CN107121715A - 一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法 - Google Patents

一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法，所述吸收体包括SiO2衬底，所述SiO2衬底的上表面具有多孔阵列结构，Si层，形成在所述多孔阵列结构上，Cr层，形成在所述Si层之上，所述吸收体包括三层系统，底层是由SiO2衬底包围的Si柱的阵列，中间层是由Si层包围的Cr柱的阵列，以及顶层是多孔阵列的Cr层。本发明所提出的耦合米氏共振的超表面完美吸收器具有良好的宽带宽角度吸收性能，器件结构简单、超薄且易于集成制作和大面积制作，在太阳能电池和薄膜工业中具有许多重大的潜在应用。

Description

一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体 及其制备方法
技术领域
本发明涉及光吸收技术领域，特别是涉及一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法。
背景技术
完美吸收体对于光通信、宽带薄膜热发射器、热光伏电池和光伏电池有着重要的潜在应用。经典的光吸收体是利用材料的自然吸收特性，使用交替的复合薄膜来达到光吸收的效果，其通常具有窄的工作带宽和低效率。2008年，Landy等人提出电磁超材料完全吸收体，由开环金属和金属线组成，用于小入射角的单波长微波吸收。为了提高电磁超材料完全吸收体的性能，Avitzour在2009年证明，在1500nm的工作波长下，s偏振波的吸收率在宽达45°的宽入射角内超过80%。2013年，Zhong等人进一步将入射角扩大到60°，同时保持吸收率高于93%，工作频率为1.74 GHz。同样，具有与偏振无关特性的电磁超材料完全吸收体也相继被提出。上述电磁超材料完全吸收体工作带宽很窄，它们通常仅在单个谐振波长工作，这严重限制了他们的应用。为了拓宽工作带宽，在一个周期性单元中采用不同的几何形状，使得可以产生不同波长的多谐振。然而，这些结构的吸收性能由于耦合效应而受到损害的不同波长的谐振，与在单个波长工作的谐振相比，只有一对电和磁谐振子完全吸收所有入射电磁辐射。Tsakmakidis等人提出了“彩虹吸收”的完美吸收体，他们利用了负的古斯-汉欣横向位移的效应，采用脊的宽度从顶部到底部逐渐增加的锯齿状多层结构，不同高度处存在不同波长光的吸收。在红外或甚至更长的波长带。由于几何形状的不对称性，锯齿形多层结构只能用于吸收横磁波。为了实现与偏振无关吸收功能，进一步提出金字塔状结构以同时吸收横磁波和横电波，对于从1μm到14μm的波长的吸收可以超过90%。这些吸收器层数过多，结构较复杂。
近年来，米氏共振已经引起了大量的关注并且已经在完美吸收器中使用。Bezares等人研究了基于米氏共振的硅纳米柱的吸收行为，发生谐振的光的反射率接近零，但在其他波长相当高。Yang等人提出了一种Si纳米盘吸收体，以实现滤色，其中具有不同参数的Si纳米盘吸收不同波长的光，从而可以获得不同的反射颜色。为了增加吸收带，Wang等人用Si纳米锥替代Si纳米柱以实现完美的宽带吸收。在该吸收器中，通过纳米锥从顶点到基底的直径调节米氏共振模式，但是纳米锥的制作工艺非常困难。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法，耦合的米氏共振由超表面结构中的电介质和金属柱产生，电介质和金属的米氏共振在不同波长处互补地发生，从而实现宽带吸收。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，包括： SiO2衬底，所述SiO2衬底的上表面具有多孔阵列结构，Si层，形成在所述多孔阵列结构上，Cr层，形成在所述Si层之上，所述吸收体包括三层系统，底层是由SiO2衬底包围的Si柱的阵列，中间层是由Si层包围的Cr柱的阵列，以及顶层是多孔阵列的Cr层。
作为一种改进的方案，所述多孔阵列结构的孔的高度、所述Si层的厚度以及所述Cr层的厚度三者相同。
作为一种改进的方案，所述多孔阵列结构的周期为250±5nm，所述多孔阵列结构的孔的高度为67±5nm，孔的直径为160±5nm。
作为一种改进的方案，所述Si层的厚度为67±5nm，所述Cr层的厚度为67±5nm。
作为一种改进的方案，入射角的范围为0°至70°。
本发明还提出一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体的制备方法，包括：在SiO2衬底上形成掩膜板；利用掩膜板刻蚀所述SiO2衬底的上表面以形成多孔阵列结构；去除残留的掩膜板；依次沉积Si层和Cr层。
作为一种改进的方案，在SiO2衬底上形成掩膜板的步骤包括：将光刻胶旋涂在SiO2衬底上，然后，利用双光束干涉曝光法将光刻胶层光刻成形为多孔阵列结构，将显影后的光刻胶图层作为掩膜版。
作为一种改进的方案，所述刻蚀的方法为反应离子束刻蚀，去除残留的掩膜板的方法为在丙酮中的超声清洗，沉积Si层和Cr层的方法均为磁控溅射法。
本发明的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，使用Si和金属铬（Cr）的集成纳米柱，适当地调整电介质柱和金属柱的周期和几何形状，可以实现在整个可见光波段（400nm至760nm）中的实现与偏振无关吸收。在入射角小于70°的范围内，平均吸收效率可达95.8%（模拟吸收率：97.5%）。我们利用双光束干涉光刻、反应离子蚀刻和溅射涂层沉积进行制作，获得大面积纳米级器件。基于耦合米氏共振的超表面完全吸收器可以在整个可见光波段实现宽角度的高效吸收，并且与入射光偏振特性无关。器件制作工艺简单，易于实现大面积的制作。
附图说明
图1是本发明的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收体的结构示意图；
图2是本发明的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收体的仿真结果；
图3是本发明的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收器的制备流程图及电镜图像；
图4是本发明的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收器的实物图像及测试光路；
图5是本发明的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收体的测试结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提出的耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收体的结构图如图1所示，图1(a)为吸收体的剖面图，1(b)吸收体的整体效果图。在SiO2衬底上刻蚀高度H、直径为d的多孔阵列结构，然后将具有相同高度H的电介质Si层和金属Cr层相继沉积到整个结构上。所提出的吸收器为三层系统，其中底层是由SiO2包围的Si柱的阵列，中间层是由Si包围的Cr柱的阵列，以及顶层是圆形孔阵列的Cr层。应当注意，其他几何形状（例如正方形）的硅柱和金属柱的集成阵列也可以实现类似的性能，但是需要细致地优化几何参数，并且如果实现与偏振无关的吸收，需要要求形状是横轴、纵轴对称的。我们选择圆柱形状，因为它很容易制造并且各向同性。
通过使用有限差分时域方法（FDTD）（Lumerical FDTD Solutions，Canada）来模拟所提出的吸收体的光学性能。在模拟中，使用具有沿着所有方向的10nm的网格尺寸的3D模式，网格精度设置为3，收敛精度设置为 1*10-5。所提出的结构为圆柱形，各向同性，因此吸收体的性能与入射光的偏振取向无关。在模拟中，偏振光（沿X轴偏振）从基板沿Z方向入射到结构上。经过优化后的结构参数为：H = 67nm，P = 250nm和d = 160nm，模拟结果如图2所示。光吸收由1-T-R计算，其中T是透射率，R是反射率，可以直接从模拟中获得。从图2(a)可以看出，在400至760nm的整个可见光范围内平均吸收为97.5%，在531nm的波长处达到99.9%，在可见光波长范围内显示出优异的吸收性能，此外，所提出的耦合米氏共振的超表面完美吸收体在宽角度入射时同样具有优良的吸收性能，入射角对吸收性能的影响如图1(b)所示，当入射角增加到70˚时，吸收体在整个可见波长范围内仍能很好地起作用，平均吸收率为93%，这表明了器件的优异的角度特性。当入射角大于70度时，吸收能力降低，这是因为米氏共振的条件（例如几何取向和纳米柱结构的有效尺寸）被破坏，由此优选的入射角是0°至70°。
基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收器的制备流程如图3(a)所示，首先，将大约200nm高度的光刻胶旋涂在SiO2衬底上（步骤1）。然后，利用双光束干涉曝光法将光刻胶层光刻成形为多孔阵列结构。将显影后的光刻胶图层作为掩膜版，利用反应离子束刻蚀将SiO2衬底表面刻蚀为圆孔阵列（步骤3）。在丙酮中的超声清洗，除去残留的光刻胶（步骤4）。最后，通过磁控溅射沉积Si和Cr涂层（步骤5和6）。图3（b）和（c）为光刻胶圆孔阵列的俯视电镜图像，图3(d)和(e)为光刻胶圆口阵列的侧视电镜图像，圆孔的高度为151nm，阵列周期为250nm，圆孔底部直径为155nm，顶部直径为168nm。图3（c）和（d）分别示出了SiO2衬底中的圆孔的俯视图和侧视图，其中孔的高度为67±5nm，孔阵列的周期为250±5nm，孔直径为160±5nm，从顶部到底部的差异可以忽略不计，与设计参数一致，作为优选，所述Si层的厚度为67±5nm，所述Cr层的厚度为67±5nm。
图4（a）示出了在自然环境（即，白光环境）下拍摄的吸收体的照片，容易观察到基片中心的“黑色区域”，该区域是结构所在的位置。容易看出，在存在结构的黑色区域周围的白灰色外观反射。图4（b）为检测装置示意图，使用工作在整个可见波段中的超连续激光器（Fianium，SC450）和光电探测器（Thorlabs，PAX5710IR1-T）在400至760nm波长范围内，逐波长测量的吸收器的透射T和反射R，由1-R-T计算器件的吸收效率。图5（a）为在整个可见光波长范围内器件的测量吸收曲线。在整个可见光波段的平均吸收率为95.8%，与理论值为97.5%相一致。图5（b）为制作的器件的角行为。可以看出，当入射角为70°时，吸收率较高，平均为91.2%，与理论结果一致，由此优选的入射角是0°至70°。
本发明所提出的耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完美吸收器将来自电介质Si纳米柱和金属Cr纳米柱的米氏共振耦合在一起，突破了常规纳米柱阵列的单波长吸收体的限制，实现了宽入射角、整个可见光波段（400nm至760nm）的与偏振无关的完美吸收。使用双光束干涉光刻，反应离子蚀刻和磁控溅射沉积制作的硅和金属柱的集成阵列，在入射角小于70°的范围内，平均吸收效率在90%以上。所提出的耦合米氏共振的超表面完美吸收器具有良好的宽带宽角度吸收性能，器件结构简单、超薄且易于集成制作和大面积制作，在太阳能电池和薄膜工业中具有许多重大的潜在应用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，其特征在于：包括：SiO2衬底，所述SiO2衬底的上表面具有多孔阵列结构，Si层，形成在所述多孔阵列结构上，Cr层，形成在所述Si层之上，所述吸收体包括三层系统，底层是由SiO2衬底包围的Si柱的阵列，中间层是由Si层包围的Cr柱的阵列，以及顶层是多孔阵列的Cr层。
2.如权利要求1所述的一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，其特征在于：所述多孔阵列结构的孔的高度、所述Si层的厚度以及所述Cr层的厚度三者相同。
3.如权利要求1所述的一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，其特征在于：所述多孔阵列结构的周期为250±5nm，所述多孔阵列结构的孔的高度为67±5nm，孔的直径为160±5nm。
4.如权利要求3所述的一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，其特征在于：所述Si层的厚度为67±5nm，所述Cr层的厚度为67±5nm。
5.如权利要求1所述的一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，其特征在于：入射角的范围为0°至70°。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体的制备方法，其特征在于：包括：在SiO2衬底上形成掩膜板；利用掩膜板刻蚀所述SiO2衬底的上表面以形成多孔阵列结构；去除残留的掩膜板；依次沉积Si层和Cr层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在SiO2衬底上形成掩膜板的步骤包括：将光刻胶旋涂在SiO2衬底上，然后，利用双光束干涉曝光法将光刻胶层光刻成形为多孔阵列结构，将显影后的光刻胶图层作为掩膜版。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述刻蚀的方法为反应离子束刻蚀，去除残留的掩膜板的方法为在丙酮中的超声清洗，沉积Si层和Cr层的方法均为磁控溅射法。
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