CN101740722B - 一种宽波段的近完美吸收结构 - Google Patents

Abstract

一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，步骤如下：(1)根据入射波频段确定吸收材料及金属材料；(2)器件结构制作；(3)基于金属纳米球型粒子的表面等离子体局域效应确定金属球型粒子的直径d的范围；(4)基于金属球粒子-介质-金属膜三层结构之间的电磁谐振效应确定金属球粒子的分布及周期p的范围；(5)优化粒子直径d及其分布周期p，实现整个器件吸收带宽的扩展。本发明实现了对可见光范围内的宽波段近完美吸收作用。

Description

一种宽波段的近完美吸收结构

技术领域

本发明涉及一种电磁波吸收结构，具体地说是一种新型的宽波段的电磁波近完美吸收结构。

背景技术

2008年D.R.Smith等人发现：利用开口环谐振器和金属短线对的结合，可以实现窄带的近完美吸收，完美吸收即器件对电磁波的吸收效率为100％，反射和透射的能量全为零。这项发现引起了人们的关注，对各种开口环结合底层金属，中间插入一层介质的结构进行了研究，发现在引起高吸收的波长处同时发生了开口环自身的电谐振以及开口环与底层金属之间的磁谐振。这些谐振导致整个结构的等效阻抗与真空形成良好的匹配，反射电磁波能量得到相当高的抑制，同时在该谐振波长处的消光系数较大，电磁波无法透射穿过器件，从而形成窄带的近完美吸收的黑体结构。同时，在有关太阳能电池的诸多研究中发现，将金属粒子与太阳能电池的电磁波吸收材料结合，利用金属粒子的表面等离子体局域效应，可以有效地将较宽波段的入射场能量局域在金属粒子周围，从而增加电磁波与太阳能电池吸收材料的作用时间，使之对能量的吸收效率得到增强。但在基于金属粒子的太阳能电池研究中，没有提出近完美吸收的积极作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽波段的近完美吸收结构，吸收波段宽度大于吸收介质带宽的电磁波吸收结构，达到宽带的近完美吸收，即结构的反射能量和透射能量几乎为零，实现了整个器件吸收带宽的扩展及吸收效率的提高。

本发明的技术解决方案：一种宽波段的近完美吸收结构，制作步骤如下：

(1)根据入射波频段确定吸收材料及金属材料，吸收材料的吸收带宽位于所确定的入射波频段内，所选金属能激发表面等离子体共振效应；

(2)器件结构制作：a、在基底上蒸镀一层厚度大于1m的金属膜，使电磁波无法透射；b、在金属膜上旋涂吸收介质材料；c、利用微加工技术在吸收介质材料层上制作金属纳米球粒子；

(3)根据基于金属纳米粒子的太阳能电池结构中金属粒子的大小，确定每个金属球型粒子的直径d的范围；

(4)为实现在吸收介质吸收范围之外的波段实现高吸收，即吸收带宽的扩展，基于金属球粒子-介质-金属板三层结构之间的电磁谐振能将入射场局域的作用，使金属球粒子形成采用四边形阵列分布，表面等离子体光栅方程：

$k_{\mathrm{sp}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\ϵ}}_d}{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_d}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \mathrm{\θ}+m\frac{2\mathrm{\π}}{p}---\left(1\right)$

λ₀为入射光波长，ε(ω)＝ε′+iε″为金属介电常数，ε_d为金属周围介质的介电常数，m为整数，p为金属球周期，利用该方程确定周期p的范围；

(5)对金属球周期p及金属球直径d优化，最终实现吸收波段宽度大于吸收介质带宽的电磁波宽波段吸收，即根据步骤(3)、(4)确定的范围内，不同直径d与周期p下的电磁谐振的波段范围及谐振强弱的分布规律，对分布周期p及金属球直径d进行优化选择，最终实现吸收波段宽度大于吸收介质带宽的近完美吸收结构。

所述步骤(1)中的基底材料为石英。

所述步骤(1)中的吸收介质材料为：聚合物太阳能电池光敏材料、无机太阳能电池光敏材料。

所述聚合物太阳能电池中的光敏材料为P3HT:PCBM(聚-3己基噻吩：6，6-苯基碳61丁酸甲酯)；无机太阳能电池光敏材料为硅。

所述步骤(1)中的金属材料为金、银或铝。

所述步骤(3)中金属球的直径d为入射光的亚波长量级，即d＜λ₀，λ₀为入射光波长。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结合了基于电磁谐振的窄带近完美吸收结构及基于金属纳米粒子表面等离子体局域效应的太阳能电池结构的优点，利用金属纳米球的表面等离子体局域效应增强介质吸收材料在其自身吸收范围内的电磁波吸收效率；同时使金属纳米球形成四边形阵列分布，利于产生类似窄带近完美吸收结构中的电磁谐振，达到在所用吸收介质材料吸收范围之外的近完美吸收，实现整个器件吸收带宽的扩展，从而实现了对可见光范围内的宽波段近完美吸收作用。

(2)本发明中的金属球阵列的参数与入射波长相比，在可见光波段相差不大，加工难度相对容易。

(3)本发明的结构是一种复合结构，将窄带近完美吸收结构与基于金属纳米结构的太阳能电池结构结合，实现对电磁波的吸收带宽及效率优于复合前的两种单一结构。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，1为金属球粒子，2为吸收介质，3为金属板，4为基底；

图2为可见光波段银球直径与电磁谐振位置处吸收率大小及共振波长的关系图；

图3为可见光波段银球分布周期与电磁谐振位置处的共振波长关系图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例：

一种应用周期的金属纳米球阵列进行宽波段电磁波近完美吸收结构的制作过程如下：

(1)选择可见光波段，介质吸收材料选择聚合物太阳能电池光敏材料P3HT:PCBM，其吸收范围在350nm-630nm；金属材料选择银和铝；

(2)器件结构制作：a、利用金属铝在石英基底材料上蒸镀一层厚度大于1m的金属膜，使电磁波无法透射；b、在金属膜上旋涂100nm厚的吸收介质材料；c、利用微加工技术，如自组装技术，在吸收介质层上制作银金属纳米球粒子；

(3)可见光的最小波长为400nm，于是金属球粒子的直径d小于400nm；

(4)可见光波段的宽波段近完美吸收结构如图1所示。根据公式(1)，为使结构尺寸利于加工，取m＝2，入射光波长λ₀大于630nm，得到周期p的范围在600nm左右。

(5)根据图2所示的分布规律，当金属球直径为260nm时，其吸收系数接近1，且电磁谐振导致的吸收波长离光敏材料的吸收截止波长630nm较远，吸收带宽扩展的幅度大，于是金属球的直径选择d＝260nm，此时电磁谐振位置在654nm；根据图3，在654nm处产生谐振的金属球周期为500nm，于是选择p＝500nm。

(6)优化相关参数后，得到器件的吸收带宽从350nm-630nm扩展到350nm-670nm，能量吸收效率达到93.9％，比没有金属球粒子的器件提高33.8％。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

Claims (6)

1.一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，其特征在于所述结构的制作步骤如下：

(1)根据入射波频段确定基底材料、吸收材料及金属材料；

(2)器件结构制作：a、在基底上蒸镀一层厚度大于1um的金属膜，使电磁波无法透射；b、在金属膜上旋涂吸收介质材料；c、利用微加工技术在吸收介质材料层上制作金属纳米球粒子；

(3)根据太阳能电池结构中金属粒子的大小，确定金属球型粒子的直径d的范围；

(4)多个金属球粒子采用四边形阵列分布，表面等离子体光栅方程：

$k_{\mathrm{sp}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\ϵ}}_d}{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_d}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \mathrm{\θ}+m\frac{2\mathrm{\π}}{p}---\left(1\right)$

λ₀为入射光波长，ε(ω)＝ε′+iε″为金属介电常数，ε_d为金属周围介质的介电常数，m为整数，p为金属球周期，利用该方程确定金属球周期p的范围；

(5)对金属球周期p及金属球直径d优化，最终实现吸收波段宽度大于吸收介质带宽的电磁波宽波段吸收，即根据步骤(3)、(4)确定的范围内，不同直径d与周期p下的电磁谐振的波段范围及谐振强弱的分布规律，对分布周期p及金属球直径d进行优化选择，最终实现吸收波段宽度大于吸收介质带宽的近完美吸收结构。

2.根据权利要求1所述的一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，其特征在于：所述步骤(1)中的基底材料为石英。

3.根据权利要求1所述的一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，其特征在于：所述步骤(1)中的吸收介质材料为：可见光材料、或红外材料。

4.根据权利要求3所述的一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，其特征在于：所述可见光材料为聚合物太阳能电池中的光敏材料P3HT：PCBM(聚-3己基噻吩：6，6-苯基碳61丁酸甲酯)；无机太阳能电磁光敏材料。

5.根据权利要求1所述的一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，其特征在于：所述步骤(1)中的金属材料为金、银或铝。

6.根据权利要求1所述的一种宽波段的电磁波近完美吸收结构，其特征在于：所述步骤(3)中金属球的直径d为入射光的亚波长量级，即d＜λ₀，λ₀为入射光波长。

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