本發明涉及相變材料以及中紅外光學器件，具體涉及一種基于鈧銻碲的可重構紅外光吸收器件。
背景技術：
1、電磁波的控制在科學研究和工業應用中具有重要的意義，近年來，由具有工程光學特性的光散射納米結構組成的光學超表面解決了傳統光學器件在調控電磁波時遇到的具有挑戰性的問題。除了納米結構單元的參數，選擇合適的材料在超表面設計中也起著重要作用，超表面設計取決于超表面的具體應用和所需特性，例如工作波長、偏振靈敏度和損耗水平。相變材料在熱脈沖或激光脈沖的作用下能夠發生非晶態和結晶態的快速可逆切換，且兩相均能夠穩定存在數十年。切換前后兩相之間的光學性質具有顯著差異，能夠直接影響納米結構的共振，從而改變器件的功能。
2、中紅外波段通常為3–25μm，其中短波中紅外(3-5μm)和長波中紅外(8-14μm)在工業、醫學等多個領域具有重要的應用價值。以傳統相變材料鍺銻碲作為超材料的光吸收器在可見光和近紅外范圍內展示出較好的光吸收效果，但受到材料帶隙的限制，其在完整的紅外光范圍并未體現有效應用，且受限于鍺銻碲的結晶化速度，基于其的超表面器件切換速度僅為數十納秒。根據基爾霍夫定律，完美的吸收體也是完美的輻射體，熱輻射探測需要拓寬吸收帶寬，中紅外波段的完美光吸收器迫切需要尋找滿足中紅外波段高吸收且具有高切換速度的新型相變材料。
技術實現思路
1、為了克服以上現有技術存在的缺陷，本發明提供一種基于鈧銻碲的可重構紅外光吸收器件，鈧銻碲具有亞納秒級別的結晶速度，能夠顯著提升器件的切換速度。通過激光脈沖直寫能夠在特定區域誘導鈧銻碲進行快速結晶化相變，在相變層中寫入寬度和深度可變的周期性排布光柵條，從而與底層金屬反射鏡形成共振紅外吸收系統，改變器件的光吸收帶寬范圍。此外，結晶化光柵條的深度與寬度連續可調，從而實現吸收率峰值連續調諧；結晶化光柵條可通過激光脈沖直寫進行非晶化擦除操作，從而將器件恢復原狀實現重構。
2、為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：
3、一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其器件單元自上而下依次是保護層、相變層、介質層、反射層和襯底；其中相變層材料為鈧銻碲，其化學式為scxsb2-xte3，其中0≤x≤2；
4、在相變層中寫入光柵條。
5、所述保護層用于防止相變層氧化或激光輻照損傷；所述相變層為scxsbyte3非晶薄膜；所述相變層與介質層用于調控器件的反射率；所述反射層用于提供鏡面反射。
6、所述鈧銻碲的非晶相和晶體相均為半導體性質，非晶相以共價鍵方式結合，晶體相以金屬共價鍵結合；因此兩相在中紅外波段的光吸收率具有明顯差異；鈧元素用于降低銻碲的形核隨機性，能夠達到亞納秒量級的結晶化速度；鈧元素用于提升銻碲的形核能壘，使材料的熱穩定性提升至150℃以上，兩相均具有非易失性。
7、所述保護層的材料為sio2、ito中的任意一種，厚度范圍為5-30nm；所述相變層的鈧元素含量可調，器件的吸收譜線隨鈧元素含量的增加發生藍移；所述相變層的厚度t范圍為20-350nm，通過改變t可調控光吸收的帶寬范圍；所述介質層的材料為sio2、ito材料中的其中任意一種，厚度范圍為100-300nm；所述反射層的材料為au、pt、ag、al材料中的任意一種，厚度范圍為50-300nm；所述襯底的材料為sio2、si任意一種。
8、上述材料的制備方式包含但不限于物理氣相沉積法pvd、化學氣相沉積法cvd或原子層沉積法ald。
9、通過脈沖激光直寫驅動相變層進行結晶化，進而寫入周期性排布的晶體鈧銻碲光柵條，形成晶體光柵條嵌入非晶的超表面結構，在中紅外波段范圍內晶體鈧銻碲具有與非晶鈧銻碲不同的光學介電常數，能夠與介質層、反射層形成共振腔，改變吸收器的吸收譜線范圍。
10、所述光柵條的深度范圍d為5-350nm，器件單元的吸收譜線隨著d的增加發生紅移；光柵條的排布周期p為1-4μm，器件單元的吸收譜線隨著d的增加發生紅移。
11、所述光柵條的深度范圍d通過控制激光脈沖的功率和脈寬進行調節，其中功率范圍為20mw至200mw，脈寬范圍為100fs至100ms，所選擇功率與脈寬越大，則d越大；所述光柵條的排布周期p通過改變激光與器件的相對位置來調節。
12、本發明的有益效果：
13、本發明提出用于可重構中紅外光吸收器的鈧銻碲相變材料，鈧元素的摻雜能夠有效降低銻碲的形核隨機性，從而使其非晶相和晶體相之間可在亞納秒范圍內進行可逆相變，遠超傳統相變材料鍺銻碲的數十納秒相變速度，因此能夠顯著提升器件的切換速度；鈧元素能夠提升銻碲的形核能壘，從而將銻碲的結晶溫度由～70℃提升至150℃以上，因此能夠有效提升器件的熱穩定性。
14、在中紅外波段范圍內，鈧銻碲的晶體與非晶的光學介電常數具有明顯差異，因此形成晶體光柵條嵌入非晶的結構能夠與介質層和反射層形成共振腔，通過改變光柵條的相變深度與排布周期，可有效調整吸收器的吸收譜線范圍。此外，光柵條的深度與周期可進行連續調節，因此能夠實現吸收器吸收譜線范圍的連續調諧。結晶化光柵條可通過激光脈沖直寫進行非晶化擦除操作，從而將器件恢復原狀實現重構。
15、本發明提出用于可重構中紅外光吸收器的鈧銻碲相變材料，材料成分范圍較寬，器件的調節參數多樣，包括相變層厚度、光柵條深度與周期，因此器件能夠調諧的吸收譜線范圍較寬，可調控光吸收峰值的位置包括短波中紅外(3-5μm)與長波中紅外(8-14μm)，在熱成像、熱輻射探測(如夜視設備、氣象衛星)等方面，尤其是軍事應用具有廣泛前景。此外，該波段與大氣窗口區域重疊，在遙感、熱成像、天文觀測等依賴大氣透射的領域同樣具有潛在的應用前景。
1.一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，其器件單元自上而下依次是保護層(101)、相變層(102)、介質層(103)、反射層(104)和襯底(105)；其中相變層材料為鈧銻碲，其化學式為scxsb2-xte3，其中0≤x≤2；
2.根據權利要求1所述的一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，所述保護層(101)用于防止相變層氧化或激光輻照損傷；所述相變層(102)為scxsbyte3非晶薄膜；所述相變層(102)與介質層(103)用于調控器件的反射率；所述反射層(104)用于提供鏡面反射。
3.根據權利要求1所述的一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，所述鈧銻碲的非晶相和晶體相均為半導體性質，非晶相以共價鍵方式結合，晶體相以金屬共價鍵結合；鈧元素用于降低銻碲的形核隨機性，能夠達到亞納秒量級的結晶化速度；鈧元素用于提升銻碲的形核能壘，使材料的熱穩定性提升至150℃以上，兩相均具有非易失性。
4.根據權利要求1所述的一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，所述保護層(101)的材料為sio2、ito中的任意一種，厚度范圍為5-30nm；所述相變層(102)的鈧元素含量可調，器件的吸收譜線隨鈧元素含量的增加發生藍移；所述相變層(102)的厚度t范圍為20-350nm，通過改變t可調控光吸收的帶寬范圍；所述介質層(103)的材料為sio2、ito材料中的其中任意一種，厚度范圍為100-300nm；所述反射層(104)的材料為au、pt、ag、al材料中的任意一種，厚度范圍為50-300nm；所述襯底(105)的材料為sio2、si任意一種。
5.根據權利要求1所述的一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，通過脈沖激光直寫驅動相變層(102)進行結晶化，進而寫入周期性排布的晶體鈧銻碲光柵條(106)，形成晶體光柵條嵌入非晶的超表面結構，在中紅外波段范圍內晶體鈧銻碲具有與非晶鈧銻碲不同的光學介電常數，能夠與介質層(103)、反射層(104)形成共振腔，改變吸收器的吸收譜線范圍。
6.根據權利要求5所述的一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，所述光柵條(106)的深度范圍d為5-350nm，器件單元的吸收譜線隨著d的增加發生紅移；光柵條(106)的排布周期p為1-4μm，器件單元的吸收譜線隨著d的增加發生紅移。
7.根據權利要求5所述的一種基于鈧銻碲相變材料的可重構中紅外光吸收器件，其特征在于，所述光柵條(106)的深度范圍d通過控制激光脈沖的功率和脈寬進行調節，其中功率范圍為20mw至200mw，脈寬范圍為100fs至100ms，所選擇功率與脈寬越大，則d越大；所述光柵條(106)的排布周期p通過改變激光與器件的相對位置來調節。