CN107833939B - 二维光子晶体选择性辐射器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维光子晶体选择性辐射器及制备方法，其中包括基体材料和形成于所述基体材料表面的二硅化钛薄膜，所述基体材料为硅材料，所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列，所述二硅化钛薄膜沉积于所述基体材料的表面后形成硅/二硅化钛二维光子晶体。本发明以硅的刻蚀与薄膜沉积技术为基础制备二维光子晶体选择性辐射器，可以充分利用硅基集成电路制备工艺及现有产线，大幅降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及光谱控制技术领域，尤其涉及选择性辐射器技术领域，具体是指一种二维光子晶体选择性辐射器及制备方法。
背景技术
选择性辐射器在热平衡态下的辐射光谱集中在一个或几个波段上，是一种重要的光谱控制器件，在热光伏技术领域有着广泛的应用前景。通过调整选择性辐射器的辐射光谱分布，使其发光波段和光伏电池的响应光谱很好的匹配，可以成功制造出转换效率高的热光伏系统。
光子晶体是具有光子带隙的周期性电介质结构，具有很好的光谱控制特性。将光子晶体应用于热辐射器可以调节辐射光谱的光谱分布，从而大幅提高系统的转换效率。近年来，利用光子晶体的光谱调控特性，人们设计出了各种光子晶体选择性辐射器件(CN106229372B；Hitoshi Sai,Appl.Phys.Letts.2003；Ivan Celanovic,Appl.Phys.Letts.2008)。其中，氧化镱等稀土材料本身具有较好的特征辐射，而钨等金属在较高波长范围内的辐射率较低，这些材料表面制备的二维光子晶体又能增强其在较低波长范围内的辐射率，因此二维光子晶体具有很好的选择辐射特性，受到人们的广泛关注。但是，这些金属及金属氧化物的刻蚀较难，金属钨高深宽比刻蚀工艺仍未能大规模应用，使得二维金属光子晶体选择性辐射器的量产成本很高。
发明内容
本发明提供了一种二维光子晶体选择性辐射器及制备方法，其目的在于克服现有技术中的缺陷，充分利用硅基集成电路制备工艺及现有产线，降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
本发明实施例提供一种二维光子晶体选择性辐射器，包括基体材料和形成于所述基体材料表面的二硅化钛薄膜，所述基体材料为硅材料，所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列，所述二硅化钛薄膜沉积于所述基体材料的表面后形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
可选地，所述二硅化钛薄膜的厚度为10纳米～100纳米。
可选地，所述硅/二硅化钛二维光子晶体在表面形成二维正方点阵结构。
可选地，所述周期性孔洞阵列中的孔洞间距为1微米～2微米。
可选地，所述周期性孔洞阵列中的孔洞大小相同，覆盖所述二硅化钛薄膜后，所述周期性孔洞阵列中的孔洞的内直径为0.6微米～1微米。
可选地，所述周期性孔洞阵列覆盖所述二氧化钛薄膜后，所述周期性孔洞阵列中的孔洞的深度为0.2微米～0.8微米。
可选地，所述二硅化钛薄膜为沉积于所述基体材料的表面，或所述二硅化钛薄膜通过在所述基体材料的表面沉积金属钛薄膜，然后退火生成。
本发明实施例还提供一种二维光子晶体选择性辐射器的制备方法，包括如下步骤：
提供基体材料，所述基体材料为硅材料；
在所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列；
在所述基体材料的表面沉积二硅化钛薄膜，形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
本发明实施例还提供一种二维光子晶体选择性辐射器的制备方法，包括如下步骤：
提供基体材料，所述基体材料为硅材料；
在所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列；
在所述基体材料的表面沉积金属钛薄膜；
通过退火生成二硅化钛薄膜，形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
采用了该发明中的二维光子晶体选择性辐射器及制备方法，以硅的刻蚀与薄膜沉积技术为基础制备二维光子晶体选择性辐射器，可以充分利用硅基集成电路制备工艺及现有产线，大幅降低生产成本。
附图说明
图1是本发明一实施例的二维光子晶体选择性辐射器的剖面结构示意图。
图2是二维光子晶体选择性辐射器的表面扫描电子显微镜图的简化示意图。
图3是不同孔洞深度的二维光子晶体选择性辐射器的辐射光谱图。
图4是不同二硅化钛薄膜厚度二维光子晶体选择性辐射器的辐射光谱图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
与金属基体的刻蚀相比，目前大面积硅基材料的刻蚀技术已非常成熟并已广泛应用于集成电路制造工艺中。因此若能以硅的刻蚀与薄膜沉积技术为基础制备二维光子晶体选择性辐射器，可以充分利用硅基集成电路制备工艺及现有产线，大幅降低生产成本。
实施例一
如图1所示，本发明提供的二维光子晶体选择性辐射器包括表面刻蚀出周期性孔洞阵列的基体材料1，在基体材料1上沉积的二硅化钛薄膜2以及由此形成的二维周期性孔洞阵列3。如图2所示，周期性孔洞3在表面呈二维正方点阵排列。
图3是不同孔洞深度的二维光子晶体选择性辐射器的辐射光谱图，其中光子晶体的孔洞周期为1.2微米，内孔直径为900纳米，二硅化钛薄膜的厚度为60纳米，图中同时给出了表面平整的二硅化钛平板材料的辐射率。从图3中可以看出，二硅化钛平板的整体辐射率较低，且由于二硅化钛对红外光具有很强的反射率，当波长大于1.5微米后，其辐射率迅速降低。而对于硅/二硅化钛二维光子晶体，由于样品表面具有周期性孔洞，将大幅提高其在短波波段的辐射率。孔洞深度为200纳米时，样品短波波段的辐射率即大于0.5。随着孔洞深度的增加，样品在短波波段的辐射率持续增强，并在波长1.75微米附近出现陡直的选择辐射边界，表现出优异的选择辐射特性。由于较浅孔洞的样品选择辐射特性较低，而过大的孔洞深度将增加制备难度及成本，本发明中，沉积二硅化钛薄膜后的孔洞深度h为0.2微米～0.8微米。
本发明中，通过硅的光刻及刻蚀工艺获得大面积二维周期性孔洞阵列。但硅是典型的灰体辐射材料，其在长波波段也具有较强的辐射率，需要在其表面再沉积一层红外反射层材料。理论上，具有较低电阻率的金属化材料一般都具有强的红外反射特性。但高温下大多数金属都易与硅发生反应，生成金属硅化物，不能在硅基体上稳定存在。在金属硅化物中，二硅化钛具有较低的电阻率(14μΩ·cm)、高的熔点(1540℃)及与硅良好的接触特性及高温稳定性，非常适合作为硅表面的红外反射材料。工艺上，可以通过蒸发或溅射技术在已有孔洞的硅表面沉积一定厚度的金属钛薄膜，然后在高温下(650℃以上)退火形成二硅化钛薄膜，也可以通过化学气相沉积技术直接在硅表面沉积二硅化钛薄膜。
因此，本发明提供的二维光子晶体选择性辐射器的制备方法可以采用两种方式，在一种方式中，包括如下步骤：
提供基体材料，所述基体材料为硅材料；
在所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列；
在所述基体材料的表面沉积二硅化钛薄膜，形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
在另一种方式中，该二维光子晶体选择性辐射器的制备方法包括如下步骤：
提供基体材料，所述基体材料为硅材料；
在所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列；
在所述基体材料的表面沉积金属钛薄膜；
通过退火生成二硅化钛薄膜，形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
本发明中，二硅化钛薄膜的厚度将对器件的辐射光谱产生重要影响。图4是不同二硅化钛薄膜厚度二维光子晶体选择性辐射器的辐射光谱图，其中所有样品的孔洞周期为1.2微米，内孔直径为900纳米，孔洞深度为600纳米。从图中可以看出，当二硅化钛薄膜的厚度20纳米时，样品即表现出较好的选择辐射特性，但其在长波波段的辐射率仍然较高。表明当二硅化钛薄膜较薄时，不能完全反射硅基体的长波红外辐射。随着二硅化钛薄膜厚度的增加，样品在短波波段的辐射率基本不变，但长波波段的辐射率迅速降低，60纳米膜厚的样品在波长1.75微米附近出现了明显的选择辐射边界。本发明中，二硅化钛薄膜的厚度d为10纳米～100纳米。
覆盖二硅化钛薄膜后，孔洞内直径和孔洞间距也将对二维光子晶体的光谱辐射特性和制造成本等产生影响。本发明中，表面周期性孔洞间距1微米～2微米，内直径为0.6微米～1微米。
与现有技术相比，采用了该发明中的二维光子晶体选择性辐射器及制备方法，以硅的刻蚀与薄膜沉积技术为基础制备二维光子晶体选择性辐射器，可以充分利用硅基集成电路制备工艺及现有产线，大幅降低生产成本。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (3)
1.一种二维光子晶体选择性辐射器，其特征在于，包括基体材料和形成于所述基体材料表面的二硅化钛薄膜，所述基体材料为硅材料，所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列，所述二硅化钛薄膜沉积于所述基体材料的表面后形成硅/二硅化钛二维光子晶体，所述二硅化钛薄膜的厚度为10纳米～100纳米，所述硅/二硅化钛二维光子晶体在表面形成二维正方点阵结构，所述周期性孔洞阵列中的孔洞间距为1微米～2微米，所述周期性孔洞阵列中的孔洞大小相同，覆盖所述二硅化钛薄膜后，所述周期性孔洞阵列中的孔洞的内直径为0.6微米～1微米，所述周期性孔洞阵列覆盖所述二硅 化钛薄膜后，所述周期性孔洞阵列中的孔洞的深度为0.2微米～0.8微米，所述二硅化钛薄膜为沉积于所述基体材料的表面，或所述二硅化钛薄膜通过在所述基体材料的表面沉积金属钛薄膜，然后退火生成。
2.一种二维光子晶体选择性辐射器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供基体材料，所述基体材料为硅材料；
在所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列；
在所述基体材料的表面沉积二硅化钛薄膜，形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
3.一种二维光子晶体选择性辐射器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供基体材料，所述基体材料为硅材料；
在所述基体材料的表面刻蚀形成周期性孔洞阵列；
在所述基体材料的表面沉积金属钛薄膜；
通过退火生成二硅化钛薄膜，形成硅/二硅化钛二维光子晶体。
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