CN105118871A - 纳米光学的折射光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直偶极子阵列结构，其包括支持膜的衬底，该膜不是由负折射率超材料组成。该膜包括多个倾斜取向的部分和孔径。至少两个倾斜取向的部分由孔径隔开，且倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射重定向成负或正折射方向。

Description

纳米光学的折射光学器件
本申请是国际申请日为2011年7月21日、进入国家阶段日为2013年3月22日的名称为“纳米光学的折射光学器件”的中国专利申请201180045778.9的分案申请。
本发明是在政府的支持下根据美国国家科学基金会授予的ECS-0424210完成的。政府在本发明中具有一定的权利。
相关申请
本申请要求2010年7月22日提交的美国临时申请61/366,809和2010年11月12日提交的美国临时申请61/412,957的优先权。这些申请的各自内容整体包括在此以供参考。
技术领域
本发明一般针对光学器件，并更具体地涉及纳米结构的光学器件及制造器件的方法。
背景技术
两个不同介质的界面上光的折射，在成像和光束整形光学器件中形成必要的基础。当通常看作发生在块状(bulk)介质界面上的宏观现象时，在微观水平上，所述现象涉及通过原子或分子水平的散射体(再辐射体)的光衍射透射，和在产生的小波(wavelet)之间的后续干涉。
折射和光栅衍射之间的内在联系是显然的，因为两种现象涉及衍射透射和干涉。然而，它们的不同在于涉及截然不同长度的尺度。就是说，由于散射体的原子/分子水平的间距发生折射，且由于波长尺度的孔径间距而发生光栅衍射。
在具有折射率为负的人工介质界面上的情形中，光可弯向从表面法线起始的负角。然而，负折射率超材料(metamaterial)通常涉及在子波长尺度设计的共振结构，并内在地关联损耗和操作的有限光谱宽度。此外，在传统的光栅中透射功率大多数由0阶衍射(即直接透射)承载，且其它高阶(higher-order)衍射通常是次要强度。例如，如图1a示出的传统水平偶极子阵列10的辐射图案12支持，0阶(直接透射)作为主要光束。
发明内容
本发明的目的是提供这样的结构，该结构不支持使用负折射率超材料使入射辐射弯向任意选择的希望的方向，即负或正折射方向。替代地，本发明提供格栅结构，所述格栅结构通过穿过倾斜取向纳米孔径/孔(aperture)的高阶衍射透射和干涉，重定向入射辐射。
为实现上述目标，本发明设想了形成在例如金属薄膜上的纳米孔径阵列。每个纳米孔径可从膜表面上倾斜取向以便辐射图案指向特定的取向，所述特定的取向随着减小的角扩散从衬底的法线处离开。作为阵列，孔径辐射使相长干涉进入特定的方向，该特定方向设计成匹配单个孔径的辐射图案。
因此，本发明提供了新类型的薄膜光栅结构，用于在块状介质中衍射光。根据入射光束方向，该光栅结构使光束能够负或正折射到远场(farfield)而没有传输损耗。对于负折射，光栅结构设计成主要支持-1阶衍射，而对于入射角的广泛范围，0阶和其它高阶光束被抑制。对于正折射来说，当光栅结构抑制其它衍射分量时，其优先利用+1阶衍射光束。具有阶选择能力的该光栅衍射通过制作纳米孔径的辐射图案(radiationpattern)获得，以便它们可以仅在所选衍射阶的方向上相长干涉。
根据本发明的一方面，提供的垂直偶极子阵列结构包括(A)支持(B)膜的衬底，该膜包括多个倾斜取向的部分，其中(ⅰ)膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个倾斜取向的部分由孔径隔开，(ⅲ)倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射重定向在负折射方向上，以及(ⅳ)膜不是由负折射率超材料组成。
根据本发明的另一个实施例，本发明提供了制作垂直偶极子阵列结构的方法。该发明的方法包括(A)提供衬底并(B)在其表面上形成膜，其中膜包括孔径和倾斜取向部分的阵列，但其不是由负折射率超材料组成。
根据本发明的另一个实施例，提供的光伏器件包括电极，该电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列。电极被配置成使得入射辐射弯向掠射角(glancingangle)方向而没有通过膜的直接透射。
根据本发明的另一方面，提供的垂直偶极子阵列结构包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个偏移部分。在这方面，(ⅰ)膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个偏移部分由孔径隔开，(ⅲ)偏移部分被配置成使得入射辐射重定向在负折射方向上，以及(ⅳ)膜不是由负折射率超材料组成。在优选实施例中，支持膜的衬底的表面包括例如如图10中所示的台面(mesa)图案。
在本发明的另一方面，提供的垂直偶极子阵列结构包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个倾斜取向的部分，其中(ⅰ)所述膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个所述倾斜取向的部分由孔径隔开，(ⅲ)所述倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射重定向在正或负折射方向上，以及(ⅳ)所述膜不是由负折射率超材料组成。
在本发明的另外方面，提供的光伏器件包括(A)镜膜(mirrorfilm)，(B)形成在镜膜上的膜，和(C)包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列的电极。在这方面，电极、膜和镜膜被配置为Fabry-Perot(法布里-珀罗)腔结构。
附图说明
图1a示出在水平偶极子孔径的传统光栅中，通过金属纳米孔径阵列的光的衍射透射。
图1b示出在实施例的垂直偶极子纳米孔径阵列中，通过金属纳米孔径阵列的光的衍射透射。
图1c是实施例的垂直偶极子纳米孔径阵列的截面视图，其叠加图示通过其中金属纳米孔径产生光衍射透射。
图1d-f是如图1c中所示的垂直纳米孔径阵列结构的变体的截面视图。
图2a是在Ag层上垂直取向形成的单个垂直纳米狭缝的一个实施例。偶极子孔径垂直取向于衬底。
图2b-c是图2a的单个垂直纳米狭缝辐射图案的时域有限差分(FDTD)模拟。图2b是幅度图/幅值图，且图2c是幅度/幅值的角分布。
图2d是通过图2a单个垂直纳米狭缝的光学透射的实验性测量的光束分布。
图2e是形成在Ag层上的单个垂直纳米狭缝的另一个实施例。偶极子孔径垂直取向于衬底。
图2f-g是图2e的单个垂直纳米狭缝辐射图案的FDTD模拟。图2f是幅度图，图2g是幅度的角分布。
图2h是形成在Ag层上的相对/对比的单个纳米狭缝的截面视图。偶极子孔径水平取向于衬底。
图2i-j是图2h的单个垂直纳米狭缝辐射图案的FDTD模拟。图2i是幅度图，图2j是幅度的角分布。
图2k示出作为光束入射角函数计算的垂直纳米狭缝的透射通量(throughput)(强度)。在考虑或不考虑表面等离子体功率的情况下，透射的整体功率在r＝1微米处计算。在垂直入射(normalincidence)处计算的透射强度转化为80％的透射效率。
图3a示出具有垂直偶极子孔径的实施例的纳米狭缝阵列的测量光束分布。
图3b是具有面内水平偶极子孔径的传统纳米狭缝阵列的测量光束分布。
图3c示出作为入射角函数测量的负折射角。实线对应于基于布拉格衍射定律的计算。
图3d示出垂直纳米狭缝阵列的特征，例如在图1b中的特征用于描述或计算按照衍射光栅的布拉格定律的光束特性。
图4a示出在具有局部变化、不一致光栅周期的垂直偶极子纳米孔径处的负折射。
图4b示出负折射垂直偶极子纳米孔径阵列结构的侧镜功能。
图4c示出传统的镜面成像。
图5a示出一个实施例的截面视图，例如基于垂直纳米孔径阵列结构(垂直纳米狭缝阵列透镜)的光束聚焦透镜。每个纳米孔径辐射图案设计成取向于共同的焦点。每个孔径透射到焦点的相位延迟/相位差与相邻孔径相位延迟相差2π弧度，以便它们可以相长干涉。
图5b示出垂直纳米狭缝阵列透镜的测量光束分布。
图5c示出垂直纳米狭缝阵列透镜的测量光束分布：在焦点处获得210nm(FWHM)的束斑大小，用于633nm波长的光。
图6a示出当纳米狭缝阵列在薄膜光伏器件中用于吸收增强时的截面视图。
图6b示出横向叠放的太阳能面板。太阳能辐射倾斜入射在纳米孔径电极上并在掠射角方向上传输通过膜。垂直纳米孔径阵列示出用于掠射角入射的光的超常透射。
图7a是垂直纳米孔径阵列(比例尺，400nm)的透视图的SEM图像。
图7b是水平纳米孔径阵列(比例尺，4um)顶视图的SEM图像。
图7c是图7b(比例尺，500nm)的水平纳米孔径阵列的截面视图的SEM图像。
图8示出在传统水平偶极子孔径光栅中通过金属纳米孔径阵列的光的衍射透射。
图9a示出用于偏振无关的2D光束整形功能的十字形2D纳米孔径。
图9b-c是用于光束聚焦功能的垂直纳米孔径的2D阵列的视图：图9b是顶视图，而图9c是侧视图。
图10a-d示出全息光刻和角度沉积(angledeposition)过程，用于在大区域的衬底构造垂直纳米孔径阵列。所选的台面高度和金属厚度可在台面结构的一侧上产生垂直纳米孔径。
图11a-11b是图2a单个垂直纳米狭缝辐射图案的FDTD模拟的其他视图。在图11a中，其是图2b的幅度图，箭头130和垂直虚线135分别叠加在单个垂直纳米狭缝，当前的入射辐射和衬底法线上。图11b表示用于垂直纳米狭缝(V)和水平纳米狭缝(H)的辐射图案角分布；图例指示相对于衬底法线的入射光的角度θ。
图12a-12b是本发明的纳米狭缝阵列的其他实施例的截面视图的曲线图表示，用于在薄膜光伏器件中的吸收增强。箭头指示辐照(irradiance)角度/辐照度角。
图13a-13c根据本发明示出使用的纳米狭缝阵列的其他的截面视图，用于块状和薄膜光伏器件中的吸收增强。
图14a示出在电介质界面(空气到硅)上光的折射透射。
图14b示出根据形成在电介质结构上的光栅结构的光栅周期到入射光波长的比率，一些衍射光束可获得掠射角透射。
图14c示出根据一个实施例的共振腔结构。
图15a示出假定的纳米孔径结构和产生的辐射图案。
图15b示出图15a假定的纳米孔径结构的阵列，和产生的辐射图案。
图15c示出相位匹配条件(波长矢量关系)，用于覆盖了图15b假定的纳米孔径阵列的电介质表面的情形。
图16a示出垂直纳米狭缝的2D阵列。对于TE偏振分量(E＝Ezz)，增加了水平光栅线(Kgz：z方向)。垂直运行的光栅线(Kgx：x方向)主要用于TM偏振。
图16b示出图16a的2D阵列的截面视图，并沿着x-y平面。
图16c示出图16a的2D阵列的截面视图，并沿着y-z平面。
具体实施方式
短语“垂直纳米孔径阵列”、“垂直纳米狭缝阵列”、“垂直偶极子阵列”和“垂直偶极子孔径阵列”在该说明中可交换使用。
在电介质界面上克服传统折射透射的限制
在电介质表面上的光的折射透射服从于斯涅耳定律(Snell’slaw)，即透射角度由折射率和入射角的比率确定。对于进入到更高折射率介质的光束来说，例如在空气到硅(n约3.5)的情形中，最大透射角度限于～16度(约16度)(图14a)。形成在电介质表面上的光栅结构，例如周期性排列设置的金属丝或格栅，可产生衍射透射。根据光栅周期到入射光波长的比率，一些衍射光束可获得如图14b所示的掠射角透射。然而，在传统光栅中，透射功率大多数由零阶衍射承载，对于高折射率对比的介质来说，所述零阶衍射透射的最大角度有限制并很小，并且其它的高阶衍射通常是次要强度。实现高通量掠射角透射的困难来自两个原因：首先，传统光栅结构的单个衍射元件的散射图案不会提供很多功率到掠射角方向上，因此显著强度的高阶衍射光束不能在希望的方向上集聚/建立(buildup)。其次，在传统光栅结构中，电介质表面的衍射元件覆盖率和它们的光耦合效率通常低下，因此大多数入射功率发射通过电介质表面而没有与光栅元件的相互作用。
假定的纳米孔径结构在图15a中示出。纳米孔径结构在光学厚(optically-thick)的金属膜上形成，并具有设计成高度各向异性的辐射图案，取向入射光到掠射角方向上。因电介质表面通过金属遮盖，除了纳米孔径区域，入射光的透射仅发生通过该孔径。因此，透射特性完全由孔径辐射图案本身影响，其取向于倾斜的方向。现在比较图15a的结构和如图15b中示出形成在电介质表面上的这类假定的纳米孔径的阵列。图15b中，孔径辐射之间的干涉可导致不同阶的衍射光束。方向落在孔径辐射图案角范围内的特定阶的衍射光束可具有强的透射，而取向于辐射图案外部方向的其它光束不能发展成行进波/传播波。图15c示出相位匹配条件(波矢量关系)，用于覆盖了假定纳米孔径阵列的电介质表面的情形。该图中，在透射一侧的+1阶衍射光束设计成匹配纳米孔径辐射图案，就是说，取向于用于倾斜入射的掠射角方向，并且零阶和其它高阶衍射遭抑制。这里，在高折射率介质中的掠射角透射通过利用高定向性纳米孔径辐射图案和它们的干涉效应成为可能，且操作原理与在块状电介质表面上的传统折射原理不同。该新原理(通过垂直偶极子辐射图案的衍射阶选择)可用于实现通过如下所述的纳米孔径的光的负折射。
没有负折射率超材料的负折射
与通常遭受高传输损耗的块状超材料的情形相比，根据本发明用纳米结构的金属膜实现的负折射可以到达远场区域而没有这类损耗。此外，大多数超材料依赖共振现象，且负折射限于狭窄的光谱范围。另一方面，本发明的垂直偶极子阵列结构允许用于在任意波长的负折射方向上的衍射。在块状介质的界面上可行的光负折射使得能够接触角范围，所述角范围在传统折射光学中不能获得。因此，纳米光学结构例如本发明的垂直倾斜纳米孔径阵列结构可用作平台，用于各种应用例如光束整形、成像、光刻、光学数据存储、信息处理、测试设备/仪器、计量和光伏器件。
参考图1b，发明的垂直纳米孔径阵列100被设计成仅支持－1阶光栅衍射，该光栅衍射形成负折射光束112。垂直偶极子阵列结构可包括支持膜115的衬底(没有示出)，膜115包括多个倾斜取向的部分120和多个孔径125。至少两个倾斜取向的部分120由孔径125隔开。倾斜取向的部分可被配置成使得该入射辐射130重定向到如由负折射光束112所示的负折射方向。
与本发明一致，膜120不是由负折射率超材料组成，即使在垂直偶极子阵列结构配置以便入射辐射重定向到负折射方向的情形中。例如，膜120可包括有格栅的并且周期性倾斜、倾斜取向或倾斜的高导电材料的膜，即高导电材料的膜表示倾斜取向的纳米孔径阵列。高导电的材料可从Ag、Au、Al、Cu、Cr等，和/或其中的高导电合金，石墨烯、石墨或导电氧化物中选择。
膜115可包括倾斜取向的部分120，并可由衬底135支持，如图1c中示出。相邻的倾斜取向部分120可由至少一个孔径125隔开。由至少一个孔径125隔开的倾斜取向的部分120，可形成由具有顶部表面的衬底支持的锯齿形图案，其中该表面的一部分部分形成为锯齿形图案。例如，每个锯齿形图案的锯齿可包括垂直台阶表面127和倾斜取向的或倾斜的表面121。衬底也可包括基本上水平的部分123，所述水平的部分123支持膜115的水平部分122。在从衬底法线131起始的角θ上的入射辐射130重定向在远离衬底法线的角上。衬底135可包括非负折射率超材料的材料。
本发明前面的描述由仅是说明性的下面例子补充。
单个纳米孔径
具有形成在Ag层上60nm宽度的单个纳米孔径或纳米狭缝的三个不同结构，在图2a(例子1)、图2e(例子2)和图2h(相对例子1)中示出。图2a中，膜115的倾斜取向部分120和水平部分122由衬底135支持，并由孔径125隔开。图2e中，如由包括孔径125'的垂直台阶表面127定义的，膜115的两个水平部分122，其中每个由衬底135支持并彼此提升。图2h中，膜115的两个水平部分122，其每个由衬底135支持且彼此不提升，由孔径125”隔开。
用于三个不同结构的每个的辐射图案的FDTD模拟分别在图2b-2c、2f-g和2i-j中示出。当图2c、2g和2j示出幅度的角分布时，图2b、2f和2i示出坡印廷矢量(PoyntingVector)分布(幅度图)。对于每个模拟来说，Ag的电介质常数在633nm处假定为－16+i1.1，且具有633nm波长的TM偏振光垂直于衬底入射。模拟窗口是20um×15um。FDTD结果使用具有10nm格栅间距的2D的Yee网格和完美匹配层/完全匹配层(PML)边界条件产生。
对于从底侧垂直入射的平面波来说，狭缝透射示出从衬底法线倾斜取向的辐射图案。例如，图2c中，主瓣(mainlobe)取向于具有50°半宽度角(full-width-at-half-maximumangle)的θ＝140°的方向(从衬底法线50°倾斜)。对于偶极子轴是水平的传统狭缝辐射图案来说，所述偶极子轴平行于如图2h中示出的膜表面，这是清楚的对比。后面的结构示出20°-160°的辐射角(从衬底法线±70°)功率几乎均匀的分布。
当不需要束缚于任何具体理论时，据信倾斜纳米狭缝孔径的配置作为偶极子类线源，其在由入射波激发的情况下垂直于金属膜振荡。对于入射到孔径的横向磁(TM)偏振光来说，金属通过感应表面电流响应。感应电流在相对/相反的角落不同地工作，就是说，在一个角落积累电荷同时在另一个角落消耗电荷。在垂直孔径上的该偶极子振荡具有重辐射入射能量到远离衬底法线的倾斜方向上的效应。
在狭缝角落和边缘上感应的偶极子电荷量取决于孔径几何形状/尺寸和相对于边缘的入射场矢量的取向。与金属表面(狭缝边缘)相互作用的电磁波可感应偏振表面电荷，其中表面电荷密度可表达为：
这里E1和E2分别是在界面的金属和电介质侧边上的电场，且n21是法线矢量。对于大多数金属/电介质来说，︱εM︱>>︱εD︱，因此在表面上感应的偶极子电荷量不会严重依赖于金属的电介质常数。在角落区域的电荷感应涉及不同的过程。入射波的反射感应表面电流J＝n×H，其中H是在表面上的总磁场。该表面电流然后在服从于连续性方程的角落感应局部电荷。产生的表面电荷密度可表达为
这里Hin是在金属表面的入射磁场，且r是反射系数。对于大多数金属来说，反射系数保持接近-1，意味着可忽略不计依赖金属电介质常数的偶极子电荷密度。总的来说，该分析表明由金属制成的具有不同电介质常数的垂直纳米狭缝将示出类似的偶极子强度辐射图案(透射通量)。
图2d示出通过图2a垂直纳米狭缝结构的光学透射的实验测量结果。两种模拟(图2b-2c)和实验结果(图2d)的对照确认辐射图案保持远离衬底法线的倾斜取向，不依赖于输入光束的入射角。
辐射角和通量依赖纳米狭缝的几何形状和尺寸以及倾斜结构。随着较低的台阶边缘(台阶的底部表面)变得倾斜越少(变得更水平)，辐射图案越倾斜向水平方向。对于更大的狭缝宽度来说，狭缝透射减小。透射还示出了膜厚度的依赖，对于更厚的膜增加到一定的厚度极限(约λ/4)。
垂直纳米狭缝的透射通量也作为光束入射角(图2k)的函数计算。当辐射图案取向于相同的倾斜角度时，随着光束入射得更倾斜通量增加，就是说，接近平行于孔径辐射方向。如由落在狭缝截面上的入射功率分开的总透射功率(自由空间辐射功率和表面等离子体功率两种)定义的透射效率，在-45度入射或垂直入射时达到80％并在45度入射时达到400％。(这里比100％更大的透射效率指示漏斗效应(funnelingeffect)，即纳米狭缝有效捕集并透射比落在孔径区域上的量更多的入射功率)。当入射电场矢量取向于与偶极子轴相同的方向时，该角度依赖指示偶极子电荷最大限度感应。对于具有相同金属厚度和狭缝宽度的水平狭缝的情形，透射效率在垂直入射时达到最大53％。有趣的是，应该注意在透射入射功率上垂直纳米狭缝结构可胜过水平纳米狭缝。对于较厚的膜来说，该性能对比变得甚至更强烈，且考虑到这样的事实这可以理解，所述事实为在水平纳米狭缝中显著的透射损耗量发生在狭窄的沟道区域，而在垂直狭缝的情形中没有这类波导(waveguide)收缩并因此没有衰减。高通量透射和垂直纳米狭缝结构的高定向辐射图案提供有趣的潜力(interestingpotential)，用于克服传统折射光学器件的限制。
垂直纳米孔径结构的变化
当垂直纳米孔径的几何形状保持倾斜的偶极子纳米孔径(见图1d-f)的本质时，其可以以许多不同的方式变化。通过允许在横向方向上的间隙，透射通量可以增加。通过在锯齿形表面的较少倾斜一侧上形成纳米孔径，孔径辐射方向可更易于调整到希望的方向。因此，图1c的垂直台阶表面127不限于完全垂直的取向，且膜115的倾斜取向的部分120不限于仅在衬底倾斜表面121上形成。换句话说，垂直台阶表面127可在这样的角度取向，使得其不平行于衬底法线131。此外，倾斜取向部分120可在垂直台阶表面127上延伸。
例如，垂直台阶127可以被取向成使得在从衬底法线131起始的角α处出现。与图1d-1e相比，α1比α2更小。随着衬底法线131和垂直台阶表面之间的角α接近90°，产生的透射接近传统水平孔径阵列的角。因此，这里描述的从垂直偶极子孔径的衬底法线起始的垂直台阶表面的角α可以是0≤α＜90°，例如，0-45°，0-20°，0-15°或0-10°。
如图1f中所示，倾斜取向的部分120如由120'和120”所示可在垂直台阶表面127上延伸(突出)。换句话说，相邻的倾斜取向部分120的侧壁可集中得更靠近。
因此，通过衬底的辐射可通过预选角α的适当组合，和/或预选相邻倾斜取向部分之间的距离，并凭此限制孔径区域而控制。
纳米狭缝阵列
图3a和图3b示出通过垂直纳米狭缝阵列的光学透射的FDTD测量结果，所述垂直纳米狭缝阵列具有760nm的光栅周期，但分别具有两个不同的孔径取向、垂直或倾斜取向(例如图1b中示出的)或水平的偶极子(例如图1a中示出的)。TM偏振光(633nm波长)以各种角度入射。如图3b中示出，具有面内水平偶极子孔径的传统纳米狭缝阵列示出0阶透射(正折射)作为主导光束。相反，如图3a中所示，对于在633nm波长时TM偏振光的相同入射角130来说，垂直纳米狭缝阵列仅示出-1阶光束。具体地，对于30°入射角的20°折射角被观察到，其对应于来自光栅的-1阶衍射。如图3c中示出，在整个入射角(0°到45°)的范围采取了测量。
当不束缚于具体理论时，据信每个纳米狭缝孔径当作偶极子类线源，其例如如图3d中所示，在入射波激发下垂直于金属膜振荡。对于入射到孔径的横向磁(TM)偏振光来说，金属通过感应表面电流响应。在横穿间隙的相对边缘上，感应电流对于电荷不同地工作，就是说，在一个边缘积累电荷而在另一侧消耗电荷。在孔径处的偶极子振荡然后辐射入射能量到远离衬底法线的倾斜方向上。当形成阵列时，光栅周期对波长的比率可这样设计以便孔径辐射使相长干涉到一定的方向，即落在单个孔径的辐射图案之内。以光栅衍射的语言来说，该孔径阵列仅支持-1阶衍射(负折射)并阻断0阶(直接透射)和用于广泛范围入射角的其它衍射。
在垂直偶极子纳米孔径阵列处的负折射也服从于衍射光栅的布拉格定律：这里θ是在衬底空气一侧上测量的入射角，且是在出口一侧到负折射方向上测量的折射角。d是光栅周期，且λ是自由空间波长。m是表示衍射阶的整数。对于负折射的情形，如这里讨论，m＝-1。因此，折射关系然后表达为该公式可看作是用于负折射的斯涅耳定律，其在某种意义上涉及两个正折射率介质的界面上入射角到折射角。(在该公式中应注意，没有涉及到衬底效应。这是因为入射角被定义在空气一侧，而不是在衬底内部。)
光束整形
恒定周期光栅结构，例如用于具有恒定周期的倾斜取向部分的垂直偶极子纳米孔径阵列结构，允许平行、准直的输入光束的负折射。然而，光栅周期的局部变化开启了新功能，用于形成来自非准直输入光束的平行准直输出光束，或用于提供来自平行准直输入光束的非准直输出光束分布。例如，图4a示出用于垂直偶极子阵列结构的负折射，所述垂直偶极子阵列结构具有不一致的光栅周期(d1、d2、d3、d4、d5)。
为了负折射发散输入光束到准直的平行光束中，入射角和折射角必须局部满足与上面相同的布拉格定律。对于恒定折射角来说，局部光栅周期必须变化从而匹配发散入射角类似于传统的正折射，有效的折射率可定义用于负折射：为保持和/或实现恒定的有效折射率(应注意这里‘n’定义为绝对值)用于给定的入射光束分布，光栅周期需要局部变化如下：d(θ)＝λ/[(1+n)sinθ]。
用于后视的侧镜而没有‘镜面成像(右左反转)’效应
在传统的镜子中，反射图像的右侧或左侧的光线分量穿过相同的距离。因此随着光束传输方向在镜面反射上反转，右左关系变得颠倒过来(对于观察者)。在负折射镜面反射的情形中，在反射之后，右左关系保持不变，引起横向方向上外部边缘的空间位移。在由垂直纳米狭缝阵列支持的负折射光束中，偏移相位的改变所需的相位转变通过纵向方向上相位延迟提供。总的来说，用于光线分量的光程长度差必须沿着横向方向逐步变化，且这通过光栅衍射和干涉效应成为可能，其服从于布拉格定律。
如上讨论的负折射使得在侧面向前的方向上成像后视的新功能成为可能，并具有在相同平坦表面上组合两个不同光学组件的效果，即侧镜和侧窗。因此，应该注意通过负折射镜子的反射不会引起传统的‘镜面成像’，即图像右侧和左侧的反转。基于图4b-c中示出的光线踪迹图，该非反转镜面反射效应可以理解。
光束聚焦
基于垂直偶极子孔径阵列整形孔径辐射到希望的方向上的内在能力，如上所述，阵列结构例如图5a中示出的，可以以明显不同于传统光学器件的方式执行光束聚焦功能。例如，每个纳米孔径可设计成作为纳米天线，其产生高度定向的辐射图案到特定取向，以便孔径辐射在天线辐射的角范围内使得相长干涉到特定的方向。
用于聚焦平面入射波的垂直偶极子孔径阵列300的截面视图在图5a中示出。阵列300包括支持膜115的衬底(没有示出)，膜115包括多个倾斜取向的部分120和多个孔径。至少两个倾斜取向的部分120可被至少一个孔径隔开。此外，倾斜取向的部分可经配置以便入射辐射透射通过孔径，并在焦点处相长干涉。例如，倾斜取向的部分可在彼此相对的不同角度上配置。此外，在彼此相对的不同角度上配置的倾斜取向的部分也可具有彼此相对不同的周期。在一个实施例中，如图5a中示出，在焦点的一侧上倾斜取向的部分可以以逆时针角取向，而在焦点的相反一侧上倾斜取向的部分可以以顺时针角取向，以便光束透射通过并在焦点处会聚。
用于每个孔径到焦点的相位延迟设计成与相邻孔径相位延迟相差2π弧度，以便透射光束可在焦点处相长干涉。该相位延迟包括在孔径透射处的相位转变。孔径取向，例如倾斜取向也可倾斜调整以便取向主瓣到焦点方向上，即以便在焦点处最大化辐射强度。根据惠更斯-菲涅耳原理(Huygens-Fresnelprinciple)，这相当于改变倾斜(倾角)因子，以利于在高度选择的方向(区域)上实现干涉。利用这些精确定向的辐射，产生的光束分布可比传统波带片的分布有极大改善。
例如，传统菲涅耳波带片由对称的不透明和透明区域的交替带组成。进入波带片的光在不透明边缘衍射，且衍射光在共同点相长干涉。因此，在区域边缘衍射的方向性上不存在控制，且因此干涉图案通常产生多个焦点。相比之下，垂直偶极子孔径阵列，例如上面描述并在图5a中示出，可在甚至具有相对少量狭缝的远场中单个位置处产生锐聚焦。
对于用光垂直入射的光束聚焦的情形，可不涉及负折射，但是通过纳米孔径的透射辐射可高度定向到共同点例如上述的焦点处。
来自单个狭缝辐射图案的高度定向性质不仅允许单个明确定义的由近到远场中的焦点，还提供其它重要的益处。和具有一致角分布的柱面波的情形不同，其示出在广泛范围角上的辐射强度的1/r依赖，高度定向的孔径辐射可到达具有显著减少的衰减远场中的焦点。这具有增强来自位于远离焦点的狭缝的贡献，并因此增加横向平面上空间频率有效带宽的效果。该后者的效果预计增强成像的分辨率。例如，图5b示出垂直偶极子纳米孔径阵列的测量结果，该垂直偶极子纳米孔径设计成在离阵列表面2λ距离处形成焦点。横向扫描分布示出在焦斑(图5c)处210nm的FWHM。这对应于λ/3，其明显比传统光束整形光学器件中可获得的衍射有限斑点尺寸(～0.5λ到～1.22λ)更小。在远场区域中克服衍射极限将使得在成像和聚焦中许多实际应用成为可能。
用于二维(2D)光束整形的垂直纳米孔径阵列
上述的垂直纳米孔径阵列用于1D光束整形功能，且它们是偏振敏感的(对于TM偏振光很好地透射并阻断TE波)。十字形纳米孔径(两个垂直叠放的纳米狭缝)，这里也称为“十字孔径”925，可透射TE和TM两种偏振分量，如图9a中示出。例如图9a中大的黑箭头指示E场方向。
通过将十字形纳米孔径925设置成图9b中示出的2D阵列，可执行偏振敏感的2D光束整形功能。如图9c中示出，十字孔径可在倾斜取向的金属膜部分处形成，以便2D偶极子轴(因此辐射图案)从衬底法线起始处倾斜。例如，十字孔径925可位于衬底倾斜取向的表面121处。此外，十字孔径925也可在水平表面上形成。十字孔径925可位于衬底(没有示出)垂直台阶的部分127处。
在块状和薄膜太阳能电池中的吸收增强
在传统的光栅结构中，当光栅周期设计得足够小(∧＜λ/2)时，除了0阶光束(直接透射)将没有光栅衍射。在垂直偶极子孔径阵列的情形中，如上讨论，0阶透射可全面抑制。透射的光然后将剧烈地弯向负角的方向而没有任何直接透射。因没有合适的光栅矢量可用，应该注意对于短周期的光栅情形，m＝-1的布拉格条件不再有效。预计透射的光将折射到固定的角，与光束入射角无关。
材料界面上光的急剧折射(没有直接透射)，在有限厚度的材料中增强光吸收上得到潜在的关注。在薄膜基的光伏器件中，例如，通过将入射光急剧弯向/弯进薄膜，在光吸收膜内的相互作用长度可显著增加。光束折射角保持固定，与用于短周期光栅情形的入射角无关的事实，提供了有趣的可能性，即太阳能面板可不需要追踪太阳。
通常在金属角落观察的漏斗(场浓度)现象不需要等离子体过程。还应该注意如上讨论的负折射需要光栅衍射且不用明确地涉及等离子体。因此，负折射现象然后预计也可在较低传导性金属中观察。通过利用1D光栅图案，当整个电极区域作为窗口时，所述窗口使得通过负折射的光的增强吸收成为可能，电连接可在电极上保持。当其最小化反射和直接透射时，电极层厚度可设计成最大化折射透射。
在一个实施例中，纳米狭缝阵列例如垂直偶极子纳米孔径阵列可用于在薄膜光伏器件中的吸收增强。如图6a中示出，膜115例如电极由衬底135支持。在这个实施例中，衬底可包括在传统的光伏电池中所有的其它层，所述光伏电池支持顶部或朝阳的电极。电极可图案成形到垂直纳米孔径阵列以便入射光130例如阳光，急剧弯向掠射角方向而没有通过膜的直接透射。
对于光伏应用，垂直纳米孔径阵列结构也可在正折射方向上操作，假设入射光发送到掠射角方向上。光伏器件也可设计成包括电极，所该电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列，其中该电极被配置成使得具有高效(强的漏斗效应)的倾斜入射辐射直接透射通过纳米孔径电极，且直接透射的光在掠射角处传输通过膜。根据图2k中示出的数据，垂直纳米孔径阵列结构允许在倾斜的入射角处特别高的光的直接透射，例如在45度入射角处400％的透射效率。因此，如图6b中示出，通过横向堆叠太阳能面板，该强漏斗效应可用于增强光伏系统的功率容量。
垂直纳米孔径阵列结构的构造
垂直纳米孔径阵列结构根据以下步骤构造。首先石英衬底聚焦离子束(FIB：SeikoSMI-3050SE)蚀刻，以便形成锯齿形轮廓，所述锯齿形轮廓在周期位置(760nm光栅周期)处包含垂直台阶(高200nm)。沿着光栅矢量方向，随着用于更深蚀刻的停留时间逐步增加，使用Ga离子束(30keV；10pA束电流)。在逐步渐进的蚀刻中，每个光栅周期跨度(760nm)分成40个子块(宽19nm和长50um)。140nm厚的Ag层然后通过热蒸发/热蒸镀在台阶上沉积。为避免在台阶侧壁上金属沉积，沉积角度从衬底法线起始稍微倾斜(10度)。侧壁上产生的狭缝宽度估计为60nm。对于因此而构造的25个周期的光栅样本，图案成形的面积为19um×50um。垂直纳米孔径阵列的透视图的SEM图像在图7a中示出。
大区域、垂直纳米孔径阵列结构的构造
对于周期性或非周期性结构的大区域图案成形来说，可分别利用全息技术或电子束光刻。在全息术中，周期性光栅图案在光刻胶/光致抗蚀剂(photoresist)表面上显影(developed)，接着通过等离子体蚀刻图案转移到衬底上，并然后在台面蚀刻表面上金属角度沉积，这导致在台面侧壁(图10)处形成垂直纳米孔径阵列。UV激光器(325nm波长)可用于全息光刻，且借助该激光器，可获得350nm(或约250nm周期，使用n＝1.45的折射率匹配液体)小的约1cm2图案面积的光栅周期。该全息光刻通过具有曝光之间90°旋转的1D光栅图案的双曝光，可用于形成二维光栅结构。对于大区域的非周期性阵列的情形，电子束光刻可结合等离子体蚀刻和角度沉积使用。对于这里描述的上面的垂直纳米孔径构造来说，关键要求是台面深度需要结合角度沉积的金属厚度而适当设计和/或控制，以便如上讨论，在衬底的垂直台阶表面和衬底法线之间的角度α可以最小化。
在构造过程的一个例子中，光栅图案例如周期性光栅图案160在衬底135上的光刻胶162上形成，如图10(a)示出。如图10(b)中示出，图案然后通过等离子体蚀刻164转移到衬底135上，从而形成包括台面蚀刻表面的台面图案化的衬底，该台面蚀刻表面定义衬底的偏移部分，例如台面135'和台面侧壁136。接着，如图10(c)-(d)示出，在台面蚀刻表面上的金属角度沉积166导致在衬底的垂直部分例如在台面侧壁17上形成垂直纳米孔径125阵列。
该垂直纳米孔径阵列结构的构造可应用在弹性衬底上例如塑料膜上。通过使台面结构的衬底弯曲成适当弯曲的形状(凹或凸)并在弯曲的衬底上执行金属的角度沉积，垂直纳米孔径可在衬底的不同部分上形成。
传统纳米狭缝阵列的构造
此外，制造了具有面内水平偶极子孔径的传统纳米狭缝阵列结构。该传统结构的SEM图像在图7(b)(顶视图；比例尺，4um)和7(c)(截面视图；比例尺，500nm)中示出。首先，140nm厚的Ag层通过Ag的热蒸发/热蒸镀在石英衬底上沉积。纳米狭缝阵列(宽100nm和长50um)然后使用聚焦离子束蚀刻技术(SeikoSMI-3050-SE双束系统：30keVGa离子束；10pA束电流)在Ag层中形成。用于纳米狭缝的典型蚀刻深度是200nm。狭缝阵列的25个光栅周期是760nm。
测量垂直纳米狭缝阵列的性能
通过纳米狭缝阵列的光学透射的分布通过扫描纳米探针(VeecoAuroraNSOM探针1720-00；涂覆100nm厚的铝；80nm直径孔径；在锥形的，具有4um纤芯直径和0.11NA的单模二氧化硅光纤上形成；涂覆Al的锥形部分的总长度为1400um；4°的全锥形角度)成像。TM偏振的He-Ne激光束(波长633nm，束直径1mm)入射到衬底侧边上，且扫描探针在纳米孔径阵列的出口一侧的近到远场的阶段中扫描。探针输出用光电倍增器显像管(HamamatsuH7468-20)测量。扫描探针实验用连接到LabView7.0(美国国家仪器公司(NationalInstruments))的自制的扫描阶段设置(用于纳米定位的PIE-621.1CD和用于伺服控制的E-665.CR)执行。
图8示出用垂直于衬底表面对准的纳米探针光纤250，通过扫描整个垂直偶极子孔径的仿形/分析(profiling)过程。扫描范围在水平方向(如用箭头270指示)上是60um，且在垂直方向(如用虚线箭头271指示)上是40um。扫描步长大小在水平和垂直方向上分别是50nm和157nm。
其他的实施例
这里公开的纳米光学结构设计成改变机制，通过其入射光耦合(即透射)到例如光伏器件的有源层中。不像在块状电介质界面处的透射/反射情形，其服从于传统折射光学原理，入射光可通过纳米光学垂直偶极子阵列使掠射角透射进入高折射率有源层(例如硅)中。因此透射效率可在入射角的广泛范围内变高。因耦合(即透射)到有源层的光沿着掠射角方向(面内方向)传输，有源层中路径长度可制作得比该层厚度明显更大。
通过垂直偶极子阵列的光学透射可设计成非互易性(non-reciprocal)用于掠射角入射，这意味着纳米光学电极也可作为好的镜子，用于在有源层中的光掠射角传输。如图14c示出，当在前侧405上的非互易性透射电极415与底侧反射器407组合从而形成共振腔结构435，耦合到有源层139的入射光130、130'、130”受到限制，因此在膜方向433上传输期间被完全吸收。
随着掠射角透射/传输，大多数入射光可被吸收，其中结型场(junctionfield)发展(develop)。这改善了光生载流子(photo-generatedcarrier)的收集效率，较小依赖材料质量，材料质量是对于薄膜太阳能电池特别重要和有益的特征。
如上讨论的依赖垂直纳米狭缝透射的入射角，相对于图11b中的数据，在整个纳米孔径的金属层中提供光的非互易性透射。也如上讨论，该现象可用于在薄膜太阳能电池中极大增强光的吸收。例如，电介质层(硅膜)夹在纳米孔径金属层115和金属膜407之间，如图14c示出。顶部电极115设计成高度透射性用于倾斜入射。通过纳米孔径阵列耦合到电介质中的入射光在掠射角方向上传输，并通过底镜反射回来。现在底镜反射的光在负折射入射角方向上入射到顶镜中，其中顶部电极层115高度反射。组合非互易性透射和底侧反射功能在一起的该配置，当支持捕集的光面内传输时，允许在垂直方向上用于捕集入射光。这通过作为镜子的两个膜之间的多个反射，增加了电介质层中光的路径长度。
上述夹层结构可以建模为Fabry-Perot腔。腔区域中吸收增强可通过下面质量因数表达，F＝AQ，其中A是有源层的吸收率，且Q是FP腔的质量因子。Q由镜子反射率R1和R2确定，有源层吸收系数α和膜厚度t，如
对于具有小的膜厚度(αt<<1)的弱吸收介质来说，Q因子可近似为
Q因子指示振荡(往返反射)数量从而消散输入能量。参考该公式，吸收增强预计来自下面的观点/设想：首先掠射角传输本身具有增加有效吸收系数(α/cosθ)的效果，且其次，FP腔通过因子(1/[(1-R1)(1-R2)])增加有效传输长度。假设入射光到达用于垂直偶极子纳米狭缝阵列的接受光锥的角范围内，并假设用于顶镜的R1＝0.8-0.9，和用于底镜的R2＝0.97-0.99，则腔中的吸收增强(路径长度增加)估计为170-1000。这远大于传统的基于随机化的4n2(对于n＝3.5约50)的朗伯限制(Lambertianlimit)。
如上讨论，根据本发明可使用阵列例如垂直偶极子纳米孔径阵列，从而在薄膜光伏器件中增强吸收。例如，本发明的纳米孔径阵列可形成在太阳能电池衬底135上或直接形成在太阳能电池的有源层139上作为电极115，例如纳米光学电极。因此形成的阵列可耦合光到有源层中，因而增强光伏过程的基本性能特性，例如光吸收和光载流子收集，其导致增强的器件效率。垂直纳米孔径阵列使入射光130指向有源层中的掠射角方向112'，如图12a-12b中示出，导致改变与电介质相互作用的光的特性。例如，垂直纳米孔径阵列1200由透射通过垂直纳米孔径125，使入射光130、130'、130”指向衬底135的掠射角112'、112”，所述垂直纳米孔径125形成在台面图案化衬底135的台面部分135'的垂直部分127上。在纳米孔径阵列1200中，电极膜115由被纳米孔径125隔开的偏移部分122组成，该纳米孔径125形成在垂直台阶表面127上。垂直台阶表面127定义台面135'的侧壁，如上讨论，该台面135'通过蚀刻衬底135形成。
因此，对于入射角130、130'、130”的广泛范围来说，发明的纳米狭缝阵列可提供光的高通量和倾斜透射的组合到有源层139中，凭借用于给定膜厚度的增加的光程长度，导致吸收增强。换句话说，垂直纳米狭缝阵列使在倾斜入射处光的非互易性透射成为可能。例如当集成到太阳能电池中时，阵列因此在传输和接近完全吸收期间，导致入射光在有源层139中被捕集，并经历多个反射133，如图13a-13c示出。
本发明的纳米光学电极因此解决涉及金属厚度或覆盖率之间矛盾要求的问题，从而一方面提供高导电率，并且另一方面提供传统光伏设计的透明度要求。通过使用本发明的垂直纳米狭缝阵列，掠射角透射和/或传输成为可能，大多数的光可在接近金属/有源层的界面处被吸收，该界面中结型场在太阳能电池中发展。这导致光生载流子改善的收集效率，该光生载流子是用于薄膜太阳能电池的特别重要并有益的特征。
在达到并包括大的倾斜角的入射角广泛范围上的高通量透射，通过使用上述纳米光学电极成为可能。当使太阳能辐照最大化吸收成为可能时，其使得太阳能跟踪没有必要。
根据本发明的倾斜入射操作模式适于城市地区应用。例如在本发明的一个实施例中，垂直纳米狭缝阵列用作太阳能电池上的纳米光学电极，所述太阳能电池集成在光伏面板(PV面板)上。PV面板可安装在建筑物正面、侧壁和屋顶上，凭此提供用于入射太阳能的最大化收集，其中这通常仅在有限的数量和在辐照角度中适用。
用于非偏振光的2D阵列
上面讨论的垂直偶极子金属纳米狭缝阵列结构假设为入射光的TM偏振。然而，非偏振光的TE偏振分量不能在金属上做偶极子振荡的直接激发，并因此不能透射通过狭缝。为解决该问题，即让该偏振分量的掠射角透射也成为可能，如图16中示出的其他的狭缝阵列可形成。在这类2D阵列1600中，所加的光栅矢量垂直于入射平面。对于任何入射角度，E场总是垂直于这所加光栅结构的垂直侧壁。类似于TM的情形，纳米狭缝辐射图案倾向掠射角方向。然而，不像TM的情形，该纳米狭缝透射的传输方向垂直于入射光束方向。2D阵列可包括至少两套1D光栅结构，该光栅结构设计用于非偏振光的耦合(TM和TE两种偏振分量)。例如，1D光栅结构可配置为上述并在图1D中示出的锯齿形轮廓、倾斜取向的结构。至少一个1D光栅结构可在一个方向上延伸，且至少一个其他的1D光栅结构可在不同方向上延伸。1D光栅结构可从共同点延伸并可由0°到90°范围的角隔开。
如图16a中示出，2D纳米孔径阵列结构1600包括在如图16b中示出的第一方向上延伸的1D光栅结构，和在如图16c中示出的第一方向上延伸的其它光栅结构。光栅结构可共享共同的衬底，其使用具有在其上沉积金属层的锯齿形轮廓的上表面形成。
在上述的一些实施例中，膜描述为由衬底支持，但本发明不局限于此。因此，膜可以自身支持。此外，在一些实施例中，倾斜取向的部分可调整到不同的角度，以便透射辐射方向可以调整。此外，衬底可以是弹性或刚性的。
本发明的前面描述已提供用于示出和描述。这不旨在穷举或限制本发明在所公开的精确形式内，且根据以上讲授的修正和变化是可能的，或可以从本发明的实践中获取。所选附图和说明旨在解释本发明的原理及其实际应用。这旨在本发明的保护范围通过在此所附的权利要求和它们的等价物来定义。

Claims (10)

1.一种垂直偶极子阵列结构，其包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个倾斜取向的部分，其中(ⅰ)所述膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个所述倾斜取向的部分由孔径隔开，(ⅲ)所述倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射透射通过所述孔径并在焦点处相长干涉，以及(ⅳ)所述膜不是由负折射率超材料组成。
2.一种光伏器件，其包括电极，所述电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列，其中所述电极被配置成使得入射辐射弯向掠射角方向，而没有通过所述膜的直接透射。
3.一种光伏器件，其包括电极，所述电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列，其中所述电极被配置成使得倾斜入射辐射直接透射通过所述纳米孔径电极，并且直接透射的辐射以掠射角传播通过所述膜。
4.一种2D垂直纳米孔径阵列结构，其包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个倾斜取向的部分，其中(ⅰ)所述膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个所述倾斜取向的部分由孔径隔开，(ⅲ)所述倾斜取向的部分被配置成使得所述阵列不是偏振敏感的。
5.根据权利要求4所述的2D垂直纳米孔径阵列结构，其中至少一个所述孔径是十字形孔径。
6.一种在大区域上形成垂直纳米孔径阵列的方法，其包括对由衬底支持的膜和所述衬底通过全息光刻图案成形，并通过其角度沉积在所述膜上提供金属。
7.一种光伏器件，其包括(A)镜膜，(B)形成在所述镜膜上的膜，和(C)包括形成在所述膜上的垂直纳米孔径阵列的电极，其中所述电极、膜和镜膜被配置作为Fabry-perot腔结构。
8.根据权利要求7所述的光伏器件，其中所述电极和镜膜被配置成使得透射的光被所述镜膜反射。
9.一种2D垂直纳米孔径阵列结构，其包括形成在膜上的至少第一1D光栅结构，和形成在所述膜上的至少第二1D光栅结构，其中所述第一和所述第二1D光栅被配置成使得非偏振光耦合到所述膜中。
10.根据权利要求9所述的2D垂直纳米孔径阵列结构，其中所述第一1D光栅结构和所述第二1D光栅结构中的每个是垂直纳米孔径阵列结构。
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