CN108375811A - 基于氮化钛材料的光学吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于氮化钛材料的光学吸收器，所述光学吸收器包括防护膜层、介质膜层及颗粒结构层；其中，所述介质膜层的下表面设置有所述防护膜层，所述介质膜层的上表面设置有所述颗粒结构层；所述防护膜层的材质为氮化钛，所述颗粒结构层由氮化钛颗粒周期性排列的阵列组成。本发明基于氮化钛材料的光学吸收器通过引入氮化钛材料、利用氮化钛颗粒阵列的电磁共振特性，简化吸收单元的结构，增加吸收光谱的带宽，实现宽带光学完美吸收。同时，通过利用氮化钛颗粒所提供的电磁共振模式与颗粒的几何尺寸大小相关的特性，实现吸收光谱的带宽在紫外‑可见‑近红外波段内的可控调谐。

Description

基于氮化钛材料的光学吸收器

技术领域

本发明涉及光电功能材料与器件和光子学技术领域，特别是涉及一种基于氮化钛材料的光学吸收器。

背景技术

等离激元共振(Plasmonics)通常是指金属结构表面的自由电子在外加电磁波照射下引起的集体振荡，在金属表面形成局域电磁场增强效应。基于等离激元共振的金属结构可以作为能源、光电探测、生物与医学应用等领域的核心功能元器件。

超材料(Meta-materials)是指人工制造的具有周期性结构的复合材料，近几年来迅速成为电磁学、物理学、材料科学等学科的前沿交叉领域。

典型的超材料光学完美吸收器一般有三层结构：顶层是由具有单个或多个具有电磁响应模式的金属微结构单元排列而成的二维周期阵列，中间层是一层介质或绝缘材料平板，底层通常是一层不透光的金属板。通过合理设计器件的结构尺寸及材料参数，能够与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而对入射到吸收器的特定频带内的电磁波实现百分之百的吸收。光学完美吸收器是实现高效的电磁波光谱吸收及其在光电探测器件中的一个必备元件。

通过电磁共振现象可实现结构在共振波长处既没有反射(反射率接近为0)也没有透射(透射率为0)，从而根据吸收率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。紫外、可见波段、近红外波段的光学完美吸收器可以作为光电效应或光电转换器的结构单元、热发射器的结构单元，或作为减小电磁波杂散发射的吸波涂层材料。在红外滤波器、光电探测器等技术领域的应用中，要求吸收器具有宽带光吸收的特性。

但是，现有光学完美吸收器的研究体系主要是基于金属-介质-金属的三层电磁共振结构体系实现从微波频段到可见光波段的完美吸收响应。然而在这些三层结构光学完美吸收器体系中，往往只能吸收窄带的、单一共振波长的电磁波，无法实现对紫外、可见波段、近红外波段的宽带光吸收，从而限制了上述光学完美吸收器在红外滤波器、光电探测器等技术领域的广泛应用。

此外，这些光学完美吸收器体系都是基于金属材料以及金属微纳米结构，通过这些金属材料的自由电子振荡模式实现电磁波的耦合，这些自由电子振荡必然导致很强的欧姆损耗和热效应，导致金属微纳米材料的结构稳定性差，同时也局限了此类吸收器在高强度电磁波照射下的应用前景。

而且由于金属材料易被酸碱腐蚀，导致上述光学完美吸收器体系在使用中寿命比较短，长期使用容易导致光学完美吸收器体的吸收效果变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于氮化钛材料的光学吸收器，可实现紫外-可见-近红外波段的宽带吸收。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于氮化钛材料的光学吸收器，所述光学吸收器包括防护膜层、介质膜层及颗粒结构层；其中，所述介质膜层的下表面设置有所述防护膜层，所述介质膜层的上表面设置有所述颗粒结构层；所述防护膜层的材质为氮化钛，所述颗粒结构层由氮化钛颗粒周期性排列的阵列组成。

可选的，所述光学吸收器还包括衬底，所述衬底设置在所述防护膜层的底部。

可选的，所述衬底的材质为硅片、玻璃、石英中任意一种。

可选的，所述衬底的材质为柔性材料。

可选的，所述衬底的材质为聚合物。

可选的，所述颗粒结构层的结构形状为圆柱体。

可选的，所述防护膜层的厚度大于或等于100纳米。

可选的，所述介质膜层的材质为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氟化镁中任意一种。

可选的，所述介质膜层的材质为聚合物。

可选的，所述聚合物为聚苯乙烯。

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：

本发明基于氮化钛材料的光学吸收器通过引入氮化钛材料、利用氮化钛颗粒阵列的电磁共振特性，简化吸收单元的结构，增加吸收光谱的带宽，实现宽带光学完美吸收。同时，通过利用氮化钛颗粒所提供的电磁共振模式与颗粒的几何尺寸大小相关的特性，实现吸收光谱的带宽在紫外-可见-近红外波段内的可控调谐。

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为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器的主视图；

图2为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器的俯视图；

图3是本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例一的光吸收图；

图4是本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例二的光吸收图；

图5是本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例三的光吸收图；

图6是本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例四的光吸收图；

图7是本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例五的光吸收图；

图8是本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例六的光吸收图。

符号说明：

1—衬底，2—防护膜层，3—介质膜层，4—颗粒结构层。

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基于氮化钛材料的光学吸收器，通过引入氮化钛材料、利用氮化钛颗粒阵列的电磁共振特性，简化吸收单元的结构，增加吸收光谱的带宽，实现宽带光学完美吸收。同时，通过利用氮化钛颗粒所提供的电磁共振模式与颗粒的几何尺寸大小相关的特性，实现吸收光谱的带宽在紫外-可见-近红外波段内的可控调谐。

介质材料尤其是高介电材料也存在很强的电磁共振行为，产生了类似前述金属结构的等离激元共振响应。并且，这些介质材料能提供一系列的光学共振模式，从而与入射到此类介质材料的电磁波产生很强的电磁耦合现象。与金属材料相比，这些介质材料从根本上避免了金属材料中的自由电子振荡的欧姆损耗以及热效应，因而可以适应更高温度的环境，包括在高温太阳能吸收与黑体辐射等方面的潜在应用价值。

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。

如图1和图2所示，本发明基于氮化钛材料的光学吸收器包括防护膜层2、介质膜层3及颗粒结构层4；其中，所述介质膜层3的下表面设置有所述防护膜层2，所述介质膜层3的上表面设置有所述颗粒结构层4；所述防护膜层2的材质为氮化钛，所述颗粒结构层4由氮化钛颗粒周期性排列的阵列组成。

优选地，本发明基于氮化钛材料的光学吸收器还包括衬底1，所述衬底1设置在所述防护膜层2的底部。其中，所述衬底1的材质为硅片、玻璃、石英中任意一种。此外，所述衬底的材质还可为柔性材料，或者为例如聚二甲基硅氧烷等聚合物。

进一步地，在本实施例中，所述防护膜层2的厚度大于或等于100纳米。

其中，所述介质膜层3的材质为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氟化镁中任意一种。此外，所述介质膜层3的材质还可为聚合物，例如聚苯乙烯等。

在本实施例中，所述颗粒结构层3的结构形状为圆柱体。

本发明基于氮化钛材料的光学吸收器具有如下优点：

1、本发明基于氮化钛材料的光学吸收器的整个结构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和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金属欧姆损耗和热效应等难题。

2、通过采用氮化钛材料，利用氮化钛颗粒结构层具备的强电磁共振模式，实现了紫外-可见-近红外波段的吸收。

3、相对于现有的光学完美吸收器，本发明基于氮化钛材料的光学吸收器的峰值光谱范围发生在紫外-可见-近红外波段，且吸收光谱范围和吸收光谱带宽大小可以根据结构尺寸大小进行调控；

4、基于单一尺寸的氮化钛颗粒结构层共振单元，产生紫外-可见-近红外波段的光学完美吸收特性，在紫外光滤波、红外探测与光电转换、红外成像、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。

下面结合图3-图8所示，详细说明：

实施例一：

如图3所示为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例一的光吸收图。其中，衬底是硅片，防护膜层厚度为200纳米，介质膜层的材料为二氧化硅，厚度为40纳米，颗粒结构层中的氮化钛圆柱体颗粒的直径为30纳米，厚度为40纳米，颗粒组成的四方周期性阵列的晶格常数为150纳米。

从图3所示的光谱图上可以确定：吸收器在整个光谱范围内只产生了一个窄波段的吸收峰，在波长为0.359微米处的吸收率达到最大值为98％。在0.3微米到0.447微米的光谱范围内，实现了吸收率都大于90％的完美光学吸收。表明在此结构参数下，可以提供一个紫外-可见波段的光学完美吸收响应。

实施例二：

如图4所示为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例二的光吸收图。其中，衬底是石英，防护膜层厚度为150纳米，介质膜层的材料为二氧化硅，厚度为40纳米，颗粒结构层中的氮化钛圆柱体颗粒的直径为80纳米，厚度为40纳米，颗粒组成的四方周期性阵列的晶格常数为150纳米。

从图4所示的光谱图上可以确定：在0.306微米至0.731微米范围内，光谱吸收率都超过了90％，表明产生了一个吸收带宽超过425纳米的宽带的光学完美吸收。在0.508微米波段，最大吸收率达到了99％。表明在此结构参数下，通过调控氮化钛的结构大小提供了一个覆盖紫外-可见波段的宽带光学完美吸收响应。

实施例三：

如图5所示为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例三的光吸收图。其中，衬底是聚二甲基硅氧烷，防护膜层厚度为100纳米，介质膜层的材料为二氧化硅，且厚度为40纳米，颗粒结构层中的氮化钛圆柱体颗粒的直径为100纳米，厚度为40纳米，颗粒组成的四方周期性阵列的晶格常数为150纳米。

从图5所示的光谱图上可以确定：在0.330微米至0.922微米范围内，光谱吸收率都超过了90％，表明产生了一个吸收带宽超过592纳米的宽带光学完美吸收。在0.732微米波段，最大吸收率达到了99％。

实施例四：

如图6所示为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例四的光吸收图。其中，衬底是聚苯乙烯，防护膜层厚度为200纳米，介质膜层的材料为二氧化硅，且厚度为40纳米，颗粒结构层中的氮化钛圆柱体颗粒的直径为120纳米，厚度为40纳米，颗粒组成的四方周期性阵列的晶格常数为150纳米。

从图5所示的光谱图上可以确定：在0.312微米至1.262微米范围内，光谱吸收率都超过了80％，表明产生了一个吸收带宽超过950纳米的超宽带的光吸收。在0.965微米波段，最大吸收率超过了99％。表明在此结构参数下，通过增大氮化钛颗粒的尺寸，实现了吸收光谱带宽的增大，从而提供了一个覆盖紫外-可见-近红外波段的超宽带光学完美吸收响应。

实施例五：

如图7所示为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例五的光吸收图。其中，衬底是石英，防护膜层厚度为200纳米，介质膜层的材料为二氧化钛，且厚度为40纳米，颗粒结构层中的氮化钛圆柱体颗粒的直径为30纳米，厚度为40纳米，颗粒组成的四方周期性阵列的晶格常数为150纳米。

从图7所示的光谱图上可以确定：只有在0.683微米处产生了一个窄带的吸收峰，光谱吸收率最大为92％。表明在此结构参数下，可以实现一个窄带的可见波段范围内的光学完美吸收响应。

实施例六：

如图8所示为本发明基于氮化钛材料的光学吸收器实施例六的光吸收图。其中，衬底是聚苯乙烯，防护膜层厚度为100纳米，介质膜层的材料为二氧化钛，且厚度为40纳米，颗粒结构层中的氮化钛圆柱体颗粒的直径为100纳米，厚度为40纳米，颗粒组成的四方周期性阵列的晶格常数为150纳米。

从图8所示的光谱图上可以确定：在0.615微米至1.255微米范围内，光谱吸收率都超过了90％，表明产生了一个吸收带宽超过640纳米的超宽带的光学完美吸收。在1.030微米波段，最大吸收率超过了96％。表明在此结构参数下，通过增大氮化钛颗粒的尺寸，实现了光谱吸收带宽的增大；通过采用高折射率的二氧化碳膜层，实现了吸收光谱的红移，从而提供了一个覆盖可见-近红外波段的宽带光学完美吸收响应。

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)

1.一种基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述光学吸收器包括防护膜层、介质膜层及颗粒结构层；其中，所述介质膜层的下表面设置有所述防护膜层，所述介质膜层的上表面设置有所述颗粒结构层；所述防护膜层的材质为氮化钛，所述颗粒结构层由氮化钛颗粒周期性排列的阵列组成。

2.根据权利要求1所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述光学吸收器还包括衬底，所述衬底设置在所述防护膜层的底部。

3.根据权利要求2所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述衬底的材质为硅片、玻璃、石英中任意一种。

4.根据权利要求2所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述衬底的材质为柔性材料。

5.根据权利要求2所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述衬底的材质为聚合物。

6.根据权利要求1所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述颗粒结构层的结构形状为圆柱体。

7.根据权利要求1所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述防护膜层的厚度大于或等于100纳米。

8.根据权利要求1所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述介质膜层的材质为氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氟化镁中任意一种。

9.根据权利要求1所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述介质膜层的材质为聚合物。

10.根据权利要求9所述的基于氮化钛材料的光学吸收器，其特征在于，所述聚合物为聚苯乙烯。