CN104966745A - 一种基于硅基衬底的纳米整流天线 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于硅基衬底的纳米整流天线。所述的整流天线为纳米天线与金属-绝缘体-金属二极管组成的一体化结构，天线的左右臂分别为金属I和金属II，中间为绝缘层。将设计的纳米整流天线分别置于不同的衬底上，通过采用三维电磁场数值计算方法，计算了不同入射光波长下，整流天线的局域场强度和输出功率，最后计算出相应的光电转换效率。本发明发现的理论规律如下，随着衬底折射率的增加，共振波长发生红移，最大场增强系数和光电转换效率也逐渐增大。该理论计算为整流天线电池的实验制备和生产应用提供了设计思想，有利于新能源技术的绿色低成本发展。

Description

一种基于硅基衬底的纳米整流天线

技术领域

本发明涉及一种基于硅基衬底的纳米整流天线，属于光电子学和纳米科学技术领域。

背景技术

将辐射光转化成电能的装置主要有传统光伏器件、纳米整流天线和热功率器件等。由可接收光的纳米天线和金属-绝缘体-金属(MIM)二极管组成的纳米整流天线制作成本低、结构简单，且能够实现红外光波段的整流，因而具有十分广阔的应用前景。目前实验报道的整流天线的光电转换效率很低，只有0.1～1％，另外，对于整流天线的转化效率的理论研究还不够完善，因此从研制高效纳米整流天线具有十分重要的意义。

整流天线充分应用了光的波动性原理，即入射电磁波辐射源的电场能够在导体中产生一个随时间变化的高频交流电(AC)，通过天线实现对太阳光的高效耦合作用向传输线输出交流电，经过MIM隧道结后经整流而产生直流电流(DC)，直流电极与外接负载相连接后，即可实现能量转移。但由于在高频下电磁波的趋肤效应等因素会导致产生的交流电在传输线上出现较大的损耗，而导致最终得到的整流天线的效率较低，因此从理论上设计一个较好的具有光电响应的整流天线，并在定量计算其光电转换效率的基础上，探索不同响应波段的转化效率是一个较为突出的难题。

根据现有的理论计算背景，设计这种纳米整流天线需要克服的主要难点有：1.推导出一套准确的、可用于计算光电转化效率的理论公式；2.在整流天线的设计上要使整流器与天线系统匹配；3.将天线置于不同衬底时，需探索衬底对整流天线的光电行为和转换效率的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于硅基衬底的纳米整流天线，克服现有整流天线实验中光电转换效率较低的问题、以及完善将整流天线置于不同衬底时对转换效率影响的理论研究。

本发明的技术方案是：一种基于硅基衬底的纳米整流天线，包括左臂、右臂、整流器以及衬底；所述左臂与右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整流器，且三者一体成型；

所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形；所述纳米天线左臂材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一种；所述纳米天线右臂材质选取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一种；所述整流器中的绝缘体材料选取NiO、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、V₂O₅、V₂O₃、CoO、Al₂O₃、CuO、SiO₂、钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐中的任意一种；左臂外沿至右臂外沿的距离为1～10μm，左臂内沿至右臂内沿的距离为50～500nm，左臂辐射体与右臂辐射体在靠近交叉点处的张角均为15～120°，纳米天线厚度为50～300nm，所述整流器中的绝缘体厚度为2～15nm；所述整流器中的绝缘体与金属层的接触面积为100nm²～1μm²；

将上述纳米天线置于衬底上；所述衬底面积为1μm²～1cm²；材料选取空气、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氧化锌中的任意一种。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是综合现有理论计算方法，采用三维电磁场数值计算方法，设计了一种基于衬底选择的纳米整流天线，并获得了较好的光电性能。本发明采用的是金属-绝缘体-金属二极管结构的一体化整流天线，相对于现有理论上的设计思想和实验上的制备方法，主要的改进有三点：

一是整流天线的结构。首先天线的形状设计为蝴蝶结，主要是由于蝴蝶结天线相对其它天线结构具有最大的尖端效应，这样能激发出更强的局域场；其次是将MIM二极管精确地连接到纳米天线中，并精确控制各个尺寸参数，形成完整的整流天线一体化结构，这种模型建立方式不同于传统的理论方法。

二是理论计算使用的方法。本发明使用的方法是三维电磁场数值计算方法，优先选择有限元方法，该方法不仅能计算天线间隙处的局域场增强，更重要的是，可以通过自定义函数的形式，实现对目标函数的编码进行程序输出。

三是整流天线的效率计算。首先给出了理论公式的推导，并且发现整流天线的光电转换效率随着衬底折射率增加而增大，该设计方法有望用于指导实验，制备出具有高效率的纳米整流天线。

综上所述，本发明采用三维电磁场数值计算方法，设计了一种高效的纳米整流天线，解决了光电转换效率的理论计算问题，可以根据所需的响应波段准确地预测光电转化效率。这为实验上制备纳米整流天线提供了理论指导，有望促进新能源的可持续发展。

附图说明

图1为纳米整流天线的结构图；

图2为三种衬底下局域场增强系数随波长变化图；

图3为三种衬底表面的电场分布图；

图4为三种衬底下输出功率随波长的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明是一种光学纳米整流天线。所述的整流天线为Au-TiOx-Ti结构，如图1所示，天线形状为扇形蝴蝶结，其中左臂金属I为Au(功函数5.1eV)，右臂金属II为钛Ti(功函数4.33eV)，天线厚度为h＝100nm；中间的介质层为钛氧化合物，厚度d＝5nm。其它参数的设置分别为：天线全长L＝4μm，张角θ＝60°，两臂有效间距Geff＝200nm。纳米整流天线器件的激励源为平面波，方向为z轴，即垂直于天线的方向；偏振方向为y轴，即沿着天线臂的轴向方向，入射光电场振幅为1V/m。红外波的研究范围为5～30μm。

衬底模型的建立。所设计的衬底上表面形状为正方形，面积为10μm×10μm，厚度为衬底1μm，材料分别为空气、二氧化硅和硅，其介电常数分别为 1.0006、4和11.9，即衬底的折射率逐渐增大。

计算方法的选择和具体参数设置。所述的整流天线采用的是有限元方法的3D频域电磁场计算软件，即整流天线结构的设计、仿真、参数设置和函数定义等均是由Ansoft HFSS软件来实现，边界条件采用的是辐射边界条件。此外网格剖分设置足够精确直至收敛，模拟运行的时间足够长，以降低求解误差。具体参数是最大迭代次数为20，自适应迭代分析精度为0.01，扫描频率范围从10～60THz(5～30μm)。

本实施例是纳米整流天线的局域场增强和光电转换效率的理论计算。入射光与金属自由电子作用产生的表面等离子体共振现象会在整流天线介质层处产生一个巨大的局域场，通过计算整流天线介质层中心的局域场强度，可以得到整流天线在三种衬底下的光学性能，即相应的响应波段λ_rs和局域场增强系数K，其中K＝|E(ω)|/|E₀|，因入射波电场振幅为1V/m，故|E₀|＝1V/m，通过计算不同频率下的电场幅值便可得到相应的场增强系数K。

整流天线光电转化效率可以定义为f＝P_out/P_in，P_in是天线的输入功率，P_out是输出功率，即隧道结处的吸收功率。输入功率P_in＝I₀·S，I₀是入射光强度， 其中η为截止波阻抗，当环境为真空时η＝η₀，且η₀＝377Ω，当入射光电场振幅为1V/m时，光强I₀＝1.33×10^-3W/m²。S为天线接收辐照光的面积，由设置的天线形状和尺寸可知，而输出功率 其中S为坡印廷矢量，即S＝E×H。因此，当计算出隧道结处的输出功率时，则即可得到纳米整流天线的光电转换效率。

通过模拟仿真计算出了三种不同衬底下的整流天线的光电学性能，其中光学性能包括共振波长、局域场强度及其场分布；电学性能包括输出功率和光电转换效率。最后得到的各个性能参数和计算结果参见表1。

表1不同衬底下的Au-TiOx-Ti整流天线的光电性能

由表1的结果可知，当衬底分别为空气、二氧化硅和硅，即衬底折射率逐渐增大时，共振波长λ_rs出现了较大的红移，同时，峰位处的局域场增强系数K_max也逐渐增大，其光谱图见图2。衬底表面的电场分布图如图3所示，局域场集中分布在极薄的绝缘层附近，沿着绝缘层以外的地方电场逐渐减弱，而且两边近似成对称分布。当衬底从空气变为二氧化硅、再到硅时，电荷密度增大，表现出的局域场强度逐渐增强，这一现象符合图2的结果。

由表1还可以看出，三种衬底从空气变为二氧化硅、再到硅，伴随着响应波段的红移，且输出功率逐渐增大，整流天线的输出功率在不同的衬底下随波长的变化如图4。峰位处的输出功率逐渐增大主要是由于天线收集红外光的能量有所增大，即如上所述的局域场增大所致。同时，在三种不同衬底下得到的转化效率随着衬底折射率的增大而增大，这有利于根据不同波段的响应波长，选择不同的衬底以优化光电转换效率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于硅基衬底的纳米整流天线，其特征在于：包括左臂、右臂、整流器以及衬底；所述左臂与右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整流器，且三者一体成型；

所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形；所述纳米天线左臂材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一种；所述纳米天线右臂材质选取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一种；所述整流器中的绝缘体材料选取NiO、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、V₂O₅、V₂O₃、CoO、Al₂O₃、CuO、SiO₂、钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐中的任意一种；左臂外沿至右臂外沿的距离为1～10μm，左臂内沿至右臂内沿的距离为50～500nm，左臂辐射体与右臂辐射体在靠近交叉点处的张角均为15～120°，纳米天线厚度为50～300nm，所述整流器中的绝缘体厚度为2～15nm；所述整流器中的绝缘体与金属层的接触面积为100nm²～1μm²；

将上述纳米天线置于衬底上；所述衬底面积为1μm²～1cm²；材料选取空气、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氧化锌中的任意一种。