CN103513316B - 一种选择吸收滤光结构 - Google Patents

Abstract

一种选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，所述金属层的介电常数的虚部需大于介电常数的实部的绝对值。该滤光结构具有较高的吸收效率，且对入射光的角度和偏振态不敏感。同时制备工艺简单，易于实现。该结构可应用在太阳能电池中捕获更多的能量，也能为无油墨印刷中实现黑色提供解决方案，改变必须使用颜料才能实现黑色印刷的传统观念。

Description

一种选择吸收滤光结构

技术领域

本发明涉及一种光学滤光元件，具体涉及一种选择吸收滤光结构，可应用于光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域。

背景技术

选择吸收主要应用在隐身、热发射、光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域。如：（1）在印刷领域，传统的印刷技术是在纸张、塑料等材料表面通过不同颜色的油墨印刷出图像和色彩。存在的问题是：易于褪色，且油墨中包括芳香烃、重金属、苯、酮类等有害物质，在油墨的生产和印刷的过程中，对操作人员和环境的危害性很高。现有的设计主要集中于设计微纳米结构实现品红色、青色和黄色，对实现黑色的结构讨论很少。若想实现黑色，必须实现对宽波段（波长400～700nm范围）光的高效率吸收，且吸收特性对入射光的偏振态和入射角不敏感。（2）在太阳能电池领域，通过选择吸收，可以增强太阳光能量的捕获。

人们采用打孔的金属膜、光栅结构和人工电磁介质材料等实现选择吸收。MarcusDiem等在Physics Review B79,033101,2009中采用金属光栅-介质-金属膜三层结构实现了太赫兹波段宽角度窄带选择吸收。仇旻等针对可见光波段设计了基于金属光栅-介质-金属膜结构的窄带吸收器，该结构在特定波长（如583nm）实现选择吸收。2008年Landy[1]等实现了一种基于人工电磁介质材料的电磁谐振吸收器，通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数，能够与入射电磁波的电磁分量产生耦合，使得特定频率的电磁波既不产生反射也不产生透射，从而实现窄带选择吸收。专利“一种宽波段的近选择吸收结构”（200910243544.X）中提出采用金属球粒子-介质-金属膜三层结构，通过优化粒子的直径d及分布周期p，实现了吸收带宽的扩展，实现了可见光波段范围内的宽波段选择吸收。

现有的技术存在的问题是：（1）设计的结构大都工作在单一波长，其它波长处吸收效率明显下降，但是对用于隐身、热发射以及能量转换来说宽带吸收更有使用价值；（2）对入射光的偏振态敏感，且在宽角度入射角变化范围吸收效率退化严重；（3）当前的选择吸收器主要针对微波段和太赫兹波段，主要应用在探测中，限制了在其它领域的应用。随着微纳米加工技术的发展，对可见光波段的吸收器的设计与制备将逐渐成为研究的热点。HonghuiShen等在太阳能电池中采用两层银光栅复合结构实现了400～600nm波段对入射角度不敏感的吸收。Mehdi Keshavarz Hedayati[2]等采用金属层和纳米混合物实现了从紫外到400～600nm波段几乎100%的吸收。这两种结构虽然实现了宽波段宽入射角变化范围选择吸收，但是制备工艺复杂。

参考文献:

[1]Landy N I,Sajuyigbe S,Mock J J,Smith D R,Padilla W J2008,Phys.Rev.Lett.,100,207402

[2]Mehdi Keshavarz Hedayati,Mojtaba Javaherirahim,Babak Mozooni etc.,“Design of a Perfect Black Absorber at Visible Frequencies UsingPlasmonicMetamaterials”,Advanced Materials,23,5410-5414,2011。

发明内容

有鉴于此,本发明的目的是提供一种针对可见光波段的宽带选择吸收滤光结构，在宽入射角度变化范围吸收效率高（大于75%，最高可达90%），且对入射光的偏振态不敏感。

根据本发明的目的提出的一种选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，其中所述金属层的介电常数的虚部需大于介电常数的实部的绝对值。

优选的，所述基底为透明柔性材料。

优选的，所述金属层的材质为镍、铬或钛。

优选的，所述介质微纳单元的排列为周期性或者准周期性排列。

优选的，所述介质微纳单元的排列为周期性排列时，排列方式可以是四边形或蜂窝形，微纳单元的形状可以是纳米正方形柱子、纳米圆形柱子、纳米三角形柱子、纳米椭圆形柱子中的一种。

优选的，所述介质微纳单元的周期小于400nm。

本发明针对可见光波段，设计出一种宽波段选择吸收滤光结构，在宽入射角度变化范围吸收效率高（大于75%），且对入射光的偏振态不敏感。该结构由基底、介质光栅和金属膜构成，由于整个结构在宽波段范围内的等效阻抗与真空阻抗匹配，反射电磁被抑制，且由于金属层的厚度较厚，电磁波也无法透射，从而形成宽带选择吸收。该结构只需在基底上制备介质光栅，再镀金属膜即可实现，制备工艺简单，易于实现。

该结构可应用在太阳能电池中捕获更多的能量，也能为无油墨印刷中实现黑色提供解决方案，改变必须使用颜料才能实现黑色印刷的传统观念。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明设计的选择吸收滤光结构的剖面结构示意图。

图2A-2C为本发明实施例中选择吸收滤光结构的四边形排列的纳米正方形柱子、四边形排列的纳米圆形柱子和蜂窝形排列的纳米圆形柱子示意图。

图3为本发明实施例一中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。

图4为本发明实施例一中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。

图5为本发明实施例二中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。

图6为本发明实施例二中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。

图7为本发明实施例三中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。

图8为本发明实施例三中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。

图9为本发明实施例四中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。

图10为本发明实施例四中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。

图11为金属镍在可见光波段的介电常数关系图。

图12为金属铬在可见光波段的介电常数关系图。

图13为本发明第五实施方式中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱图。

图14为本发明第六实施方式中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱图。

图15为金属铝在可见光波段的介电常数关系图。

图16为比较例中选择吸收滤光结构的吸收光谱、反射光谱和透射光谱图。

具体实施方式

本发明提出的选择吸收滤光结构的剖面结构如图1所示，包括基底110、介质微纳单元120和金属层130。该基底110为柔性透明材料，比如聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚丙烯（BOPP）等。在基底110为柔性材料的情况下，可以使用卷对卷纳米压印的方式，方便整个滤光结构的制作。介质微纳单元的排列为周期性或者准周期性排列，介质微纳单元的排列为周期性排列时，排列方式可以是四边形、蜂窝形等，微纳单元的形状可以是纳米正方形柱子（光栅）、纳米圆形柱子、纳米三角形柱子、纳米椭圆形柱子等。例如：四边形排列的纳米正方形柱子参见图2A，四边形排列的纳米圆形柱子参见图2B，蜂窝形排列的纳米圆形柱子参见图2C。微纳单元的周期小于400nm。该介质微纳单元可以是与基底110同样的材质，即制作时直接在基底上面通过压印或刻蚀的方式得到该介质微纳单元。该介质微纳单元也可以是与基底不一样的材质，此时可以通过各种外延工艺比如化学气相沉积、分子束外延、磁控溅射、热氧化等方式基底表面制作得到，然而通过压印或刻蚀的方式得到微纳结构。在金属层130全覆盖在介质微纳单元120上，即介质微纳单元120的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层130。为了防止金属层130填满介质微纳单元的凹槽中，其厚度要小于介质微纳单元槽宽的一半，较佳地，该金属层130的厚度为15nm至30nm。在本发明的选择吸收滤光结构中，金属层材料的选择对选择吸收滤光结构的带宽起决定作用。当金属层的介电常数的虚部大于介电常数的实部的绝对值时（介电常数的实部为负），通过选择合适的介质微纳单元的周期、厚度、占空比，就能实现宽带（400～700nm）宽角度变化范围(0～45度)高效率吸收（大于75%，最高可达90%），且对入射光的偏振态不敏感。这种全覆盖式的金属层，可以实现将更多的光局限在此结构中，导致整个可见光波段的光波高效率吸收，可提高光能的利用率。且该结构只需在基底上制备介质微纳单元，再镀金属膜即可实现，制备工艺简单，易于实现。

如图1所示，介质微纳单元120的周期为p，脊部宽度为w，占宽比F=w/p，厚度为h1，金属层130厚度为h2。下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，这些例举的实施例中，虽然只涉及了金属镍和金属铬，然而其它符合本发明要求的金属也应当在本发明所主张的保护中，比如金属钛等，因此本发明对其它符合本发明要求的金属将不一一进行例举。

实施例一：

本实施方式列举了以镍为金属层的情况，镍的介电常数如图11所示，其中实线代表介电常数中的实部，虚线代表虚部，可以看到镍的介电常数的实部和虚部在可见光波段范围内满足本发明的要求，即虚部大于实部的绝对值。参见图1，在本实施例中，基底110为柔性材料，具体为PET或者PC。介质微纳单元120为四边形排列的纳米正方形柱子，如图2(a)所示。金属层130为镍。进一步的，介质微纳单元的周期p＝220nm，占空比F＝0.4，厚度h1=100nm。金属层厚度h2=20nm。

采用严格耦合波理论（RCWA）对选择吸收滤光结构的吸收特性及角度宽容性进行分析。由于金属层的表面等离子体共振现象和光与表面周期结构的耦合作用，将更多的光局限在此结构中，导致整个可见光波段的光波高效率吸收。TM和TE偏振光从此结构顶部入射，该光的入射角度在0度到45度范围变化。

图3为本发明设计的选择吸收滤光结构的TM偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图3可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TM偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到86%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于86%。

图4为本发明设计的选择吸收滤光结构的TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图4可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TE偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到81%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于81%。

因此，所述结构对入射光的偏振态不敏感，且在宽角度范围（0～45度）具有大于80%的吸收效率。在太阳能电池中应用该结构，可捕获更多的太阳能量。在无油墨印刷中应用该结构，人眼将在0～45度视角范围观察到黑色。

实施例二：

在本实施方式中，改变金属层的材料，金属层130为铬，铬的介电常数如图12所示，其中实现代表介电常数的实部，虚线代表虚部，可见铬的介电常数的实部和虚部在可见光波段范围内满足本发明的要求，即虚部大于实部的绝对值。请继续参见图1，在本实施例中，基底110为柔性材料，具体为PET或者PC。介质微纳单元120为四边形排列的纳米正方形柱子，如图2(a)所示。进一步的，介质微纳单元的周期p＝220nm，占空比F＝0.4，厚度h1=100nm。金属层厚度h2=20nm。

采用严格耦合波理论（RCWA）对选择吸收滤光结构的吸收特性及角度宽容性进行分析。由于金属层的表面等离子体共振现象和光与表面周期结构的耦合作用，将更多的光局限在此结构中，导致整个可见光波段的光波高效率吸收。TM和TE偏振光从此结构顶部入射，该光的入射角度在0度到45度范围变化。

图5为本实施方式下的选择吸收滤光结构的TM偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图5可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TM偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到82%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于82%。

图6为本实施方式设计的选择吸收滤光结构的TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图6可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TE偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到81%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于75%。

因此，该实施方式下的选择吸收滤光结构对入射光的偏振态不敏感，且在宽角度范围（0～45度）具有大于75%的吸收效率。在太阳能电池中应用该结构，可捕获更多的太阳能量。在无油墨印刷中应用该结构，人眼将在0～45度视角范围观察到黑色。

实施例三：

在本实施方式中，通过改变介质微纳单元的形状，研究介质微纳单元的形状对本发明选择滤光结构的效果影响。如图2(b)所示，基底110为柔性材料，具体为PET或者PC。介质微纳单元120为四边形排列的纳米圆形柱子，金属层130为铬。进一步的，介质微纳单元的周期p＝220nm，占空比F＝0.4，厚度h1=100nm。金属层厚度h2=20nm。

采用严格耦合波理论（RCWA）对选择吸收滤光结构的吸收特性及角度宽容性进行分析。TM和TE偏振光从此结构顶部入射，该光的入射角度在0度到45度范围变化。

图7为本实施方式设计的选择吸收滤光结构的TM偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图7可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TM偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到83%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于83%。

图8为本实施方式设计的选择吸收滤光结构的TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图8可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TE偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到83%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于76%。

因此，在该实施方式中，选择吸收滤光结构对入射光的偏振态依然不敏感，且在宽角度范围（0～45度）依然具有大于80%的吸收效率。在太阳能电池中应用该结构，可捕获更多的太阳能量。在无油墨印刷中应用该结构，人眼将在0～45度视角范围观察到黑色。

实施例四：

在本实施方式中，主要研究介质微纳单元的排列方式对本发明的选择滤光结构在滤光效果上的影响。如图2(c)所示，基底110为柔性材料，具体为PET或者PC。介质微纳单元120为蜂窝形排列的纳米圆形柱子，金属层130为铬。进一步的，介质微纳单元的周期p＝220nm，占空比F＝0.1，厚度h1=400nm。金属层厚度h2=20nm。

采用严格耦合波理论（RCWA）对选择吸收滤光结构的吸收特性及角度宽容性进行分析。TM和TE偏振光从此结构顶部入射，该光的入射角度在0度到45度范围变化。

图9为本实施方式设计的选择吸收滤光结构的TM偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图9可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TM偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到88%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于88%。

图10为本实施方式设计的选择吸收滤光结构的TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。从图10可以看出，在整个可见光波段（带宽300nm），TE偏振光垂直入射时，所述结构的吸收效率几乎达到86%，光在0～45度范围内变化时吸收效率仍大于80%。

因此，该实施方式下的选择吸收滤光结构对入射光的偏振态不敏感，且在宽角度范围（0～45度）具有大于80%的吸收效率。在太阳能电池中应用该结构，可捕获更多的太阳能量。在无油墨印刷中应用该结构，人眼将在0～45度视角范围观察到黑色。

上述两个实施方式说明，对于不同的介质微纳单元的形状和排列方式，在本发明中都能起到良好的滤光效果。说明在金属层满足本发明的要求的前提下，可以适当的改变放宽对介质微纳单元形状和排列的要求。这对降低介质微纳单元的工艺要求起到了理论支撑，在实际生产时，无论是纳米压印技术还是刻蚀技术，对于制作得到的微纳结构或多或少存在工艺误差带来的形状尺寸上的偏离，应用本发明的选择滤光结构后，可以减少工艺误差对产品质量的影响。同时对于微纳单元的周期性要求也降低，可以在周期排列的基础上引入适当误差，形成比如准周期的排列。

实施例五

在本实施方式中，主要研究介质微纳单元的周期对本发明选择滤光结构的滤光效果影响。在该实施方式中，将介质微纳单元的周期扩展至400nm，金属层的厚度依旧为20nm，其余参数同实施例二。

请参见图13，图13为本实施方式下的选择吸收滤光结构的TM偏振光的吸收光谱图。从图中可以看出，当介质微纳单元的周期为400nm时，其吸收率在紫光及近紫外波段下具有略低于70%的吸收率，而在其余波段均超过70%。与实施方式二相比，该数据有所下降，说明本发明的选择滤光结构，在介质微纳结构的周期过大时，对高频波段的光的约束能力下降。为了保证本发明的选择滤光结构在可见波段的高吸收效率，本发明优选的实施方式中，介质微纳单元的周期应小于400nm，而该周期的下限，则取决于当前工艺的极限情况。

实施例六

在本实施方式中，主要研究金属层厚度对于本发明选择吸收滤光结构的滤光效果影响。在该实施方式中，将金属层的厚度变为40nm，其余参数同实施例五。

请参见图14，图14为本实施方式下的选择吸收滤光结构的TM偏振光的吸收光谱图。从图中可以看出，当金属层的厚度为40nm时，除吸收率波峰出现的波段位置有所变化外，在整个可见光波段的吸收率与实施方式五中数据变化不大，只在紫光以及近紫外波段出现低于70%的情况，在其余波段均超过70%。说明本发明的选择吸收滤光结构在介质微纳单元周期一定的情况下，金属层厚度的变化对于可见光波段的吸收效率的改变不大。

比较实施例一

下面，以铝材料作为金属层，与本发明的选择吸收滤光结构进行比较。请参见图15，图15是金属铝在可见光波段的介电常数，其中虚线代表介电常数的虚部，实线代表实部，可见铝材料的介电常数在可见光波段的介电常数并不满足本发明的要求，即虚部小于实部的绝对值。

此时，以铝材代替实施例二中的铬，其余参数则同实施例二，请参见图16，图16是该比较例中TM光的吸收、反射和透射的光谱图，其中曲线1为吸收率曲线，曲线2为反射率曲线，曲线3为透射率曲线。可见该比较例中，TM光的吸收效率在整个可见光波段只有40%-60%，其余则被反射。说明对于未符合本发明要求的金属层，无法达到本发明所需的吸收滤光效果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种针对可见光波段的宽带选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，其特征在于：所述介质微纳单元的排列为周期性或者准周期性排列，所述介质微纳单元的周期小于400nm，所述介质微纳单元的占空比为0.4，所述介质微纳单元厚度为100nm，所述金属层的厚度小于介质微纳单元槽宽的一半，且所述金属层处于可见光波段时的介电常数的虚部需大于介电常数的实部的绝对值，实现可见光波段0°至45°入射角吸波效率大于75％且对入射光的偏振态不敏感。

2.根据权利要求1所述的针对可见光波段的宽带选择吸收滤光结构，其特征在于：所述基底为透明柔性材料。

3.根据权利要求1所述的针对可见光波段的宽带选择吸收滤光结构，其特征在于：所述介质微纳单元的排列为周期性排列时，排列方式可以是四边形或蜂窝形，微纳单元的形状可以是纳米正方形柱子、纳米圆形柱子、纳米三角形柱子、纳米椭圆形柱子中的一种。