关 键 词：超结构表面；定向红外辐射；红外发射率
超材料 （ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ） 是结构特征尺寸 ｌ 在λ ／ １０～ λ 之间的复合材料体系。 通过构建电磁波能带－禁带结构，获得传统材料或技术无法实现的超常规介质参数，实现常规材料无法实现的功能特性，如右手材料、左手材料、电负材料、磁负材料等［１⁃３］。红外辐射作为电磁波的一种，也可通过超材料技术进行 红 外 特 性 调 控。 美 国 圣 地 亚 国 家 实 验 室Ｂｕｒｃｋｅｌ 等［４］研究了硅衬底方孔镀金的超结构红外辐射行为，该超结构在波长＞ １０ μｍ 时，随波长增加，辐射角度逐渐偏离法线方向，呈现明显的辐射定向行为，在波长为 １５ μｍ 时，辐射定向角度为 ７０°。美国宾夕法尼亚州立大学的 Ｂｏｓｓａｒｄ 与 Ｗｅｒｎｅｒ 针对波长为 １．５５ μｍ 红外辐射，优化设计了具有电磁带隙结构及介电谐振阵列结构的多种定向辐射表面超结构［５］，选用金、锗作为金属层与电介质层，优化设计具有四重对称或八重对称性的超结构表面，实现法向角 θ 为 ４０°的 ＴＥ⁃ＴＭ 波定向辐射。 香港中文大学王建方教授团队总结了基于纳米超结构的光辐射定向研究进展［６］，通过纳米等离子体（金属）的超结构设计，可以有效实现可见光的定向辐射。 浙江大学贺赛灵教授与美国普渡大学 Ｋｉｌｄｉｓｈｅｖ 教授研究了一种设计波长为 １ μｍ 的近红外超表面［７］，由 Ｓｉ衬底、Ａｕ 膜、ＳｉＯ２ 介质层及表面 Ａｕ 阵列超结构组成，通过优化，结构周期 ６００ ｎｍ，Ａｕ 膜厚 １５０ ｎｍ，ＳｉＯ２ 层厚１１０ ｎｍ，Ａｕ 阵列厚 ８０ ｎｍ，可实现最高 ３０°的辐射定向效果，并具有明显的 ＴＥ⁃ＴＭ 波特性。
本文选取金、硅作为超结构组元，设计具有阵列结构的 １１ μｍ 红外定向辐射表面超结构，研究结构参数对辐射角度的定向作用。
１ 模型与计算方法
本文设计 ２ 种超结构阵列 Ａ，Ｂ 模型如图 １ ～ ２所示。 超结构单胞周期为 ５．５ μｍ×５．５ μｍ，由基底层与阵列层组成，基底层为厚 １２０ ｎｍ 的 Ａｕ。 模型Ａ 阵列层由环－芯柱结构的无损耗陶瓷（Ｓｉ）组成，中心圆柱半径为 Ｒ１ ，外层圆环内径为 Ｒ２ ，宽度为 ｗ（本文中固定为 ０．２５ μｍ），厚度均为 ｔ１ 。 模型 Ｂ 柱状阵列由无损耗陶瓷（Ｓｉ）组成，含 ２ 种不同半径的圆柱，半径分别为 Ｒｃ，Ｒ１ ，厚度均为 ｔ１ 。 采用有限元方法计算模拟体系的稳态红外发射率空间（法向角 θ、航向角 ϕ） 特征，根据基尔霍夫（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ） 热辐射定律，热平衡状态下体系的红外发射率 ε 等于其红外吸收率 α，模型的空间红外发射特性由空间红外吸收特性获得。 理论模拟选取 １１ μｍ ＴＥ 红外辐射（电磁波），Ａｕ 折射率 １５．４、消光系数 ８０．５，Ｓｉ 折射率３．４２１ ３、消光系数 ０．０１９，阵列以 Ｆｌｏｑｕｅｔ 周期处理，为简化计算与分析的复杂度，每次仅研究红外发射率对 ２ 个参数的依赖关系。
２ 结果与讨论
２．１ 阵列 Ａ 的辐射特性
（１） 圆柱芯半径 Ｒ１ 对红外辐射的影响。 选取Ｒ２＝２．４ μｍ，ｔ１＝ １．５ μｍ，研究阵列超表面的 １１ μｍ红外辐射 θ，Ｒ１ 空间特性，其红外发射率 ε⁃θ⁃Ｒ１ 关系如图 ３ 所示。 当柱芯较小时（Ｒ１ ＜ ０．８ μｍ），体系红外特性主要由外层圆环主导，红外辐射定向在 ５０°～ ６０° 之间，辐射角 θ 受 Ｒ１ 影响较小，随着 Ｒ１ 增大，辐射角 θ 向低角度方向（法向） 移动，Ｒ１ ＞ １．４ μｍ时，体系的 １１ μｍ 红外辐射集中在法向周围 ０° ～３５° 范围内，辐射的定向特性减弱。 综合考虑定向特征与辐射强度，圆柱芯半径 Ｒ１ 为 １．０ μｍ 左右时，体系的红外辐射定向效果最优。
（２） 圆环半径 Ｒ２ 对红外辐射的影响。 选取 Ｒ１＝１．０ μｍ，ｔ１＝ １．５ μｍ，研究阵列超表面的 １１ μｍ 红外辐射 θ，Ｒ２ 空间特性，其红外发射率 ε⁃θ⁃Ｒ２ 关系如图４ 所示。 体系的红外特性主要由芯柱主导，红外辐射定向在 ４５° ～ ５０° 之间，辐射的定向特性明显，辐射角 θ 受 Ｒ２ 影响较小，Ｒ２ 增大时，辐射角 θ 先向高角度方向移动， 后向低角度方向（ 法向） 移动，Ｒ２＝１．３ μｍ 时，辐射角 θ 最大，为 ５０°。 体系定向角度的最大发射率 ε 为 ０．８。
（３） 陶瓷（Ｓｉ） 阵列厚度 ｔ１ 对红外辐射的影响。选取 Ｒ１＝ １．５ μｍ，Ｒ２＝ ２．０ μｍ，研究阵列超表面的１１ μｍ 红外辐射 θ，ｔ１ 空间特性，其红外发射率 ε⁃θ⁃ｔ１关系如图 ５ 所示。 体系的红外特性受阵列层厚度影响明显，随阵列层厚度 ｔ１ 增加，红外辐射定向角度 θ向法向移动，辐射覆盖范围逐渐增加，定向性逐渐变差，辐射强度也逐渐增加。 阵列层作为红外辐射的功能层，当阵列层厚度 ｔ１ ≤ ０．４ μｍ 时，体系红外辐射极弱，ε ＜ ０．１。 当 ｔ１ ≥ ０．５ μｍ 时，体系表现出可观的红外辐射，辐射角 θ 由 ７５° 向低角度方向移动，ｔ１＝ ２．５ μｍ 时，红外辐射定向在 θ ＝ ２０° ～ ３０° 之间，发射率 ε 为 ０．７。 综合考虑定向特征与辐射强度，圆柱芯半径 ｔ１ ≥ １．２ μｍ 时，体系的红外辐射定向效果最优。
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结 论
本工作设计了 ２ 种阵列超结构表面 Ａ，Ｂ，并研究了该超结构表面的１１ μｍ 红外辐射空间特征。 研究表明，设计的 ２ 种超结构表面具有明显的定向辐射特征，对于超结构阵列 Ａ，圆柱芯半径 Ｒ１ 与阵列厚度 ｔ１ 对红外辐射定向特性影响明显，最优的定向结构参数：圆柱芯半径 Ｒ１ 为 １．０ μｍ，阵列层厚度 ｔ１≥ １．２ μｍ， 可实现辐射角度 ０° ～ ５０° 的发射率ε ≥ ０．７ 的有效定向红外辐射调控。 对于超结构阵列 Ｂ，当 Ｒｃ＝ １．０５ μｍ，Ｒ１＝ ０．１ μｍ，ｔ１＝ ０．８５ μｍ 时，体系辐射集中在法向角 θ ＞ １０° 区域，并在 θ ＞ ４０°后呈现出对航向角 ϕ 的依赖性， 当 ϕ ＝ ４５° 或１３５°（即 ± ４５°） 时，体系红外辐射明显增强，对应超结构的面对角线方向，θ ＝ ６５°，ϕ ＝ ４５° 时，ε 在０．４ 量级。 陶瓷阵列层厚度 ｔ１ 对体系定向红外辐射有明显影响，在 Ｒｃ＝ １．０ μｍ，Ｒ１＝ ０．３ μｍ，ϕ ＝ ０° 时，要实现高效的定向辐射的有效阵列层厚度为 ０．３ μｍ ≤ｔ１ ≤１．７ μｍ，其最优值为 ｔ１＝ １．２ μｍ，ϕ ＝ ０° 时的特征辐射法向角为 ４０°，发射率为 ０．７。
参考文献（略）
