CN105068184B - 一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构 - Google Patents
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Abstract
一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构是由吸收层和反射层复合而构成；所述吸收层是在非金属材料Si的上端面开设有二维周期性倒金字塔型槽光子晶体结构，并在倒金字塔型槽内填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜；所述反射层是在非金属材料Si底端面x方向和y方向开设有随机棱锥槽，并在底端面表面涂覆金属材料Au。本复合结构同时实现了p偏振和s偏振入射光从紫外至红外波段，甚至更宽波段的高效、宽带、宽角度电磁波的吸收增强，且在红外波段超过了Yablonovitch极限，也实现了吸收层表面的倒金字塔形槽内以及由吸收层表面的倒金字塔和反射层构成的腔内电场的大幅增强，特别在太阳能电池、光电检测、军事隐身等方面具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种由吸收层和反射层构成的复合结构，特别是一种含二维光子晶体结构和随机金属棱锥槽反射结构，以提高宽谱光吸收效率的复合结构。
背景技术
高效的宽带光吸收器在太阳能电池、光电检测等领域的应用引起了很大的关注。1982年，Yablonovitch提出了在均匀半导体薄膜内的光吸收极限。然而，Yablonovitch极限仅适用于几何光学，对于亚波长结构，通过合理地设计结构，其吸收效率会远远超过Yablonovitch极限。
目前，科学家们已经提出了很多含贵金属材料的光耦合结构来实现宽谱光吸收的增强，这些耦合结构分周期性和非周期性结构。2009年，Hu等人在结构上层引入周期性排列的方形金属块结构，提高了近红外波段内(1μm～5.5μm)多个窄带高吸收(文献1，BoyangZhang,Joshua Hendrickson and Junpeng Guo，Multi-Spectral Near PerfectMetamaterial Absorbers Using Spatially Multiplexed Plasmon Resonance MetalSquare Structures，JOURANL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICALPHYSICS,2013,30(3):656)；2011年，Liu等人在结构上层引入周期性排列的金属半球壳结构，实现了近红外波段内(1μm～2.6μm)双窄带高吸收(文献2，Zhengqi Liu,Peng Zhan,Jing Chen,Chaojun Tang,Zhendong Yan,Zhuo Chen,and Zhenlin Wang,Dual broadbandnear-infrared perfect absorber based on a hybrid plasmonic-photonic,OpticsExpress,2013,21(3)：3021-3030)；2012年，等人在结构上层引入周期性排列的尖金属凸槽结构，实现了可见光范围内(450nm～850nm)的高吸收(文献3，T.S.M.Novikov,T.Holmgaard,R.L.Eriksen,J.Beermann,Z.Han,K.Pedersen,and S.I.Bozhevolnyi,Plasmonic black gold by adiabatic nanofocusing andabsorption of light in ultra-sharp convex Grooves，Nature Commun.，2012.3：969)。但由于周期性结构只能实现在共振模处的窄带高吸收，所以为了实现宽带吸收，非周期性结构也受到科学家们很大的关注。2004年，Joachim等人设计了由Si、TCO和金属银反射板构成的耦合结构，且Si的上表面、下表面以及底部金属银表面都具有随机排列的三角槽结构，实现了在可见光范围内(400nm～700nm)高效吸收(文献4，Joachim Muller,Bernd Rech,Jiri Springer,Milan Vanecek,TCO and light trapping in silicon thin film solarcells,2004.77:917-930)；2009年，Rahul Dewan等人提出了类似的结构，由透明导电氧化物、Si以及金属反射板构成的耦合结构，且Si的上表面和下表面都具有随机排列的三角槽结构，而底部金属为平板结构，实现了在波长范围300nm～1100nm内的较高的量子效率(文献5，Rahul Dewan and Dietmar Knipp,Light trapping in thin-film silicon solarcells with integrated diffraction grating,Journal Of Applied Physics,2009,106(7):074901)。但这些非周期结构依然存在吸收带宽窄或吸收效率低等问题，而在太阳能捕获、宽带光电检测等领域，同时提高紫外至红外波段，甚至更宽波段的宽带、高效的光吸收是很重要的。
公开号为CN104503008A公开了“一种提高宽谱光吸收效率的复合结构”的发明专利，该发明的复合结构实现了覆盖近紫外至红外波段内的高效、宽带、宽角度太阳能的吸收增强，且在红外波段超过了Yablonovitch极限，同时也实现了吸收层表面的三角槽内以及由吸收层表面的三角槽和反射层构成的腔内电场的大幅增强。但是该发明的复合结构仅在上端面开设有一维方向的三角槽光子晶体结构，在下端面开设有一维方向的随机三角槽结构，所以该结构只实现了TM偏振(p偏振)宽波段的高效光吸收，未能同时实现TM偏振与TE偏振(s偏振)宽波段的高效光吸收，为了进一步提高p偏振与s偏振入射光宽波段的高效光吸收，发明人经过再次研究并同时进行多次实验研究，进一步获得了一种同时实现在p偏振与s偏振宽波段的高效光吸收的结构。
发明内容
本发明是在现有技术的基础上，通过对现有技术的结构改进，同时实现在p偏振与s偏振宽波段的高效光吸收，其目的是提供一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构。
为达到上述目的，本发明提供一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构，包括金属材料和非金属材料，其特征在于：
所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成；
所述吸收层是在非金属材料Si的上端面开设有二维周期性倒金字塔型槽光子晶体结构，并在倒金字塔型槽内填充有胶体量子点薄膜；所述反射层是在非金属材料Si底端面x方向和y方向开设有随机棱锥槽，并在底端面表面涂覆金属材料Au。
进一步地，附加技术方案如下：
所述复合结构的厚度d是：d>T/2。
所述复合结构的周期T是：T>0。
所述倒金字塔型槽结构的高度是T/2。
所述倒金字塔型槽的x方向和y方向是分别对应于反射层表面x方向和y方向的多个随机棱锥槽。
所述倒金字塔的高度和底端面最大棱锥槽的高度之和小于d。
所述金属材料Au的厚度t是：t≥100nm。
所述填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜的折射率是1.3-1.77。
实现上述本发明所提供一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果如下。
本复合结构增加了光学路径，从而增强光衍射和散射，实现了最大程度的光吸收增强。根据数值模拟的结果，通过调整T的大小，对于p偏振、s偏振的入射光，可以实现高效的、宽带的、宽角度电磁波吸收；随着T的增加，高吸收波段也随之变宽，平均吸收效率高达80％以上，在红外波段光吸收超过了Yablonovitch极限，且入射角度的变化对p偏振、s偏振入射光的吸收影响不大。
本复合结构具有明显的场强增强效果，在较短波长范围，电场增强主要集中在吸收层表面的倒金字塔形槽内，在较长波长范围，电场在吸收层表面的倒金字塔内和由吸收层表面的倒金字塔和反射层构成的腔内都有增强，在场强增强的位置添加胶体量子点薄膜可进一步增强吸收。
本发明所提供的一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构，在设计太阳能电池、光电检测、军事隐身等方面有很大的应用前景。
附图说明
图1是本发明结构a的一个周期的三维结构图。
图2是本发明结构a的x方向侧视图。
图3是本发明结构a的y方向侧视图。
图4是本发明结构a表面单个倒金字塔的三维结构图。
图5是本发明结构a的底部在随机棱锥槽内涂覆的金属薄膜的三维结构图。
图6是与本发明结构a对比的结构b的一个周期的三维结构图。
图7是与本发明结构a对比的结构c的一个周期的三维结构图。
图8是本发明在0.3～2.0μm波长范围内，Au和Si的折射率。
图9是本发明结构a在T从0.5μm变化到5.0μm时，垂直入射条件下p偏振在0.3～2.0μm波长范围内的吸收效率。
图10是本发明结构a在T从0.5μm变化到5.0μm时，垂直入射条件下s偏振在0.3～2.0μm波长范围内的吸收效率。
图11是本发明结构a在T＝1.8μm，入射角度从0度变化到80度时，p偏振在0.3～2.0μm波长范围内的吸收效率。
图12是本发明结构a在T＝1.8μm，入射角度从0度变化到80度时，s偏振在0.3～2.0μm波长范围内的吸收效率。
图13是本发明T＝1.8μm时，结构(a-c)在0.3～2.0μm波长范围内的吸收对比。图13(a)为结构(a-c)在p偏振下的吸收效率与Yablonovitch极限对比；图13(b)为结构(a-c)在s偏振下的吸收效率与Yablonovitch极限对比。
图14是本发明T和d分别同时为3μm，6μm和10μm时，结构(a)在0.3～9.9μm波长范围内p偏振的吸收效率对比。
图15是本发明在T＝1.8μm，p偏振下，Si的厚度d对本发明结构吸收效率的影响。
图16是本发明在T＝1.8μm，s偏振下，Si的厚度d对本发明结构吸收效率的影响。
图17是本发明在T＝10μm，p偏振下，Si的厚度d对本发明结构吸收效率的影响。
图18是本发明在T＝10μm，s偏振下，Si的厚度d对本发明结构吸收效率的影响。
图19是本发明结构a在0.4μm波长处的p偏振电场分布图。
图20是本发明结构a在0.4μm波长处的s偏振电场分布图。
图21是本发明结构a在1.2μm波长处的p偏振电场分布图。
图22是本发明结构a在1.2μm波长处的s偏振电场分布图。
图23是本发明结构a在3.0μm波长处的p偏振电场分布图。
图24是本发明结构a在3.0μm波长处的s偏振电场分布图。
图25是本发明结构a在8.0μm波长处的p偏振电场分布图。
图26是本发明结构a在8.0μm波长处的s偏振电场分布图。
具体实施方案
为使本发明的目的、技术方案以及效果更加清楚，以下结合附图以及具体实施例对本发明的具体实施方式作出进一步地说明。
我们提出了一种由吸收层和反射层构成的复合结构。通过引入倒金字塔型槽光子晶体结构和随机棱锥槽，增加了光学路径，从而增强光衍射和散射，同时实现了p偏振和s偏振入射光从紫外至红外波段，甚至更宽波段的高效的光吸收以及电场增强，光吸收在红外波段甚至超过了Yablonovitch极限，并且吸收效率对于角度变化也不敏感。此结构在设计太阳能电池、光电检测等方面有很大的应用前景。
本发明所提供一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构，如附图1所示，采用金属材料和非金属材料，以一个周期为例，其构成在于：所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成；所述吸收层是在非金属材料Si的上端面开设二维周期性倒金字塔型槽光子晶体结构，并在周期性倒金字塔内填充聚合物或胶体量子点薄膜构成；所述反射层是由非金属材料Si的底端面在x方向和y方向开设有随机棱锥槽，并在随机棱锥槽表面涂覆有金属材料Au而构成。
其中，本实施例所述Si的厚度d是:d＝2.0μm。所述周期T是:T＝1.8μm。表面光子晶体一个周期倒金字塔型槽的x方向和y方向分别对应底部x方向和y方向的8个不均匀棱锥槽。所述Si表面倒金字塔深度和底端面最大棱锥槽的高度之和小于d。所述金属材料Au的厚度t是：t＝100nm。所述填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜的折射率是1.5。
附图1为本发明提供的一种由吸收层和反射层构成的复合结构，包含非金属材料和金属材料。在非金属材料Si的上端面开设有二维周期性倒金字塔型槽光子晶体结构，并在周期性倒金字塔型形槽内填充有聚合物或胶体量子点薄膜构成；Si的上端面光子晶体一个周期倒金字塔型槽x方向和y方向的分别对应底端面x方向和y方向的8个不均匀棱锥槽。附图2和附图3分别为图1结构的x方向和y方向的侧视图。附图4为图1结构的一个周期倒金字塔的三维结构图。附图5为在附图1结构底部随机棱锥槽内涂覆的金属Au的三维结构图。
将本发明复合结构中的金属材料Au和非金属材料Si的固有损耗也考虑在内，Au和Si复杂的折射率如附图8所示，Si和Au的折射率随波长的变化来源于Palik参数。
附图9、附图10为本发明结构在垂直入射条件下，在波长0.3μm到2.0μm范围内，周期T从0.5μm变化到5.0μm时，分别对p偏振和s偏振入射光吸收效率的影响。当T大于1.7μm,p和s偏振在0.3～2.0μm整个波段内的平均吸收效率都高于80％。
附图11、附图12为分别本发明结构选择T＝1.8μm,在波长0.3～2.0μm范围内，入射角度从0度变化到80度时，p偏振和s偏振入射光吸收效率的变化规律。发明人证实了所提出结构的吸收效率对于入射角度不敏感。
附图13为T＝1.8μm时，p偏振和s偏振入射光在3种结构(本发明结构与附图6和附图7结构)中，从波长0.3μm到2.0μm范围内的的吸收谱与Yablonovitch极限对比。附图13(a)为p偏振的吸收对比，附图13(b)为s偏振的吸收对比。粗实线为本发明结构a的吸收谱；点划线为结构b的吸收谱；细实线为结构c的吸收谱，虚线为Yablonovitch极限。从附图13可以看出，本发明提出的结构对于p偏振和s偏振的平均吸收效率都高于80％,并且高于结构b和结构c，甚至在红外波段超出了Yablonovitch极限。
附图14为周期T和Si的厚度d分别同时为3μm，6μm和10μm时，结构a的吸收谱。附图14表明，随着T和d的增加，高吸收效率对应的波段也会相应的拓宽。
附图15和附图16为本发明结构在T＝1.8μm时，对于p偏振和s偏振，当Si的厚度从1.1μm增加到10μm时，随着Si的厚度的增加，吸收波段基本不变。
附图17和附图18为本发明结构在T＝10μm时，对于p偏振和s偏振，当Si的厚度从6.5μm增加到10μm时，吸收波段可以达到在0.3μm～9.9μm范围内高吸收，吸收波段基本不变。附图14到附图18表明，当结构周期T增加时，结构a的吸收波段会相应的拓宽，且能够达到高效率的吸收。而当T保持不变，Si的厚度d增大时，结构的吸收波段不会发生变化。说明结构周期T会影响高吸收效率的波段宽度。
附图19到附图26为本发明结构通过严格耦合波分析法(RCWA)计算得出的波长为0.4μm、1.2μm、3.0μm、8.0μm时,s和p偏振的电场分布图，以便更好地理解光吸收增强的机制。从附图19、附图20可以看出，在较短波长范围，电场增强主要集中在吸收层表面的倒金字塔内。从附图21到附图26可以看出，在较长波长范围，电场在吸收层表面的倒金字塔内以及由吸收层表面的倒金字塔和反射层构成的腔内都有增强。
以上实施例充分证明了本发明的一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构与其他两种结构相对比，能更好的达到高效的、宽带、宽角度电磁波吸收。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地说明，所应理解的是，根据数值模拟的结果，通过调整T的大小，对于p偏振、s偏振的入射光，可以实现高效的、宽带的、宽角度电磁波吸收；随着T的增加，高吸收波段也随之变宽。以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构，包括金属材料和非金属材料构成的二维光子晶体复合结构，其特征在于：
所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成，其周期T>0；厚度d>T/2；
所述吸收层是在非金属材料Si的上端面开设有二维周期性倒金字塔型槽光子晶体结构，并在倒金字塔型槽内填充有聚合物或胶体量子点薄膜构成；
其中：倒金字塔型槽结构的高度是T/2；倒金字塔型槽的高度和底端面最大棱锥槽的高度之和小于d；倒金字塔型槽的x方向和y方向是分别对应于反射层表面的x方向和y方向的多个随机棱锥槽；倒金字塔型槽内填充有聚合物或胶体量子点薄膜的折射率是1.3～1.77；
所述反射层是在非金属材料Si底端面x方向和y方向分别开设有随机的棱锥槽，并在底端面表面涂覆有金属材料Au，Au的厚度t≥100nm。
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