CN107797167A - 一种超宽带光学完美吸收器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带光学完美吸收器及其制备方法，包括衬底，所述衬底上从下往上依次设置氮化钛膜层、介质膜层和氮化钛‑氧化钛结构层；所述氮化钛‑氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列，所述氮化钛颗粒阵列设置在所述介质膜层的上表面，所述氧化钛颗粒阵列设置在所述氮化钛颗粒阵列的上表面。通过氮化钛和氧化钛材料本身对不同波长的光有很好的吸收作用，结合所述氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列实现了覆盖紫外‑可见‑近红外波段的超宽带吸收。

Description

一种超宽带光学完美吸收器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种超宽带光学完美吸收器及其制备方法。

背景技术

自2008年，电磁波完美吸收器或光学完美吸收器的研究获得了国内外研究者的广泛关注。在结构中，通过电磁共振现象实现了结构在共振波长处既没有反射(反射率接近0)也没有透射(透射率为0)，从而根据吸收A＝1-R-T(其中A代表吸收率，R代表反射率，T代表透射率)的定义可以得到吸收率A接近100％的完美吸收，在基于金属-介质(或绝缘材料)-金属的三层电磁共振结构体系或超材料体系实现了从微波频段到可见光波段的完美吸收响应。

但是上述的光学完美吸收器只能吸收单一共振波长的电磁波，是窄带的光吸收，通过使用不同尺寸的结构单元阵列或者构建由多个不同尺寸大小的亚单元组成的一个复合共振单元的结构体系，再基于每个尺寸阵列或尺寸单元各自支持的共振频率，从而在频谱上叠加不同共振频率的光吸收，实现红外波段的宽带光吸收。

中国发明专利公开了一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，但该吸收涂层的吸收光谱范围仅限于可见-近红外波段，具备高吸收效率的波长范围窄且结构复杂需紧密配置吸热体、减反层和吸收层等结构单元。但是，基于该发明体系的多膜层结构特性难以产生多波段的光学共振吸收，因为无法进一步拓展吸收带宽，也无法实现覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带光学完美吸收器。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带光学完美吸收器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底，所述衬底上从下往上依次设置氮化钛膜层、介质膜层和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列，所述氮化钛颗粒阵列设置在所述介质膜层的上表面，所述氧化钛颗粒阵列设置在所述氮化钛颗粒阵列的上表面。

可选的，所述氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；

所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形。

可选的，多个所述氮化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氮化钛颗粒阵列；

多个所述氧化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氧化钛颗粒阵列。

可选的，所述氮化钛膜层的厚度大于或等于50纳米。

可选的，所述介质膜层的材料为石英、四氟乙烯、氟化镁、聚合物中的至少一者。

可选的，所述衬底的材料为硅片、玻璃、石英、柔性材料、聚合物中的至少一者。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种超宽带光学完美吸收器的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括：

在所述衬底上制备氮化钛膜层；

在所述氮化钛膜层的上表面采用物理沉积沉积一层介质膜层；

在所述介质膜层的上表面采用物理沉积方法沉积一层氮化钛膜层；

在所述氮化钛膜层上表面采用物理沉积方法沉积一层氧化钛膜层；

将所述氮化钛膜层和所述氧化钛膜层同时刻蚀获得所述氮化钛颗粒阵列和所述氧化钛颗阵列。

可选的，所述在所述衬底上制备氮化钛膜层的制备方法为化学生长方法或物理沉积方法。

可选的，所述物理沉积方法为磁控溅射镀膜方法、热蒸发镀膜方法、激光脉冲沉积方法或离子束溅射沉积方法。

可选的，所述刻蚀为激光光刻、电子束刻蚀或离子束刻蚀。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种超宽带的光学完美吸收器及制备方法，在衬底上依次设置氮化钛膜层、介质膜层和氮化钛-氧化钛结构层，由于氮化钛和氧化钛材料本身对不同波长的光有很好的吸收作用，结合所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列，通过将氮化钛颗粒和氧化钛颗粒设置为矩阵的结构，使得氮化钛-氧化钛结构层具备了多波段、强电磁共振模式，实现了覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带吸收。

所述氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列能够提供在不同波段的光学共振耦合模式，实现在不同光谱范围的电磁共振吸收。此外，氮化钛和氧化钛材料本身在不同光谱范围上也对应有较强的内在吸收特性。因而本发明在充分运用不同介质材料本身的光学吸收响应以及氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列所引入的光学共振模式，实现了覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带光学完美吸收。

所述光学完美吸收器的结构由介质材料组成，有效避免了以往常见的基于金属颗粒阵列、多元金属共振阵列复合结构体系组成的光学完美吸收器所无法克服的内在金属欧姆损耗和热效应。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超宽带的光学完美吸收器的主视图；

图2为本发明超宽带的光学完美吸收器中氮化钛-氧化钛结构层的俯视图；

图3为实施例1中的超宽带的光学完美吸收器的光吸收图；

图4为实施例2中的超宽带的光学完美吸收器的光吸收图；

图5为实施例3中的超宽带的光学完美吸收器的光吸收图；

图6为实施例4中的超宽带的光学完美吸收器的光吸收图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带光学完美吸收器及其制备方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明超宽带的光学完美吸收器的主视图，如图1所示，本发明提供了一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底1，所述衬底1上从下往上依次设置氮化钛膜层2、介质膜层3和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4设置在所述介质膜层3的上表面，所述氧化钛颗粒阵列5设置在所述氮化钛颗粒阵列4的上表面，所述氮化钛颗粒阵列4和所述氧化钛颗粒阵列5具有很强的光学共振与等离激元共振模式，并能在不同的波段产生电磁共振耦合，结构简单，实现了紫外-可见-近红外波段的超宽带的光学完美吸收。

通过调整所述氮化钛-氧化钛结构层的几何尺寸实现对共振模式的调控，获得了不同工作波长范围的超宽带光学完美吸收。

氮化钛-氧化钛结构层共振单元，具有紫外-可见-近红外波段的超宽带光学完美吸收器的特性，在紫外光滤波、红外探测、太阳能抗反射涂料以及热辐射器等领域都具有广泛的应用前景。

如图1所示，所述氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；

所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形。

图2为本发明超宽带的光学完美吸收器中氮化钛-氧化钛结构层的俯视图。如图2所示，所述多个氮化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氮化钛颗粒阵列4；所述多个氧化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氧化钛颗粒阵列5。

可选的，所述氮化钛膜层2的厚度大于或等于50纳米。

可选的，所述介质膜层3的材料为石英、四氟乙烯、氟化镁、聚合物中的至少一者。

可选的，所述衬底1的材料为硅片、玻璃、石英、柔性材料、聚合物中的至少一者。

所述超宽带光学完美吸收器全部由介质材料组成，有效避免了以往常见的基于金属颗粒阵列、多元金属共振阵列复合结构等体系组成的光学完美吸收器所无法克服的内在的金属欧姆损耗和热效应的问题。

为实现上述目的，本发明还提供一种超宽带光学完美吸收器的制备方法，所述制备方法具体包括：

在所述衬底1上制备氮化钛膜层2；

在所述氮化钛膜层2的上表面采用物理沉积方法沉积一层介质膜层3；

在所述介质膜层3的上表面采用物理沉积方法沉积一层氮化钛膜层；

在所述氮化钛膜层上表面采用物理沉积方法沉积一层氧化钛膜层；

将所述氮化钛膜层和所述氧化钛膜层同时刻蚀获得所述氮化钛颗粒阵列4和所述氧化钛颗阵列5。

可选的，在所述衬底1上制备氮化钛膜层2的制备方法为化学生长方法或物理沉积方法。

可选的，所述物理沉积方法为磁控溅射镀膜方法、热蒸发镀膜方法、激光脉冲沉积方法或离子束溅射沉积方法。

可选的，所述刻蚀为激光光刻、电子束刻蚀或离子束刻蚀。

实施例1

一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底1，所述衬底1的材料为硅片，所述衬底1上从下往上依次设置氮化钛膜层2、介质膜层3和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛膜层2的厚度为100纳米，所述介质膜层3的材料为二氧化硅，所述介质膜层3的厚度为50纳米；氮化钛-氧化钛结构层的厚度为50纳米。

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4设置在所述介质膜层3的上表面，所述氧化钛颗粒阵列5设置在所述氮化钛颗粒阵列4的上表面。

如图1所示，所述氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒和所述氮化钛颗粒的直径均为220纳米。

如图2所示，所述多个氮化钛颗粒按照矩阵排列，获得所述氮化钛颗粒阵列4；所述多个氧化钛颗粒按照矩形阵列排布，所述矩形阵列为四方阵列，获得所述氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4和所述氧化钛颗粒阵列5的边长为300纳米。

从图3的光谱图中看出，光学完美吸收器的透射率在整个光谱范围内都趋近于0，在一个超宽带波段内产生了很强的抗反射，反射率极低，结合吸收率的定义得到吸收率接近100％的完美吸收，在1.191微米波段，最大吸收率也达到了99％，而光谱范围从0.315微米到1.430微米内的吸收率都超过了90％，实现了紫外-可见-近红外波段的超宽带的完美吸收响应。

实施例2

一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底1，所述衬底1的材料为石英，所述衬底1上从下往上依次设置氮化钛膜层2、介质膜层3和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛膜层2的厚度为250纳米，所述介质膜层3的材料为二氧化硅，所述介质膜层3的厚度为50纳米；氮化钛-氧化钛结构层的厚度为50纳米。

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4设置在所述介质膜层3的上表面，所述氧化钛颗粒阵列5设置在所述氮化钛颗粒阵列4的上表面。

如图1所示，所述氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒和所述氮化钛颗粒的直径均为250纳米。

如图2所示，所述多个氮化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氮化钛颗粒阵列4；所述多个氧化钛颗粒按照矩形阵列排布，所述矩形阵列为四方阵列，获得所述氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4和所述氧化钛颗粒阵列5的边长为300纳米。

从图4的光谱图中看出，光学完美吸收器在1.503微米波段，最大吸收率达到了99％，在光谱范围从0.315微米到1.885微米内的吸收率都超过了80％，在光谱范围从0.537微米到1.752微米内的吸收率都超过90％，实现了紫外-可见-近红外波段的超宽带的完美吸收响应。

通过改变氮化钛颗粒和氧化钛颗粒的大小，也实现了一个覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带的光学完美吸收响应，并且氮化钛膜层厚度的增大不会影响超宽带的光学完美吸收。

实施例3

一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底1，所述衬底1的材料为聚二甲基硅氧烷，所述衬底1上从下往上依次设置氮化钛膜层2、介质膜层3和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛膜层2的厚度为100纳米，所述介质膜层3的材料为四氟乙烯，所述介质膜层3的厚度为50纳米；氮化钛-氧化钛结构层的厚度为50纳米。

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4设置在所述介质膜层3的上表面，所述氧化钛颗粒阵列5设置在所述氮化钛颗粒阵列4的上表面。

如图1所示，所述氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒和所述氮化钛颗粒的直径均为220纳米。

如图2所示，所述多个氮化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氮化钛颗粒阵列4；所述多个氧化钛颗粒按照矩形阵列排布，所述矩形阵列为四方阵列，获得所述氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4和所述氧化钛颗粒阵列5的边长为300纳米。

从图5的光谱图中看出，光学完美吸收器在光谱范围从0.310微米到1.334微米内的吸收率都超过了80％，实现了紫外-可见-近红外波段的超宽带的完美吸收响应。

实施例4

一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底1，所述衬底1的材料为聚苯乙烯，所述衬底1上从下往上依次设置氮化钛膜层2、介质膜层3和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛膜层2的厚度为100纳米，所述介质膜层3的材料为聚二甲基硅氧烷，所述介质膜层3的厚度为50纳米；氮化钛-氧化钛结构层的厚度为50纳米。

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4设置在所述介质膜层3的上表面，所述氧化钛颗粒阵列5设置在所述氮化钛颗粒阵列4的上表面。

如图1所示，所述氮化钛颗粒阵列4和氧化钛颗粒阵列5包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒和所述氮化钛颗粒的直径为220纳米。

如图2所示，所述多个氮化钛颗粒按照矩阵排列，获得所述氮化钛颗粒阵列4；所述多个氧化钛颗粒按照矩形阵列排布，所述矩形阵列为四方阵列，获得所述氧化钛颗粒阵列5，所述氮化钛颗粒阵列4和所述氧化钛颗粒阵列5的边长为300纳米。

从图6的光谱图中看出，光学完美吸收器在1.238微米波段，最大吸收率也达到了97％，而光谱范围从0.315微米到1.474微米内的吸收率都超过了90％，实现了紫外-可见-近红外波段的超宽带的完美吸收响应。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超宽带光学完美吸收器，包括衬底，其特征在于，所述衬底上从下往上依次设置氮化钛膜层、介质膜层和氮化钛-氧化钛结构层；

所述氮化钛-氧化钛结构层包括氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列，所述氮化钛颗粒阵列设置在所述介质膜层的上表面，所述氧化钛颗粒阵列设置在所述氮化钛颗粒阵列的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带光学完美吸收器，其特征在于，所述氮化钛颗粒阵列和氧化钛颗粒阵列包括多个氮化钛颗粒，多个氧化钛颗粒；

所述氮化钛颗粒为圆柱形，所述氧化钛颗粒为圆柱形。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带光学完美吸收器，其特征在于，所述多个氮化钛颗粒按照矩形阵列排布，获得所述氮化钛颗粒阵列；

多个所述氧化钛颗粒按照矩形阵列排列，获得所述氧化钛颗粒阵列。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带光学完美吸收器，其特征在于，所述氮化钛膜层的厚度大于或等于50纳米。

5.根据权利要求1所述的一种超宽带光学完美吸收器，其特征在于，所述介质膜层的材料为石英、四氟乙烯、氟化镁、聚合物中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带光学完美吸收器，其特征在于，所述衬底的材料为硅片、玻璃、石英、柔性材料、聚合物中的至少一者。

7.一种超宽带光学完美吸收器的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括：

在所述衬底上制备氮化钛膜层；

在所述氮化钛膜层的上表面采用物理沉积方法沉积一层介质膜层；

在所述介质膜层的上表面采用物理沉积方法沉积一层氮化钛膜层；

在所述氮化钛膜层上表面采用物理沉积方法沉积一层氧化钛膜层；

将所述氮化钛膜层和所述氧化钛膜层同时刻蚀获得所述氮化钛颗粒阵列和所述氧化钛颗阵列。

8.根据权利要求7所述的一种超宽带光学完美吸收器的制备方法，其特征在于，在所述衬底上制备氮化钛膜层的制备方法为化学生长方法或物理沉积方法。

9.根据权利要求7所述的一种超宽带光学完美吸收器的制备方法，其特征在于，所述物理沉积方法为磁控溅射镀膜方法、热蒸发镀膜方法、激光脉冲沉积方法或离子束溅射沉积方法。

10.根据权利要求7所述的一种超宽带光学完美吸收器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀为激光光刻、电子束刻蚀或离子束刻蚀。