CN104656170A - 一种宽波段光全吸收器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波段光全吸收器及其制备方法。该光全吸收器自下而上依次由金属膜层、介质膜层、金属纳米颗粒膜层共三层结构组成。整个宽波段光全吸收器结构全部可以通过技术已非常成熟的物理沉积方法包括离子溅射镀膜、脉冲沉积系统、磁控溅射镀膜等方法获得。其中，金属材料可以是铜、铝、金、银、钨等金属材质。本发明为实现宽波段光全吸收结构提供了一条全新且可行的简易途径，这与基于采用电子束刻蚀技术或聚焦离子束刻蚀技术等高精密技术而获得的有限尺寸的常规光全吸收器相比具有非常明显的结构和技术优势。

Description

一种宽波段光全吸收器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学、材料和能源等多个领域，具体涉及一种金属-介质材料的宽波段光谱多带光全吸收器及其制备方法。

背景技术

宽波段光全吸收器是实现高效太阳能光谱吸收与宽频带光电探测的一个必备元件，它可以实现在特定波段或超宽波段光谱范围内的光波能量的吸收，其原理一般是等离激元共振、介质导波模式和光谱相位耦合或相干等现象引起光波的共振吸收或捕获现象。

表面等离激元的概念是金属自由电子在外加光波照射下引起的集体振荡，导致电磁场局域在金属表面并产生电场增强效应，从而形成表面等离激元（Surface plasmons）。当金属结构表面的周围介质折射率发生变化时，在光波场激发下的表面等离激元共振（Surface plasmon resonance, SPR）会呈现明显的光谱响应，因而，基于SPR的金属结构可以作为能源、光电探测、生物、医学等领域的核心元器件。

传统的基于SPR的光全吸收器是利用特定结构尺寸的超构材料实现在单一工作波长的光全吸收，此类体系基于的是金属纳米结构与底层金属膜层之间的磁共振与金属纳米结构本身的电共振模式之间的叠加耦合，从而获得在同一波长处的光波能量中的电场与磁场能量的吸收进而实现此一波长处的共振光全吸收 [200910243544.X; 200580016934.3]。由于此类结构是基于电共振与磁共振模式的耦合，因而体系只能在一个特定波长实现光全吸收。今年来，为了获得宽波段的光全吸收器，此类结构体系通过构建多个亚共振单元在同一个结构单胞内从而有效获得基于各个亚共振单元提供的单一波长共振吸收在光谱上的叠加展宽的宽带光全吸收效应。然而，此类体系所需的高精度结构设计和尺寸要求导致其制备技术往往过于复杂。所采用的技术包括电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等非常高精密的仪器手段，这直接导致此类宽波段光全吸收器在获取大面积和低成本的结构制备上具有非常大的困难，更导致其无法有效获得在工艺生产上的应用。此外，为了获得在可见光频带的光全吸收器，基于此类体系的结构制备需要进一步精确在纳米级别的结构刻蚀与组合，从而导致技术难度更大可操作性更低。

传统的基于介质膜层或波导结构的光全吸收器是利用此类体系的光学模式实现符合一定波长的光波耦合和捕获进而受限于介质膜层或波导膜层 [201210146948.9]。然而单一的平整介质膜层或波导结构往往只能提供特定波长的耦合，因而难以获得宽波段的光吸收。近期，有研究通过加工介质膜层或介质球体结构，从而获得在空间维度上具备的介电常数的分布特性，进而实现在一个复合的介质结构体系中获得多个频带的光吸收的叠加。然而，此类体系的宽波段光全吸收仅仅局限于介质体系中的光吸收，难以实现太阳能吸收或光电转换与探测所需的金属电极以及光电子产生与收集的必备的结构特性。因此，这里宽波段光全吸收体系依然局限于光波的抗反射特性。

因此，设计并实现具有宽波段光全吸收并仅仅依赖于简单易操作且可以大面积工艺生产的金属-介质复合体系对于解决现有过于复杂光全吸收结构或不利于太阳能吸收特性的纯介质结构所面临的难题将具有非常重要的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种具有宽波段光全吸收的金属-介质-金属结构体系的制备方法。

本发明的宽波段光全吸收器，它包括自下而上的平整无缝金属膜基底、介质膜层和金属纳米颗粒膜层。所述金属膜层和介质膜层可采用物理或化学沉积方法在玻璃或硅衬底上沉积得到。所述的金属纳米颗粒膜层可以通过控制物理沉积法的沉积速率以及沉积时间来实现。这是基于通过溅射和离子束刻蚀靶材进行金属膜层沉积过程中会在金属膜层厚度很薄（厚度小于10 纳米）时，会逐步呈现微小纳米颗粒到大尺寸纳米颗粒并过渡到团簇结构。这些体系可以自然而然地构成金属纳米结构。

所述的金属膜层以及金属纳米阵列的成分包括金、银、铂、铜、铝中的一种或几种混合物。所述的金属膜层基底和介质膜层的厚度在>50纳米和介质膜层的厚度为10-200纳米之间。所述的金属纳米颗粒膜层厚度在0-15 nm范围，纳米颗粒大小处于5-200 nm范围，相邻金属纳米颗粒大小间距处于0-20 nm范围。

本发明所述的具有宽波段光全吸收的金属-介质-金属结构体系的制备方法包括以下步骤：

（1）通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积金属膜层；

（2）在步骤（1）中所得的金属膜层上通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积介质膜层；

（3）利用物理沉积方法包括氩离子溅射或磁控溅射等方法在步骤（2）中获得的结构上沉积特定厚度的金属膜层即金属纳米颗粒膜层结构。

在步骤（1）中，所述平整衬底包括石英、玻璃、硅片或有机膜。

在步骤（1），（2）中，所述的物理或化学沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法、原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。

在步骤（3）中，所述的物理沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法中的一种或几种的混合方法。

本发明的技术效果：

其一：与以往的光全吸收器仅仅只能在单一波段或有限光谱范围的光吸收效应相比，利用本发明涉及的具有宽波段光全吸收器，在技术上同时实现了宽波段的光全吸收，吸收光谱范围从370-880纳米的整个紫外可见近红外波段内的平均吸收效率超过了83%。其二：本发明的结构体系具有非常简单而容易的操作方法，仅需要利用标准的镀膜仪器变换金属/介质靶材即可以实现器件的制备。而所有制备技术环节中唯一要控制的就是沉积膜层的厚度。这一条件完全可以通过膜层沉积速率和沉积时间得到精确的控制。因此，整个制备环节非常简易。其三：本发明的吸收器不仅结构简单，而且膜层厚度远小于波长量级，因而非常有利于材料的节约和成本的控制，也有益于限制能耗和保护环境。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1是本发明设计的宽波段光全吸收器结构制备过程步骤（3）的示意图及其金属纳米颗粒膜层形成过程示意图；

图2是本发明设计的宽波段光全吸收器结构示意图。自下而上，依次为平整金属膜层基地、介质膜层和金属纳米颗粒膜层。

图3是对图2中本发明设计的宽波段光全吸收器在底层金属膜层基底金膜厚度为100纳米，中间介质二氧化硅膜层厚度为40纳米以及上层金纳米颗粒膜层厚度为7纳米时对应的反射（点线）和吸收（实线）光谱响应；

图4是对图3中本发明设计的宽波段光全吸收器的光学照片图；

图5是本发明设计的宽波段光全吸收器在不同金属颗粒膜层厚度的形貌特征的扫描电子显微镜图。（a）,（b）对应的厚度为2纳米；（c）,（d）对应的厚度为4纳米；（e）,（f）对应的厚度为7纳米；（g）,（h）对应的厚度为9纳米.

图6是宽波段光全吸收器随中间介质二氧化硅膜层和金属纳米颗粒膜层厚度不同而呈现的光谱响应（t代表的是二氧化硅膜层厚度）。（a）、（b）、（c）、（d）分别为金属纳米颗粒膜层厚度等于4 纳米，7纳米，9纳米和12纳米。图中插图为对应参数体系在二氧化硅厚度为40纳米时的光学照片效果。

图7是宽波段光全吸收器随中间介质二氧化硅膜层和金属纳米颗粒膜层厚度不同而呈现的光吸收响应在结构光学照片上的反应。在不同金属颗粒膜层厚度和介质膜层厚度参数下可以产生不同波段不同吸收效率的光吸收特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，金属纳米颗粒膜层的形成是基于金属沉积过程控制，通过控制沉积参数比如沉积膜层的时间可以实现金属纳米可以从微小的纳米晶体逐步演化为较大的金属纳米颗粒以及金属团簇结构并最终实现连续无孔的金属膜层。

如图2所示，本实施方式中的宽波段光全吸收器结构可以通过金属膜层基底-介质膜层-金属纳米颗粒膜层这三层结构单元构成。

实施例1：

本实施方式中的宽波段光全吸收器自下而上依次由金属膜、介质膜和金属纳米颗粒膜层组成（结构示意图如图2所示）。本实施方式中金属纳米颗粒膜层的结构示意图如图1所示。本实施方式中宽波段光全吸收器可广泛应用于宽波段光吸收、宽带抗反射、宽带滤光等光电器件。

实施例2：

本实施方式采用金和二氧化硅两种材质，首先在载玻片上，采用氩离子溅射镀膜方法沉积一层厚度为100 nm的金膜；其次，在此金膜衬底上采用同样的溅射方法镀上40纳米的二氧化硅膜层；最后，把镀膜靶材换回原来的金靶材并镀上7纳米金膜，从而获得宽波段光全吸收器结构。经过采用光学反射、透射和吸收光谱测试，可以获得如图3所示的在紫外可见近红外宽光谱范围的光全吸收光谱。结构的光学照片（如图4所示）显示完全的黑体，反应获得的结构确实实现了可见波段的全吸收，因而导致没有明显的光反射或散射，从而呈现黑体吸收特性。

实施例3：

本实施方式将上述实施例2中得到的二氧化硅膜层和金属纳米颗粒膜层厚度（如图5所示）进行调控，获得了本设计的光全吸收器在不同结构参数下的光学响应。如图6所示，通过改变参数，可以在不同波段范围实现不同吸收效率的光谱，并产生不同光谱反射光学照片效应即颜色滤波效应（如图7所示）。因此，对于本发明设计的结构可以在不同光谱范围内呈现特定的光谱吸收响应。

Claims (9)

1.一种宽波段光全吸收器，它包括平整金属膜（1）、平整介质膜层（2）和金属纳米结构膜（3），其特征在于光学波段宽频带宽光谱光完美吸收及其由常规物理沉积方法即可获得大面积制备的低成本的三维亚波长金属-介质结构自下而上依次由平整金属膜（1）、平整介质膜层（2）和金属纳米结构膜（3）组成。

2.根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于平整金属膜（1）的厚度为不小于50 nm；所述平整金属膜（1）的材料为铜、铝、钨、银或金等金属材料。

3.根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于平整介质膜层（2）的厚度为10-200 nm；所述平整介质膜层（2）的材料为玻璃、石英和氧化铝等介质材料。

4.根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于金属纳米结构膜（3）的结构为物理沉积法获得纳米颗粒组成的密排结构。

5.根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于金属纳米结构膜（3）的结构可通过物理沉积法获得；物理沉积法包括离子溅射法、脉冲沉积法、磁控溅射法。

6.根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于金属纳米结构膜（3）的结构其特征在于金属纳米颗粒大小处于5-200 nm范围。

7.根根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于金属纳米结构膜（3）的结构其特征在于相邻金属纳米颗粒大小间距处于0-20 nm范围。

8.根根据权利要求1所述的宽波段光全吸收器，其特征在于金属纳米结构膜（3）的结构其特征在于相邻金属纳米颗粒所组成的膜层的厚度处于0-15 nm范围。

9.一种权利要求1所述的宽波段光全吸收器的制备方法，其特征在于：具有宽波段光全吸收的金属-介质-金属结构体系的制备方法包括以下步骤：

（1）通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积金属膜层；

（2）在步骤（1）中所得的金属膜层上通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积介质膜层；

（3）利用物理沉积方法包括氩离子溅射或磁控溅射等方法在步骤（2）中获得的结构上沉积特定厚度的金属膜层即金属纳米颗粒膜层结构；

在步骤（1）中，所述平整衬底包括石英、玻璃、硅片或有机膜；

在步骤（1），（2）中，所述的物理或化学沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法、原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法中的一种或几种的混合方法；

在步骤（3）中，所述的物理沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法中的一种或几种的混合方法。