CN108732663A - 宽带双向广角吸波结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带双向广角吸波结构，包括蛾眼纳米结构阵列，蛾眼结构底部宽度与顶部宽度比大于1：1，其表面覆盖有金属层，蛾眼纳米结构阵列的周期为200‑450nm，高度与周期的比值大于2，宽度与周期的比值大于0.5。其制备方法包括步骤：采用光刻或者复制阳极氧化的氧化铝，在基底材料上获得蛾眼纳米结构，再通过蒸镀或磁控溅射，将金属沉积在蛾眼结构上表面。该结构有效吸波从上表面和下表面入射的电磁波，实现了紫外至近红外波段的超宽带双向高效率吸波(>95％)，不仅具有偏振不敏感特性，且角度宽容性大，在±60°入射角变化范围，双向吸波效率可达90％。本发明结构简单，制备成本低，便于大规模、批量化生产。

Description

宽带双向广角吸波结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米结构技术领域，尤其涉及一种宽带双向广角吸波结构及其制备方法。

背景技术

在Landy等人提出超材料完美吸波器之后，研究人员针对热成像、太阳能电池、等离子传感器、辐射热测定器、无线能量传输等领域，提出了许多吸波结构实现不同的吸波特性，如窄带吸波、多带吸波、宽带吸波、偏振不敏感吸波、宽入射角度吸波、可调带宽吸波等。目前完美吸波相关研究主要集中GHz、THz及红外波段。随着微纳制备工艺的不断提升，研究人员逐渐将目光投向可见及紫外波段，探索紫外至红外波段的完美吸波在隐身、热发射、光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域的潜在应用前景。如在印刷领域，传统的印刷技术使用不同颜色的油墨印刷出图像和色彩，存在易于褪色的问题，且油墨中包含重金属、苯、酮类等对人体有害的物质。现有的无油墨印刷技术对实现黑色的研究极少，只有在可见光宽波段(波长380-760nm)范围内实现高效率吸波(>92％)，且吸波特性对入射光的偏振态和入射角不敏感，才可实现黑色。在太阳能电池领域，提高吸波效率的手段主要聚焦在抗反射涂层及高性能吸波方面，传统的介质蛾眼结构作为抗反射结构并不能很好的作用在整个太阳能光谱范围(在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为295～2500nm)，且其无法作为一个光吸波器件来达到高吸波特性。2014年，Tun Cao等人在Scientific Reports上公开了一种可见光宽波段偏振不敏感完美吸波器，在基底上面覆盖Au和Ge₂Sb₂Te₅连续膜层，Au方块阵列位于膜层之上，实现可见光宽波段的近完美吸波,其最高吸波效率达到96.8％。申请号为201410810447.5的中国专利申请公开了一种宽波段光吸波器及其制备方法，该吸波器由金属膜层、介质膜层、金属纳米颗粒膜层共三层结构组成。

然而，目前公开报道的文献和专利通常仅仅局限于一侧入射光的高效率吸波，而不考虑另一侧入射光的吸波效率，或者另一侧入射光的吸波效率低，带来了光能大量被浪费。有科研人员进行了双面宽带吸波相关研究。例如，授权公告号为CN105480931B的专利【一种可见光双向吸波体结构】公开了一种双向可见光波段宽吸波器，它由两维纳米结构覆盖金属层和介质层形成，在可见光范围内上面和下面平均吸波效率小于90％，但是工作波段局限于可见波段。因此，结构简单、性能卓越(可实现超宽带双向高效吸波)且制作成本低的吸波结构的设计仍是目前研究人员亟需突破的课题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种宽带双向广角吸波结构及其制备方法，该结构利用间隙表面等离子体原理有效吸波从上表面和下表面入射的电磁波，实现了在紫外至红外吸波段的超宽带双向高效率吸波(>95％)，不仅具有偏振不敏感特性，且角度宽容性大，在±60°入射角变化范围，双向吸波效率可达90％。

本发明提供了一种宽带双向广角吸波结构，包括蛾眼纳米结构阵列，蛾眼纳米结构阵列的表面覆盖有金属层，蛾眼纳米结构底部宽度与顶部宽度比大于1：1，蛾眼纳米结构阵列的周期为200-450nm，蛾眼纳米结构阵列的高度与周期的比值大于2，蛾眼纳米结构底部的宽度与周期的比值大于0.5。

进一步地，宽带双向广角吸波结构可吸收从紫外至红外波段的光。

进一步地，金属层的厚度为20-100nm。

进一步地，金属层的材质为镍、铬、钛、铝和钨中的一种或几种。优选地，金属层的材质为镍、铬或钛。

进一步地，蛾眼纳米结构阵列形成于基底上，所述蛾眼纳米结构阵列远离所述基底的一侧表面上覆盖所述金属层。

在本发明中，如无特殊说明，蛾眼纳米结构“底部”指的是远离金属层(即靠近基底)的位置，“顶部”指的是靠近金属层(即远离基底)的位置。

进一步地，基底的材质为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、石英、UV树脂、聚碳酸酯、GaAs等有机和无机材料。

进一步地，蛾眼纳米结构的形状为纳米半椭球体(图1c)、纳米圆锥体(图1a)、纳米圆台体(图1b)、纳米三棱锥或抛物线体的纳米结构。优选地，蛾眼纳米结构的形状为图1c所示的形状。

进一步地，蛾眼纳米结构阵列为周期或准周期分布。

本发明还提供了上述宽带双向广角吸波结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)以带有蛾眼纳米结构阵列的阳极氧化铝(AAO)为模板，光刻或复制模板形状，在基底上形成蛾眼纳米结构阵列；

(2)在蛾眼纳米结构阵列表面沉积一层金属层，在基底表面得到宽带双向广角吸波结构。

进一步地，在步骤(1)中，蛾眼纳米结构阵列的周期为200-450nm，蛾眼纳米结构阵列的高度与周期的比值大于2，蛾眼纳米结构底部的宽度与周期的比值大于0.5。

进一步地，在步骤(2)中，采用蒸镀或磁控溅射法沉积金属层。

进一步地，在步骤(2)中，金属层的厚度为20-100nm。

进一步地，在步骤(2)中，金属层的材质为镍、铬、钛、铝和钨中的一种或几种。优选地，金属层的材质为镍、铬或钛。

本发明的宽带双向广角吸波结构对于紫外至近红外波段都具有高吸波率；在不同角度入射时，仍然具有较优的宽波段吸波特性。

本发明中，“超宽带”或“宽带”指的是紫外至近红外的电磁波波段。“双向”指的是宽带双向广角吸波结构水平放置时，光从上表面入射或下表面入射。“广角”指的是宽带双向广角吸波结构水平放置时，光在±60°入射角范围内变化。

本发明吸波结构具有超宽带双向广角吸波是基于非共振的表面等离子体波的非共振吸收原理。入射电磁波受微纳结构作用，在纳米空气-金属空隙间激发表面等离子体波，由于纳米蛾眼结构空间上呈渐变形貌，对电磁波起到了聚焦和限域作用，电磁波被金属膜吸收。由于金属-介质结构与光场作用的非共振特性，实现了宽带和宽角度的特性。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明的吸波结构可实现超宽波段双向吸波效率大于95％，且具有角度不敏感特性，在宽角度入射时，依然具有宽波段高效率吸波特性。此外，本发明的宽波段吸波结构具有偏振不敏感特性，在不同偏振角度入射情况下，具有类似的高效率吸波特性。并且本发明的吸波结构设计简单，易于制备，制备成本低，结合现有光刻、复制及镀膜技术，可以大批量制备，方便迅速量产，投入市场。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明不同超宽带双向广角吸波结构侧面的剖视图；

图2是本发明一种超宽带双向广角吸波结构的立体结构示意图及剖面结构示意图；

图3是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构光吸波效率与波长的关系坐标图；

图4是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构在不同入射角度电磁波入射时，光吸波效率与波长的关系坐标图；

图5是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构在不同周期，光吸波效率与波长的关系坐标图；

图6是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着纳米阵列单元的高度与周期的比值的变化关系图；

图7是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着纳米阵列单元的宽度与周期的比值的变化关系图；

图8是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着金属层的厚度变化关系图；

图9是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着金属层材料的变化关系图；

图10是本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波原理图；

图11是本发明的超宽带双向广角吸波结构的制作流程示意图；

图12是本发明的实现的宽带双向广角吸波结构的扫描电镜照片。

附图标记说明：

10-蛾眼纳米结构；20-金属层；30-基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参见图1，本发明的超宽带双向广角吸波结构包括蛾眼纳米结构阵列，蛾眼纳米结构阵列形成于基底30的上表面，基底30的材质为PET、PMMA、石英、UV树脂、聚碳酸酯或GaAs。

蛾眼纳米结构阵列结的上表面覆盖有一层金属层20，金属层20的材质可选择镍、铬、钛等金属。蛾眼纳米结构阵列由若干准周期的蛾眼纳米结构10组成，沿水平方向，蛾眼纳米结构10靠近金属层20的一端的宽度小于远离金属层20的一端的宽度(即底部宽度与顶部宽度比大于1：1)，参见图1，蛾眼纳米结构的形状有多种选择，如纳米半椭球体(图1c)、纳米圆锥体(图1a)、纳米圆台体(图1b)等。优选地，本发明的超宽带双向广角吸波结构如图2a所示，如无特殊说明，以下实施例中的结构均为如图2所示的结构。

蛾眼纳米结构阵列的周期p为200-450nm，蛾眼纳米结构阵列的高度h与周期p的比值大于2，蛾眼纳米结构底部的宽度w与周期p的比值(F，占空比)大于0.5，金属层20的厚度d为20-100nm(优选40-100nm)。以上各字母所对应的参数的含义见图2b。

实施例2

本发明的超宽带双向广角吸波结构对于紫外至近红外波段都具有高吸波率。在本发明的一较佳的实施例中，吸波结构的金属层采用金属镍。其中，蛾眼纳米结构阵列的周期p为350nm，占空比F为0.8，蛾眼纳米结构阵列的高度h为1000nm，金属层厚度为40-100nm。图3是光从上面和下面入射时(图3a)，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波效率与波长的关系坐标图(图3b)。如图3所示，在紫外至近红外波段，本发明的超宽带双向广角吸波结构吸波率超过98％，且在特定波长(如425nm、750nm)，吸波率接近100％。除非特别指明，以下所涉及的“上面”和“下面”所指代的含义与图3a中的方向相同。

图4a-4b是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构在不同入射角度电磁波入射时，光吸波效率与波长的关系坐标图。如图4所示，光从上面入射，入射光入射角度由0°逐渐增大至60°，吸波结构的吸波效率仍然保持在80％以上；光从下面入射时，吸波结构的吸波效率仍然保持在90％以上。因此，本发明的超宽带双向广角吸波结构在不同角度入射时，仍然具有较优的宽波段吸波特性。具有角度不敏感特性的吸波结构在隐身、热发射、光显示、光伏、太阳能电池等特定应用方面具有优势。

本发明的超宽带双向广角吸波结构的纳米阵列单元的尺寸对吸波效率具有较大影响，例如纳米阵列单元的周期、底部宽度和高度对吸波率均产生较大影响。在实际应用时，可以根据要实现的器件性能(带宽、效率)，优化获得合适的结构参数。

实施例3

本实施例中，超宽带双向广角吸波结构的结构参数为：周期p为250-550nm，金属层厚度d为80nm，蛾眼纳米结构阵列的高度与周期的比值(h/p)为3，蛾眼纳米结构底部的宽度w与周期p的比值F＝0.7。

图5a-5b是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的周期p与吸波率关系坐标图(图中周期p单位为微米)。可以看出，从上面入射时，周期在250-500nm范围变化，该结构在200-3000nm波长范围获得高吸波效率(>90％)；周期在250-450nm范围变化，该结构在1000-1750nm波段，吸波效率>95％。从下面入射时，在300-760nm波段，吸波效率>85％；在1000-3000nm波段，周期越大，吸波效率越高。

实施例4

本实施例中，超宽带双向广角吸波结构的结构参数为：周期p为300nm，金属层厚度d为40nm，F＝1，h/p＝0.5～3。

图6a-6b是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着纳米阵列单元的高度与周期的比值的变化关系图。如图6所示，随着h/p的增加，不管是从上面还是下面入射，本发明的超宽带双向广角吸波结构实现高效率吸波的带宽越宽；当h/p>2时，该结构可在200-2000nm波长范围获得高吸波效率(>90％)。

实施例5

本实施例中，超宽带双向广角吸波结构的结构参数为：周期p为500nm，金属层厚度d为80nm，纳米阵列单元的高度与周期的比值(h/p)为2.5。

图7a-b是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着纳米阵列单元的宽度与周期的比值(F)的变化关系图。可以看出，随着F的增加，不管是从上面还是下面入射，本发明的超宽带双向广角吸波结构实现高效率吸波的带宽越宽。当F>0.8，从上面入射可实现200-3000nm波长范围内高达95％以上的吸波。

实施例6

本实施例中，超宽带双向广角吸波结构的结构参数为：周期p为350nm，纳米阵列单元的高度与周期的比值(h/p)为2.85，纳米阵列单元的宽度与周期的比值(F)为0.8。

图8a-8b是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着金属层厚度(d)的变化关系图。可以看出，随着d的增加，不管是从上面还是下面入射，本发明的超宽带双向广角吸波结构实现高效率吸波的带宽越宽。当F>0.8，从上面入射时，在200-3000nm波长范围吸波高达95％以上。

实施例7

本实施例中，超宽带双向广角吸波结构的结构参数为：周期p为350nm，金属层厚度d为80nm，纳米阵列单元的高度与周期的比值(h/p)为2.85，纳米阵列单元的宽度与周期的比值(F)为0.8。

图9a-9b是光从上面和下面入射时，本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波率随着金属层材质的变化关系图。可以看出，不管是从上面还是下面入射，金属层为镍、铬、钛时的吸波效率更高，金属层为钨时的宽带吸波效率弱一些，金属层为银和铝时的效果最弱。

图10是本发明的超宽带双向广角吸波结构的吸波原理图，图中纵坐标高度指的是光场监控区域高度。可以看出，不管是从上面还是下面入射，场都被限制在狭缝里，该结构利用间隙表面等离子体原理有效吸波从上表面和下表面入射的电磁波，实现了超宽带双向高效率吸波。

图11是本发明的超宽带双向广角吸波结构的制作方法的流程示意图。如图11所示，本发明的超宽带双向广角吸波结构的制作步骤包括：

S1、以带有蛾眼纳米结构的阳极氧化的氧化铝(AAO)作为模板(参见图11(a))，采用光刻或者复制法，在基底材料上形成蛾眼纳米结构(参见图11(b))；

S2、去除模板后，通过蒸镀或磁控溅射，将一薄层金属(铝)沉积在蛾眼结构上表面(参见图11(c))。

图12是依据本发明提出的技术方法制作的吸波结构的扫描电镜照片。所示结构具有上述的吸波结构的特征周期p为400nm，结构呈半椭圆形，纳米阵列单元的高度与周期的比值(h/p)为2.5，纳米阵列单元的宽度与周期的比值(F)为1.0，镀铝厚度50nm。

本发明的超宽带双向广角吸波结构不仅具有角度不敏感特性，而且具有偏振不敏感特性，在不同入射角和不同偏振角度情况下，仍然具有较高的吸波效率。且本发明所设计的吸波结构制备方法简单，通过简单的光刻或全息曝光方式，结合现有纳米压印技术和电铸工艺，可以大批量制备，方便迅速量产，投入市场。

值得一提的是，本发明的超宽带双向广角吸波结构可应用众多光电领域，例如太阳能电池、热光伏、隐身等方面，也可以为无油墨印刷实现黑色提供解决方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如从蛾眼纳米结构(准周期纳米圆锥阵列)拓展至周期纳米阵列，优化蛾眼纳米结构的周期、高度、占宽比，改变镀膜材料及镀膜厚度，从而获得更宽的带宽、角度宽容性；比如改变纳米阵列结构的形貌，呈现正圆锥形、倒圆锥形、正三角形、倒三角形等等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宽带双向广角吸波结构，其特征在于：包括蛾眼纳米结构阵列，所述蛾眼纳米结构底部宽度与顶部宽度比大于1：1，所述蛾眼纳米结构阵列的表面覆盖有金属层，所述蛾眼纳米结构阵列的周期为200-450nm，蛾眼纳米结构阵列的高度与周期的比值大于2，蛾眼纳米结构底部的宽度与周期的比值大于0.5。

2.根据权利要求1所述的宽带双向广角吸波结构，其特征在于：所述宽带双向广角吸波结构吸收从紫外至红外波段的光。

3.根据权利要求1所述的宽带双向广角吸波结构，其特征在于：所述金属层的厚度为20-100nm。

4.根据权利要求1所述的宽带双向广角吸波结构，其特征在于：所述金属层的材质为镍、铬、钛、铝和钨中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的宽带双向广角吸波结构，其特征在于：所述蛾眼纳米结构阵列形成于基底上，所述蛾眼纳米结构阵列远离所述基底的一侧表面上覆盖所述金属层。

6.根据权利要求5所述的宽带双向广角吸波结构，其特征在于：所述基底的材质为PET、PMMA、石英、UV树脂、聚碳酸酯或GaAs。

7.根据权利要求1所述的宽带双向广角吸波结构，其特征在于：所述蛾眼纳米结构的形状为纳米半椭球体、圆锥体、纳米圆台体、纳米三棱锥体或抛物线体的纳米结构。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的宽带双向广角吸波结构的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

(1)以带有所述蛾眼纳米结构阵列的阳极氧化铝为模板，光刻或复制模板形状，在基底上形成所述蛾眼纳米结构阵列；

(2)在所述蛾眼纳米结构阵列表面沉积一层金属层，在所述基底表面得到所述宽带双向广角吸波结构。

9.根据权利要求8所述的宽带双向广角吸波结构的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，采用蒸镀或磁控溅射法沉积所述金属层。