.1007 / BF01031726.
  16. ^ Ефимов, Сергей П. (1979). «Толқындарды жасанды анизотропты орта арқылы қысу» (PDF). Акустикалық журнал. 25 (2): 234–238.
  17. ^ Веселаго, Виктор Г. (2003). «Эпсилон мен миудың теріс мәндері бар заттардың электродинамикасы». Физика-Успехи. 46 (7): 764. Бибкод:2003PhyU ... 46..764V. дои:10.1070 / PU2003v046n07ABEH001614.
  18. ^ Боуэрс, Дж. А .; Хайд, Р.А. және басқалар «Эванесценттік электромагниттік толқындарды түрлендіретін линзалар. I», Грант US- 9081202-B2, 14 шілде 2015 ж., АҚШ патенті 9 081 202
  19. ^ Боуэрс, Дж. А .; Хайд, Р.А. және басқалар «Эванесценттік электромагниттік толқындарды түрлендіретін линзалар. II», Грант US- 9081123-B2, 14 шілде 2015 ж., АҚШ патенті 9 081 123
  20. ^ Боуэрс, Дж. А .; Хайд, Р.А. және басқалар «Эванесценттік электромагниттік толқындарды түрлендіретін линзалар. III», Грант US- 9083082-B2, 14 шілде 2015 ж., АҚШ патенті 9 083 082
  21. ^ Боуэрс, Дж. А .; Хайд, Р.А. және басқалар «Теріс-сынғыш фокустау және сезу аппараттары, әдістері мен жүйелері», Грант US- 9019632-B2, 28 сәуір 2015 ж., АҚШ патенті 9 019 632

Әрі қарай оқу

Сыртқы сілтемелер