CN109324361B - 一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法，所述完美吸收器包括：金属衬底和由金属膜层和电介质膜层交替层叠组成的金属–电介质复合层；所述金属衬底位于底部，中间形成半圆柱空心槽结构，所述金属‑电介质复合层位于所述半圆柱空心槽结构内。本发明所述超宽波段近完美吸收器，通过支持金属的本征带隙吸收、平板金属/介质界面处的表面等离子体激元、慢光效应及其高阶模态的共振，可以实现从可见光到中红外波段的超宽波段近完美吸收。本发明的超宽波段近完美吸收器对于大角度斜入射的电磁波仍能保持近完美的吸收效率，能更好地适应复杂的电磁环境。

Description

一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法

技术领域

本发明涉及热光电伏系统、红外成像、光电以及热探测等领域，尤其涉及的是一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法。

背景技术

电磁超材料，指的是一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料，近年来引起了世界各地研究人员的广泛关注。利用电磁超材料可以实现电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可以实现诸如负折射率、反常多普勒效应、完美透镜等许多反常的物理光学现象。其中，一个引人瞩目的应用领域即为电磁波“完美吸收器”，它可以使吸收器在特定频带内近100%的接收电磁波。但是基于开口环谐振器的吸收器，其吸收波段多在微波段和太赫兹波段，对于红外波段和可见光波段则必须要适当的缩小开口环谐振器的尺寸，这势必会增加制造工艺的难度。因此，基于“金属–电介质–金属”贴片天线的腔体谐振器结构被提出，通过激发两个金属组分间电介质层中的磁激元共振，可以实现吸收器在红外波段和可见光波段的近完美吸收。可是工作波段单一、对入射电磁波偏振状态敏感，限制了它们在光谱检测、能量利用和电磁隐身等方面的应用，宽波段吸收器成为近来研究的热点。

近年来，双曲超材料多被用于宽波段近完美吸收器的设计中，因为通过非共振双曲模式的激发，可以在材料的双曲型频率区域内实现连续波长的宽波段吸收。相比各向同性材料，双曲超材料属于各向异性的单轴材料，具有高波矢传播态和较高光子态密度，独特的双曲色散关系已被用于亚波长成像、光波导、负折射和光场局域等领域，且二维双曲超表面的使用可以大幅度的减小纵向维度，将电磁波传播限制在二维平面上，非常易于片上器件的集成。自然界中有少量的天然双曲材料，但是这些天然材料呈现双曲色散特性的频率多在远红外和太赫兹频段，因而无法用于可见或紫外频段的器件设计。人们发现通过在亚波长尺度上电磁结构的有序设计，如金属–介质多层复合的平面和锥形结构，可以实现光频段的人工双曲超材料。可是，光与双曲材料相互作用的光谱范围却受限于双曲色散带的位置，导致双曲超材料在调控辐射光谱时出现吸收波段窄、不易调控和具有离散性。而在一些应用中，例如热光伏系统、激光应用、光/热检测和红外成像等，吸收率必须在超宽的波长范围得到增加，且最好对入射角度方向不敏感。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法，克服现有技术中吸收器的吸收波段窄，不易调控等缺陷。

本发明提供的第一实施例为一种超宽波段近完美吸收器，其中，包括：多个呈周期结构的微纳单元；

各个所述微纳单元包括：金属衬底和由金属膜层和电介质膜层交替层叠组成的金属–电介质复合层；

所述金属衬底的中间位置含有内陷的空腔，所述金属-电介质复合层嵌入在所述空腔内。

可选的，所述空腔为半圆柱空心槽结构。

可选的，每个所述金属膜层和电介质膜层组成一个金属-电介质对，且多个金属-电介质对依次叠加形成金属-电介质复合层。

可选的，所述金属-电介质复合层为半圆柱结构，且其正中心为半圆柱空心结构。

可选的，所述金属膜层的材料为钨、金或银；所述电介质膜层材料为聚甲基戊烯、氟化镁或二氧化硅。

可选的，叠加形成金属-电介质复合层的金属-电介质对的层数大于等于15层。

本发明提供的第二实施例为一种所述的超宽波段近完美吸收器的制造方法，其中，包括：

步骤1：通过电子束蒸发工艺在金属薄片的表面上沉积出一层金属保护层；

步骤2：利用聚焦离子束在所述金属保护层中间刻蚀出预定宽度的狭缝，使用各向异性湿法刻蚀法在金属薄片上刻蚀出半圆柱槽；

步骤3：利用湿法刻蚀法移除所述金属保护层，得到中间含有半圆柱槽的金属衬底；

步骤4：在所述金属衬底的半圆柱槽内，利用真空电子束蒸发沉积法交替沉积金属层和电介质膜层，得到内嵌有金属-电介质复合层的吸收器单元结构。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

1、本发明的超宽波段近完美吸收器，支持多种电磁模态耦合，通过激发金属的本征带隙吸收、平板金属/介质界面处的表面等离子体激元、慢光效应及其高阶模态的共振，实现从可见光到中红外波段的超宽波段近完美吸收，在热光电伏系统、红外成像、光电以及热探测等领域具有广阔的应用前景；

2、本发明的超宽波段近完美吸收器采用嵌入式结构，在金属衬底层嵌入多层金属–电介质复合夹层结构，相比传统的宽波段吸收体（将金属–电介质平面多层复合结构层置于金属衬底层之上），嵌入式结构具有可移植性好、稳定性高、便于与其他器件结合等特点。这是因为在运输和使用过程中，表面的图案容易磨损，导致热辐射特性对宽波段完美吸收性能产生影响；

3、本发明的超宽波段近完美吸收器对于大角度斜入射的电磁波仍能保持近完美的吸收效率，在实际应用中，本发明能更好地适应复杂的电磁环境。

附图说明

图1是本发明所公开的一种超宽波段近完美吸收器的结构示意图；

图2是本发明所公开的吸收器的微纳单元结构示意图；

图3是本发明所述公开的第一应用实施例中当横磁波垂直入射时吸收曲线模拟曲线图；

图4是本发明所述公开的第一应用实施例中当横磁波60度角入射时吸收曲线模拟曲线图；

图5是本发明所述公开的第二应用实施例中当横磁波垂直入射时吸收曲线的模拟曲线图；

图6是本发明所述的超宽波段近完美吸收器的制造方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明提供的第一实施例为一种超宽波段近完美吸收器，如图1所示，多个呈周期结构的微纳单元；每个微纳单元的结构相同，且呈立方体形状，呈周期性排列组成本发明所述所的超宽波段近完美吸收器。

具体的，如图2所示，各个所述微纳单元包括：金属衬底210和由金属膜层220和电介质膜层230交替层叠组成的金属–电介质复合层；所述金属衬底的中间位置含有内陷的空腔，所述金属-电介质复合层嵌入在所述空腔内。所述空腔为半圆柱空心槽结构。

所述金属衬底的外形设置为块状，且中空结构，该金属衬底的中空结构所在位置用于嵌入金属-电介质复合层。由于本发明中将金属-电介质复合层嵌入到金属衬底的中间凹陷的空腔内，通过激发金属的本征带隙吸收、平板金属/介质界面处的表面等离子体激元、慢光效应及其高阶模态的共振，可以实现从可见光到中红外波段的超宽波段近完美吸收。

具体的，所述金属-电介质复合层是由所述金属膜层和电介质膜层交替叠加组合而成的。每个所述金属膜层220和电介质膜层230组成一个金属-电介质对，且多个金属-电介质对依次叠加形成金属-电介质复合层。所述金属薄层的材料为钨、金或银，所述电介质膜层材料为聚甲基戊烯、氟化镁或二氧化硅。

本发明中所述金属衬底为内陷的中空结构，嵌入到所述金属衬底中空结构的所述金属-电介质复合层可以设计为凹型槽结构、锯齿槽结构或半圆柱结构。较佳的，本实施例中将金属衬底设计为内陷的空心结构，将所述金属-电介质复合层设计为半圆柱结构。由于与平面多层结构相比，采用同样层数的半圆柱结构可以制作更长的波导，从而产生更宽的吸收光谱。此外，考虑慢光模态的弱耦合共振效应，通过改变半圆柱波导的内、外半径，可以容易地构造光谱吸收区。进一步的，由于该半圆柱结构依靠慢光效应在半圆柱壳的不同位置捕获不同波长的光，因此通过增加金属-电介质对总数，根据慢光效应，半圆柱结构可以在较长的区域内有效地吸收。因此可以取得比其他结构更好的信号吸收效果。

由于金属-电介质复合层中含有的金属-电介质对的层数越多吸收波段越宽，因此本发明中所述吸收器中叠加形成金属-电介质复合层的金属-电介质对的层数当超出一定预设层数时，可以取得较宽的吸收波段，较佳的，为了得到超宽波段的吸收器，本实施例中，设定所述金属-电介质对的层数大于等于15层。

进一步的，所述金属-电介质对之间呈周期性便可以实现超宽波段信号的吸收，因此夹层的微纳单元之间的距离可以自定义设置，但是为了实现取得较佳的吸收效果，较佳的，相邻的金属–电介质复合夹层的微纳单元结构之间水平距离小于等于600纳米。可选的，金属膜厚度小于等于20纳米；电介质膜厚度大于等于35纳米。

可以想到的是，金属-电介质复合层结构的内、外圆半径的大小可根据吸收波段的范围来定，外圆半径定吸收的最长波段，内圆半径定吸收的最小波段，较佳的，为了实现更宽的吸收波段，所述半圆柱空心槽结构的半圆柱半径范围为大于等于1100纳米；所述半圆柱空心结构的半圆柱半径范围为小于等于100纳米。

为了对本发明所述超宽波段近完美吸收器的性能进行验证，下面取两种不同的设置参数的所述超宽波段近完美吸收器，并对其性能进行实验上的验证。

举例一

金属衬底所使用的金属材料为钨，金属–电介质多层复合夹层中的金属为钨、电介质为聚甲基戊烯，金属膜厚度为15纳米，电介质膜厚度为35纳米，金属–电介质多层复合夹层的层数为20层，金属–电介质多层复合夹层最内层形成的半圆柱空心结构半径为100纳米，金属–电介质多层复合夹层的微纳单元结构之间水平距离为600纳米。

参见图3，模拟结果显示：对于横磁波垂直入射时，超宽波段近完美吸收器在波长处于200纳米到10.9微米之间的超宽波段中，吸收率均超多过90%，达到一个超宽光谱的近完美吸收。

参见图4，模拟结果显示：对于横磁波大角度入射，入射角度为60度时，超宽波段近完美吸收器仍能保证一个超宽光谱的近完美吸收，在波长200纳米到10.3微米之间的超宽波段中，吸收率均超多过90%。

举例二

金属衬底使用的金属材料为钨，金属–电介质多层复合夹层中的金属为钨、电介质为氟化镁，金属膜厚度为15纳米，电介质膜厚度为35纳米，金属–电介质多层复合夹层的层数为20层，金属–电介质多层复合夹层最内层形成的半圆柱空心结构半径为100纳米，金属–电介质多层复合夹层的微纳单元结构之间水平距离为600纳米。

参见图5，模拟结果显示：对于横磁波垂直入射时，超宽波段近完美吸收器在波长处于300纳米到9.35微米之间的超宽波段中，吸收率均超多过90%，达到一个超宽光谱的近完美吸收。

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

1、本发明的超宽波段近完美吸收器，支持多种电磁模态耦合，通过激发金属的本征带隙吸收、平板金属/介质界面处的表面等离子体激元、慢光效应及其高阶模态的共振，实现从可见光到中红外波段的超宽波段近完美吸收， 在热光电伏系统、红外成像、光电以及热探测等领域具有广阔的应用前景；

2、本发明的超宽波段近完美吸收器采用嵌入式结构，在金属衬底层嵌入多层金属–电介质复合夹层结构，相比传统的宽波段吸收体（将金属–电介质平面多层复合结构层置于金属衬底层之上），嵌入式结构具有可移植性好、稳定性高、便于与其他器件结合等特点。这是因为在运输和使用过程中，表面的图案容易磨损，导致热辐射特性对宽波段完美吸收性能产生影响。

3、本发明的超宽波段近完美吸收器对于大角度斜入射的电磁波仍能保持近完美的吸收效率，在实际应用中，本发明所提供的完美吸收器能更好地适应复杂的电磁环境。

实施例二

本发明提供的第二实施例为一种超宽波段近完美吸收器的制造方法，如图6所述，包括：

步骤S1：通过电子束蒸发工艺在金属薄片上沉积出一层金属保护层；

步骤S2：利用聚焦离子束在所述金属保护层中间刻蚀出预定宽度的狭缝，使用各向异性湿法刻蚀法在金属薄片上刻蚀半圆柱槽；

步骤S3：利用湿法刻蚀法移除所述金属保护层，得到中间为半圆柱槽的金属衬底；

步骤S4：在所述金属衬底的半圆柱槽内，利用真空电子束蒸发沉积法交替沉积金属薄层和电介质层，得到多层金属-电介质对组成的金属-电介质复合层，以及内嵌有所述金属-电介质复合层的完美吸收器的单元结构。

同步多个线程执行上述S1-S4步骤，或者重复执行上述S1-S4步骤便可以得到所述完美吸收器。

下面以具体实施例为例，对本发明所述公开方法做进一步更详细的说明：具体的，所述金属保护层以金属铬举例。

本发明所公开的一种超宽波段近完美吸收器的制备方法步骤包括：

步骤1：通过电子束蒸发工艺在金属薄片上沉积一层150nm的金属铬；

步骤2：利用聚焦离子束在金属铬上刻蚀出50nm宽的狭缝，使用各向异性湿法刻蚀方法在金属薄片上刻蚀出半圆柱槽；

步骤3：湿法刻蚀方法移除金属铬层；

步骤4：在金属半圆柱槽内，从电介质层开始，真空电子束蒸发沉积法交替沉积金属–电介质，获得金属–电介质对，多层金属-电介质对组合得到金属-电介质复合层。

湿法刻蚀方法主要用来形成金属衬底的半圆柱空心槽，真空电子束蒸发沉积法主要来交替沉积金属–电介质多层复合夹层。

理论上，还可以采用COMSOL Multiphysics高级数值仿真软件通过数值求解麦克斯韦方程组，计算该超宽波段近完美吸收器的光谱反射率和光谱透射率，对本发明所公开的超宽波段近完美吸收器的性能进行验证。

具体的，在模拟计算过程中，周期端口参考点用于唯一的指定倒晶格矢量，且在该周期结构的x方向和y方向面上应用Floquet边界条件，整个数值模拟工作在DELLPrecision T7810工作站上执行完成。在所研究的周期结构中，金属基底足够厚，所以光谱透射率可以忽略不计。因此，光谱吸收率可以通过

计算获得，其中R为光谱反射率。设置参数扫描入射平面电磁波波长的区间，约计算十个小时后模拟得到该周期结构在所感兴趣波长范围内的光谱吸收率。最终，将COMSOL高级数值模拟方法得到的超宽波段近完美吸收器的发射率，与采用严格耦合波分析算法得到的理论结果进行对比，验证数值模拟的准确性。

本发明公开了一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法，所述完美吸收器包括：金属衬底和由金属膜层和电介质膜层交替层叠组成的金属–电介质复合层；所述金属衬底位于底部，中间形成半圆柱空心槽结构，所述金属-电介质复合层位于所述半圆柱空心槽结构内。本发明的超宽波段近完美吸收器采用嵌入式结构，支持多种电磁模态耦合，通过激发金属的本征带隙吸收、平板金属/介质界面处的表面等离子体激元、慢光效应及其高阶模态的共振，实现从可见光到中红外波段的超宽波段近完美吸收，而且在金属衬底层嵌入多层金属–电介质对结构，相比传统的宽波段吸收体，嵌入式结构具有可移植性好、稳定性高、便于与其他器件结合等特点。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种超宽波段近完美吸收器，其特征在于，包括：多个呈周期结构的微纳单元；

各个所述微纳单元包括：金属衬底和由金属膜层和电介质膜层交替层叠组成的金属–电介质复合层；

所述金属衬底的中间位置含有内陷的空腔，所述金属-电介质复合层嵌入在所述空腔内；

所述金属-电介质复合层为半圆柱结构，且其正中心为空心结构。

2.根据权利要求1所述的超宽波段近完美吸收器，其特征在于，所述空腔为半圆柱空心槽结构。

3.根据权利要求1所述的超宽波段近完美吸收器，其特征在于，每个所述金属膜层和电介质膜层组成一个金属-电介质对，且多个金属-电介质对依次叠加形成金属-电介质复合层。

4.根据权利要求1-3任一项所述的超宽波段近完美吸收器，其特征在于，所述金属膜层的材料为钨、金或银；所述电介质膜层材料为聚甲基戊烯、氟化镁或二氧化硅。

5.根据权利要求4所述的超宽波段近完美吸收器，其特征在于，叠加形成金属-电介质复合层的金属-电介质对的层数大于等于15层。

6.一种如权利要求1所述的超宽波段近完美吸收器的制造方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过电子束蒸发工艺在金属薄片的表面上沉积出一层金属保护层；

步骤2：利用聚焦离子束在所述金属保护层中间刻蚀出预定宽度的狭缝，使用各向异性湿法刻蚀法在金属薄片上刻蚀出半圆柱槽；

步骤3：利用湿法刻蚀法移除所述金属保护层，得到中间含有半圆柱槽的金属衬底；

步骤4：在所述金属衬底的半圆柱槽内，利用真空电子束蒸发沉积法交替沉积金属层和电介质膜层，得到内嵌有金属-电介质复合层的吸收器单元结构。

Images