CN106785475A

CN106785475A - 一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料

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Publication number: CN106785475A
Application number: CN201611243901.9A
Authority: CN
Inventors: 文岐业; 史中伟; 刘浩天; 陈智; 文天龙; 杨青慧; 张怀武; 涂翔宇; 刘洋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明属于电磁功能材料技术领域，具体提供一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，用以克服现有太赫兹波吸收器件吸收带宽窄、制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂的缺陷；本发明太赫兹波宽带吸收材料包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。通过该硅纳米针阵列结构制作的太赫兹波吸收材料，结构简单，在0.2THz～1.2THz范围内，对太赫兹波的吸收率高达90％；采用简易金属辅助的化学刻蚀方法制备，制备工艺简单，成本低廉。

Description

一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料

技术领域

本发明属于电磁功能材料技术领域，涉及电磁波吸收结构，具体涉及一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波，其波长跨度为30μm～3mm。该频段是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，具有很多优越的特性，在国防军事，卫星通信，医疗诊断等方面显示出了巨大的应用潜力。因此，太赫兹领域的相关研究对国民经济和国家安全有重大的实际意义。

太赫兹波吸收材料在太赫兹波能量捕获、探测、隐身以及构建高性能的太赫兹应用系统方面均有重要应用价值，是国际上研究的一个热点。然而，由于绝大多数自然物质对太赫兹波缺乏有效的电磁响应，因此太赫兹吸收往往依靠复杂的人工电磁结构，如人工电磁超材料和光子晶体。例如，申请号为200910216064.4，发明名称为“一种太赫兹波平面吸收材料”的中国专利，公开了一种具有两个窄带吸收频段，且每个吸收峰均具有80％以上吸收强度的超结构太赫兹波吸收材料，其结构包括衬底、金属反射层、介质层和人工电磁媒质层等多层结构；两个强吸收频段可以提供不同频段的选择吸收和探测，同时可以吸收更大频谱范围的太赫兹辐射，提高了太赫兹波平面吸收材料的性能和效率；但是基于超材料的太赫兹吸收器件，总体上吸收带宽比较窄。又如，2015年，文献“Yan Peng，Ultra-broadbandterahertz perfect absorber by exciting multi-order diffractions in a double-layered grating structure，Optics Express 2032，2015”公开了一种基于双层Si基周期结构的宽带太赫兹波吸收器；这种结构是利用Si衬底制备出周期性的光子晶体结构，每个周期是有两个大小不同的方块堆叠而成，该吸收器在0.59THz～2.58THz的频带内存在三个吸收峰，分别是由空隙共振，一阶和二阶光栅衍射造成的，这三个吸收峰的叠加使得器件在较宽的频带内对太赫兹波的吸收率达到90％。但由于太赫兹波的频率较高，特征尺寸均在微米量级，因此太赫兹器件通常无法使用机械加工的方法进行加工，必须借助复杂的微细加工技术；而以上基于超材料和光子晶体的太赫兹波吸收器，为了提高吸收率和拓展吸收带宽，需要设计极为复杂的多层结构或者嵌套结构，导致其制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂，在很大程度上限制了其实际应用范围。急需研究结构简单，制备方便、成本低廉且具有宽带吸收特性的太赫兹波吸收材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于硅纳米针(Silicon Nano-tip，SiNT)的宽带太赫兹波吸收材料，用以克服现有太赫兹波吸收器件吸收带宽窄、制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂的缺陷；本发明提供一种特殊设计的硅纳米针阵列结构，作为太赫兹波吸收材料，结构简单，在0.2THz～1.2THz范围内，对太赫兹波的吸收率高达90％；采用简易金属辅助的化学刻蚀(Metal-Assisted Chemical Etching，MACE)方法制备，制备工艺简单，成本低廉；能够应用于太赫兹波辐射热测定器，太赫兹隐身技术，太赫兹成像和光谱技术，以及太赫兹热发射器的极有潜力的新型吸收材料。同时，该材料对可见光也具有很高的吸收率，可同时应用于可见光和太赫兹波段。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，其特征在于，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。

进一步的，所述硅纳米针呈上细下粗的垂直针状结构，硅纳米针的直径≤100nm、高度≥5μm，硅纳米针的填充率(filling ratio)为50％～80％。

进一步的，所述硅衬底的厚度为≥300μm。

上述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，在0.2THz～1.2THz的频带内对太赫兹波的吸收率≥90％，对300nm～880nm的可见光同样具有90％以上的吸收效率，因此可同时应用于可见光和太赫兹波段。

从工作原理上讲：

当太赫兹波入射到硅片上时，反射率约为30％，70％的太赫兹波进入硅片，被硅片内部的载流子(电子或空穴)所吸收。本发明提出的硅纳米针阵列，由于其上细下粗的垂直针状结构能够显著降低太赫兹波在界面上的反射，使其反射率低于10％，使得90％及以上的太赫兹波进入吸收材料内部而被完全吸收，因此吸收率能够达到90％以上；其具体吸收过程如图1所示：

当太赫兹波①垂直于硅衬底表面入射到硅纳米针上时，被纳米针内部的载流子所吸收，而部分反射的太赫兹波②入射到硅衬底上，经过纳米针之间的Si衬底反射后又有一部分能量被载流子吸收，而反射太赫兹波③仍然在纳米针阵列内部传播；经过相邻纳米针的第三次反射后，太赫兹波④反射出纳米针阵列；实际上，由于入射光绝大多数情况下是以一定角度入射，这使得太赫兹波通常会经过3次以上的反射，能量几乎全部被吸收，反射波④的能量微乎其微。因此，纳米针在很大程度上将反射的太赫兹波局限于纳米针阵列内部，使得反射率大大降低，显著提高太赫兹波的吸收率。

根据以上原理所知，本发明中，硅纳米针的高度、填充率是影响太赫兹波吸收效率的重要因素。

与其他现有的太赫兹波吸收材料相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，具有宽带强吸收特性，在0.2THz～1.2THz的频带内对太赫兹波的吸收率≥90％；

2、本发明提供的一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，同时对300nm～880nm的激光也具有90％以上的强吸收特性，因此可同时应用于可见光和太赫兹波段；

3、本发明提供的一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，相比于现有的基于超材料和光子晶体的太赫兹波吸收器，具有结构简单、制备工艺简单，成本低廉，易于实现等诸多优势；还可制成与CMOS兼容的大尺寸器件，适合于大规模工业化生产和应用。

附图说明

图1是本发明实施例中太赫兹波垂直于硅衬底表面入射到硅纳米针上的示意图，其中，101表示入射的太赫兹波，102表示硅纳米针阵列，103表示载流子，104表示硅衬底；①、②、③、④表示的是太赫兹波在硅纳米针阵列内部的传播路径。

图2是本发明实施例中硅纳米针阵列的扫描电子显微镜(SEM)断面图。

图3是本发明实施例中所使用的重掺杂硅片和本实施例所制备的硅纳米针样品的紫外-可见光-红外光谱测试曲线，其中以BaSO₄的反射曲线作为基准线。

图4是本发明实施例中所使用的重掺杂硅片和本实施例所制备的硅纳米针样品在0.2THz到1.2THz范围内的反射谱。

图5是本发明实施例中所使用的重掺杂硅片和本实施例所制备的硅纳米针样品在0.2THz到1.2THz范围内的吸收谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，本发明并不局限于该实施例。

本实施例所提供的基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，其结构如图1、图2所示，包括硅纳米针阵列和重掺杂硅衬底两部分。

下面以长度为15μm的n型硅纳米针阵列说明上述吸收材料的制备过程：

步骤一：首先将重掺杂的n型单晶硅片切割成15mm×15mm的正方形，然后将其先后用适当浓度的丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗10分钟，随后用高压氮气将硅片吹干；

步骤二：将清洗过后的硅片放入事先调配好的AgNO₃/HF溶液中浸泡60分钟，使Ag纳米颗粒均匀涂覆在硅片表面，随后放入HF/H₂O₂混合溶液中进行反应，通过控制反应时间的长短获得不同长度的硅纳米针阵列；

步骤三：最后用去离子水和BOE溶液(体积之比为6:1的HF(40％)与NH₃F(49％))去除表面多余金属离子，用高压氮气将样品吹干，即在硅片表面合成了致密排列的硅纳米针阵列。

硅纳米针太赫兹波宽带吸收材料的测试过程：

采用反射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，太赫兹波由飞秒激光泵浦光电导天线产生，垂直于硅衬底表面入射到样品表面，反射波由光电导天线接收。具体操作步骤如下：

步骤一：打开太赫兹时域光谱(TDS)测试设备及其操作软件，并等待设备的TDS峰峰值示数稳定；

步骤二：调节太赫兹发射器的位置，将其与事先准备好的样品架进行对准，并保存此时的TDS数据(空气的TDS谱)作为参考数据；将需要测试的硅纳米针太赫兹波吸收材料置于样品架上，保存样品的TDS数据；

步骤三：通过傅里叶转换获得频域光谱和太赫兹波反射谱，并利用Origin等数据处理软件绘制成测试图。

如图3所示为本实施例所使用的重掺杂硅片与本实施例所制备的硅纳米针样品的紫外-可见光-红外光谱测试曲线(以BaSO₄为全反射参考)。从图中可以看出，硅纳米针对激光的反射率远低于硅片的反射率；激光波长在约1050nm以下时，硅纳米针样品对激光的反射率均低于20％；对于300nm～880nm的激光的反射率低于10％，有明显降低激光反射的作用；由于激光无法透过重掺杂的低阻硅片，所以硅纳米针对于可见光的吸收率≥90％。

如图4所示为本实施例所使用的重掺杂硅片与本实施例所制备的硅纳米针样品在太赫兹时域光谱系统上测得的反射谱。从图中可以看出，重掺杂低阻硅片在0.2THz～1.2THz范围内的反射率在20％～30％，而硅纳米针的反射率≤10％，反射率明显低于重掺杂的低阻硅片。

如图5所示为本实施例所使用的重掺杂硅片与本实施例所制备的硅纳米针样品的吸收谱。根据图4所示的反射率R，不同样品的吸收率A＝1-R-T，忽略重掺杂的低阻硅片对太赫兹波的透射率T，得到图5所示的吸收谱。

综上，本实施例所制备的硅纳米针在0.2THz～1.2THz范围内吸收率≥90％，远远高于本实施例所使用的重掺杂硅片的吸收率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，其特征在于，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。

2.按权利要求书1所述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，其特征在于，所述硅纳米针呈上细下粗的垂直针状结构，硅纳米针的直径≤100nm、高度≥5μm，硅纳米针的填充率为50％～80％。

3.按权利要求书1所述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，其特征在于，所述硅衬底的厚度为≥300μm。

4.按权利要求书1所述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，其特征在于，所述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，在0.2THz～1.2THz的频带内对太赫兹波的吸收率≥90％，对300nm～880nm的可见光同样具有90％以上的吸收效率。