CN105480931B - 一种可见光双向吸收体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本发明公开了一种可见光双向吸收体结构。该吸收体结构制备步骤如下：(1)利用纳米加工技术在基底材料上制备二维纳米阵列单元，纳米结构单元周期为100‑200 nm，纳米结构单元底部宽度与周期的比值小于0.4，纳米结构单元的高度与单元底部宽度的比值大于1.5；(2)在二维纳米结构单元上蒸镀或溅射一层厚度为5‑20nm的金属层；(3)在上述金属层上蒸镀或溅射一层厚度为5‑20 nm的介质层。本发明实现了可见光的双向近完美吸收，具有结构简单、材料消耗少、广角的特性，在光电探测器、及隐身伪装等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种可见光双向吸收体结构
技术领域
本发明涉及电磁波吸收结构，特别涉及一种可见光双向吸收体结构，可应用于热光伏器件、光电探测器和可见光区域伪装、隐身等领域。
背景技术
2008年，Landy, N. I.在期刊《Physical review letters》上发表研究论文，首次提出了单波长吸收率为100%的完美吸收体结构。此后，人们一直致力于探索一种宽波段和广角度的完美电磁吸收体结构，因为这类宽波段电磁吸收体在热光伏器件、光电探测器、以及隐身伪装等领域具有潜在的、巨大的应用潜力。特别是可见光频段的完美吸收体还可以应用于热影像技术、无油墨印刷及可调节热光伏器件等。因此，可见光频段的完美吸收体研究引起了广大科技工作者的极大研究兴趣。例如：Mihail Bora等在周期为350 nm的Si纳米线上沉积金属，在波长400-800 nm的可见光频段平均吸收率达到75%以上[ AppliedPhysics Letters, 102(25), 251105]。Mehdi, K. H等在石英基底上依次沉积100 nm厚的Au，25 nm厚的SiO2 ，20 nm厚的Au和SiO2的纳米复合颗粒，在400-750 nm的可见光频段实现了接近100%的电磁吸收率[Advanced Materials, 23(45), 5410-5414]。M. K. Hedayati等基于Mehdi, K. H的设计思路，基于相同的设计思路，在石英基底上依次沉积100 nm厚的Cu，20 nm厚的SiO2，20 nm厚的Cu和聚四氟乙烯(PTFE)的纳米混合颗粒层，在300-800 nm的可见光频段实现了97%的光吸收率[Applied Physics A,109(4), 769-773]。公开号为CN104849783A的中国发明专利[基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体及其加工方法]提出了衬底-金属层(大于100 nm)-介电层结构的光吸收体结构，实现了可见光及红外波段高效电磁吸收。授权公告号为CN101740722B的中国发明专利[一种宽波段的近完美吸收结构]提出采用金属球粒子-有机介质-金属膜三层结构，通过优化周期和粒子直径，实现了可见光区域的宽波段吸收，但该结构吸收的电磁并未转化成欧姆热，而是被有机介质吸收，与真正意义的光吸收体是有明显区别和差异的。授权公开号为CN101724811B的中国发明专利[一种基于亚波长金属孔阵列的电磁吸收体]提出了金属膜(大于50 nm)-亚波长介质柱-金属膜三层结构，实现了可见光区域广谱电磁吸收。然而，目前公开报道的文献及专利提出的可见光吸收体结构仅仅能实现一侧入射光的完美吸收，而另一侧入射光则不能被吸收，导致光吸收体的吸收效率固有受限，不可避免地造成了光能量的浪费。换言之，已公开的可见光吸收体结不能同时实现双向入射光完美吸收。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术不足，克服现有可见光吸收体结构仅能单方向吸收电磁波的缺点，提出一种可见光双向吸收体结构，在可见光频段达到双向、广角、高效电磁吸收，实现了整个器件总吸收效率的剧增。
本发明解决现有技术不足的所采用的技术方案是：一种可见光双向吸收体，其特征在于所述的结构制作步骤如下：
(1) 利用纳米加工技术在基底材料上制备二维纳米阵列单元，纳米结构单元周期为100-200 nm，纳米结构单元底部宽度与周期的比值小于0.4，纳米结构单元的高度与单元底部宽度的比值大于1.5；
(2) 在二维纳米结构单元上蒸镀或溅射一层厚度为5-20 nm的金属层；
(3) 在上述金属层上蒸镀或溅射一层厚度为5-20 nm的介质层。
优选的，所述的步骤(1)中的基底和纳米结构单位材料为石英、聚甲基丙烯酸丁酯、全氟聚醚，聚碳酸酯，紫外光固化胶等透明材质。
优选的，所述的步骤(1)中的二维纳米阵列单元为周期、准周期或随机分布。
优选的，所述的步骤(2)中的金属为金或者镍。
优选的，所述的步骤(3)中的介质为Si3N4或者SiO2。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明通过技术方案中各个步骤的组合，可与本领域内公知的微纳加工技术相结合，同时实现双向可见光吸收，具有结构简单、材料消耗少、广角的特性，在光伏器件、光电探测器、热影像技术、无油墨印刷、以及隐身伪装等领域具有潜在的、巨大的应用潜力。
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，下面描述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而言，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为本发明可见光双向吸收体结构示意图。
图2为本发明实施例一中纳米结构单元的SEM图。
图3a、b分别为本发明实施例一的正向入射和反向入射时的光吸收/反射/透射测试图。
图4a、b分别为本发明实施例一的正向入射和反向入射时(30°和60°)的吸收率测试图。
图5为本发明实施例一的可见光双向吸收体结构实物效果照片。
图6为本发明实施例二的垂直正向入射和垂直反向入射时的吸收率测试图。
图7为本发明实施例三的垂直正向入射和垂直反向入射时的吸收率测试图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细介绍。但这些实施例仅限于解释本发明，而且本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下根据这些具体实施方式所做出的结构、方法或功能上的变换均应包含在本发明的保护范围内。
本发明公开了一种可见光双向吸收体结构。参见图1所示，该双向吸收体结构包括透明基底1，位于基底上的纳米结构单元2，位于纳米结构单元上的金属层3，位于金属层上的介质层4，纳米结构单元的周期P在100 -200 nm之间，纳米结构单元高度H1与底部宽度d的比值大于1.5，金属层厚度(H2-H1)在5-20 nm之间，介质层厚度(H3-H2)在5-20 nm之间。该双向吸收体可同时从正向5和反向6高效吸收可见光频段电磁场。
实施例一:
本实施例的一种可见光双向吸收体的制作过程如下：
(1) 采用聚对苯二甲酸乙二醇酯作为基底材料，利用我们前期公开报道的本领域的公知技术-软纳米压印技术(Advanced Functional Materials, 25(18), 2660-2668)，在基底上制备材质为紫外光固化胶的纳米结构单元(如图2所示)，纳米结构单元周期为P =180 nm，高度为H1=300 nm，底部宽度为d=65 nm；
(2) 采用热蒸镀方法在上述纳米结构单元上蒸镀一层金属Au, 厚度(H3-H2) =20nm；
(3) 采用磁控溅射方法在金属层Au上制作介质层氮化硅膜(Si3N4), 厚度(H3-H2)=18 nm。
最终，如图3a所示，得到的可见双向吸收体器件的在整个段300 nm-800 nm可见光波段的正向平均吸收率为88.3%，相应的反向平均吸收率为77.6% (如图3b所示)。进一步测试该双向光吸收体在不同入射角情况下的吸收率，如图4a，4b所示，入射角θ为30°和60°时的吸收率波动较小，说明本发明提出的双向光吸收体结构具有广角特性。因而，本实施例制备的器件在环境光下呈现出近完美的黑色(如图5所示)，更为重要的是，相比于其他传统的单向光吸收体，反向吸收率的出现和增加，实现了整个器件总吸收效率的剧增。
实施例二:
本实施例的一种可见光双向吸收体的制作过程如下：
(1) 纳米结构单元制备同实施例一中的步骤(1)；
(2) 采用测控溅射方法在在上述纳米结构单元上制作一层金属Ni, 厚度(H3-H2)=15 nm；
(3) 采用磁控溅射方法在金属层Ni上制作介质层氮化硅膜(Si3N4)的厚度(H3-H2)=10 nm。
结果如图6所示，得到的可见双向吸收体器件的在整个段300 nm-800 nm可见光波段的正向平均吸收率为89.1%，相应的反向平均吸收率为67.4%。
实施例三:
本实施例的一种可见光双向吸收体的制作过程如下：
(1) 采用单晶硅片作为基底材料，采用电子束刻蚀的方法，在单晶硅片上制备了纳米结构单元，周期为P = 120 nm高度为H1=250 nm，底部宽度为d=60 nm；
(2) 采用热蒸镀方法在上述纳米结构单元上蒸镀一层金属Au, 厚度(H3-H2) =15nm；
(3) 采用热蒸镀方法在金属层Au上制作介质层二氧化硅(SiO2), 厚度(H3-H2)=22nm。
测试制备器件的正向和反向吸收率，结果如图7所示，得到的可见双向吸收体器件的在整个段300 nm-800 nm可见光波段的正向平均吸收率为88.1%，相应的反向平均吸收率为64.5%。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

Claims (5)

1.一种可见光双向吸收体结构，其特征在于所述的双向吸收体制作步骤如下：
(1) 利用纳米加工技术在基底材料上制备二维纳米阵列单元，纳米结构单元周期为100-200 nm，纳米结构单元底部宽度与周期的比值小于0.4，纳米结构单元的高度与单元底部宽度的比值大于1.5；
(2) 在二维纳米结构单元上蒸镀或溅射一层厚度为5-20 nm的金属层；
(3) 在上述金属层上蒸镀或溅射一层厚度为5-20 nm的介质层。
2.如权利要求1所述的可见光双向吸收体结构，其特征在于：所述的步骤(1)中的基底和纳米结构单元材料是石英、单晶硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸丁酯、全氟聚醚，聚碳酸酯，和紫外光固化胶中的一种或两种的组合。
3.如权利要求1所述的可见光双向吸收体结构，其特征在于：所述的步骤(1)中的二维纳米阵列单元为周期或准周期分布。
4.如权利要求1所述的可见光双向吸收体结构，其特征在于：所述的步骤(2)中的金属为金或者镍。
5.如权利要求1所述的可见光双向吸收体结构，其特征在于：所述的步骤(3)中的介质为Si3N4或者SiO2。
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