CN110187419B - 一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器。所述吸收器是光学超表面结构，它包括金属反射层和设置在所述金属反射层上的电介质层；其中，所述电介质层由周期性结构单元组成，所述结构单元为正方形。每个结构单元由四个菱形电介质块谐振器构成，所述四个菱形电介质块谐振器按照“十”字形排列，两个相邻的所述结构单元共用一个菱形谐振器。与现有的吸收器相比，本发明的吸收器利用电介质谐振器强电磁共振模式，以及相邻谐振器之间的耦合共振模式，对入射光有很强的吸收作用，因此能够实现紫外‑可见‑近红外波段的宽带完美吸收。

Description

一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器
技术领域
本发明涉及光学领域，属于基于半导体超表面的可见光完美吸收器，具体是指一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器。
背景技术
具有完美光吸收特性的超材料是近十年发展的一个新方向，完美光吸收器应用领域非常广泛，例如热辐射、光电探测、生物传感、雷达隐身、太阳能热光伏等领域。目前，已经设计出的完美吸收器多种多样。但是，根据吸收波段的不同可以将完美吸收器分为两类，一类是窄带吸收器，另一类是宽带吸收器。窄带吸收器能够将光子局限在指定的波段，根据吸收波段数的不同，又可以分为单频带完美吸收器和多频带完美吸收器。2008年，Landy首次提出的基于金属-电介质-金属的完美吸收器就是单频带完美吸收器(Physical ReiewLetters.第100卷，第207402页(2008))，此外还有，Z.Liu等(IEEE Photonics TechnologyLetters.第29卷，第47-50页(2017))提出的基于金属超表面的完美吸收器和G.Liu等(Nanotechnology.第28卷，第165202页(2017))提出的基于电介质超表面的完美吸收器就是多频带完美吸收器。
宽带吸收器与窄带吸收器比较更加难以实现，宽带吸收器需要调制较宽的波段。宽带吸收器在热辐射仪、光伏和光热发电、光电探测等方面有着广泛的应用。为此，研究人员致力于发展宽带完美吸收器，大多数现有的宽带吸收器，利用数个在不同波长的谐振器压缩进一个复合材料单元或者金属固有的材料吸收损耗的特性来进行设计，在金属中能够观察到电偶极共振，因此能够产生完美吸收，例如，在多层超材料结构中，已经演示了在一个宽波长范围内彩虹捕获操作。然而多层结构或者金属都有相应的缺点，例如结构复杂、产生焦耳热等。为了解决上述的问题，研究人员尝试选择电介质作为合适的材料，在电介质中除了观察到电偶极共振，还观察到磁偶极共振，例如，在Si、TiO2、Ge等高介电常数介质中，已经观察到光学米氏共振。与电偶极共振相比，磁偶极共振损耗更小，因此吸收更加强烈，这为实现电介质宽带完美吸收器提供了可能。Zhu等人(Optics Express.第25卷，第5781页(2017))已经实现基于电介质完美吸收器，但是吸收带宽较窄，并且目前对于电介质宽带完美吸收器的研究并不多见。因此，一个合适的结构尺寸尺度，尤其是超薄功能层电介质宽带完美吸收器是迫切需要的。光学超表面为我们提供了一种新的思路，除了能够对电磁波进行多种调控之外，亚波长范围的厚度使得超表面应用前景广泛，本文就是基于光学超表面设计的一种宽带吸收器，它能够使得吸收器结构变得简单，并且能够增大吸收带宽。
发明内容
本发明的目的在于解决目前电介质吸收器带宽较窄的问题，提供一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，该吸收器能够工作在紫外-可见-近红外波段。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器包括金属反射层和设置在所述金属反射层上的电介质层，其中所述电介质层是由周期性结构单元组成，结构单元为正方形。每个结构单元由四个菱形电介质块谐振器构成，所述四个菱形电介质块谐振器按照“十”字形排列，即其中两个菱形电介质块谐振器的长轴同轴排列形成一组，另外两个菱形电介质块谐振器的长轴同轴排列形成另外一组，并且两组菱形电介质块谐振器的长轴方向彼此垂直，其中同组中的两个菱形电介质块谐振器之间设置有一定的间距，且间距相等，两个相邻的所述结构单元共用一个菱形谐振器。
所述金属反射层形成于衬底层上，主要用于反射光，所述衬底层选自石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底、石英衬底、FTO导电玻璃衬底、ITO衬底、PEN塑料衬底、PET衬底、铝衬底或铜衬底，优选为蓝宝石衬底或者石英衬底。
优选地，所述金属反射层的厚度为100纳米至300纳米。
优选地，所述金属反射层材质为金、银、钨、钛中的一种。
优选地，所述电介质层厚度为50纳米至80纳米，菱形谐振器的长半轴为100纳米至120纳米，菱形谐振器的短半轴为30纳米至50纳米，长轴同轴向排列的一组中的两个菱形谐振器的间距为10纳米至40纳米。
进一步优选地，所述电介质层厚度为70纳米，菱形谐振器长半轴为110纳米，短半轴为40纳米，谐振器间隙为20纳米，金属反射层厚度为100纳米。
优选地，所述电介质层材料为硅、二氧化钛、锗中的一种。
优选地，根据本发明的所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器对于波长为262纳米至709纳米的范围内的光的吸收率大于90％，显示了一个完美的吸收窗口(即吸收率大于90％)，吸收带宽为447纳米，最大的吸收在453纳米处为99.1％，并且平均吸收效率高达95.5％，这个完美吸收窗口几乎覆盖整个可见光波段。
优选地，根据本发明的所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器对可见光波段380纳米至760纳米的范围内的光的平均吸收效率为93.3％。对于200纳米至800纳米波段的光的平均吸收效率为87.3％。
根据本发明的所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器的制备方法可以采用本领域常规方法进行，例如可以按照如下方法进行：
首先采用物理沉积方法在例如蓝宝石衬底或者石英衬底的衬底层的表面上沉积金属反射层，然后在金属反射层的表面上再次采用物理沉积法沉积一层电介质，然后通过刻蚀法得到所需形状的所述电介质层。
可选地，所述的物理沉积方法可以为离子束溅射沉积法或者磁控溅射镀膜法等，但不限于此。
可选地，所述的刻蚀方法为纳米印迹光刻法、电子束或者聚焦离子束光刻法等，但不限于此。
有益效果
本发明的吸收器与现有的吸收器相比，利用电介质谐振器强电磁共振模式，以及相邻谐振器之间的耦合共振模式，对入射光有很强的吸收作用，因此能够实现紫外-可见-近红外波段的宽带完美吸收。由于使用的是电介质超表面，因此能够克服基于金属的完美吸收器所产生的欧姆损耗和热不稳定性。并且结构非常简单，制造成本会大大减少。
附图说明
图1为根据本发明实施例1中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例1中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器的单元晶胞结构示意图；
图3为实施例1中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器中的光吸收图；
图4为实施例1中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器电介质层厚度由50纳米增加至80纳米得吸收光谱图。
图5为实施例1中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器对垂直入射光偏振角由0度变化到90度的吸收光谱图。
图6为实施例1中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器对入射光角度由0度增加至50度的吸收光谱图。
附图标记说明
1——金属反射层；2——电介质层；21——结构单元；22——谐振器。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
本发明的目的是为了解决目前的吸收器普遍存在的吸收带宽较窄，欧姆损耗较高，以及热不稳定性。所提出的基于半导体超表面的宽带可见光完美吸收器，能够实现紫外-可见-近红外波段的宽带完美吸收，并且结构简单，制造成本大大减少。本发明的吸收器可以通过调整结构参数，使得该完美吸收器在波长范围之内能够自由扩展，并且具有偏振角度和入射角度不敏感的特性。
图1为根据本发明的所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器的结构示意图，所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器包括金属反射层1和设置在所述金属反射层上的电介质层2，其中所述电介质层2是由周期性结构单元21组成，结构单元21为正方形。每个结构单元21由四个菱形电介质块谐振器22构成，所述四个菱形电介质块谐振器22按照“十”字形排列，即其中两个菱形电介质块谐振器22的长轴同轴排列形成一组，另外两个菱形电介质块谐振器22的长轴同轴排列形成另外一组，并且两组菱形电介质块谐振器22的长轴方向彼此垂直，其中同组中的两个菱形电介质块谐振器22之间设置有一定的间距，且间距相等，两个相邻的所述结构单元共用一个菱形谐振器。所述的电介质层2能够产生强电磁共振模式，并能够在不同的波段产生电磁共振耦合，因此能够实现宽带完美吸收。
优选地，所述金属反射层1的厚度为100纳米至300纳米。
优选地，所述金属反射层1材质为金、银、钨、钛中的一种。
优选地，所述电介质层2厚度为50纳米至80纳米。
优选地，所述电介质层2材料为硅、二氧化钛、锗中的一种。
图2为根据本发明所基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器的结构单元21(也被称为单元晶胞)结构示意图，其中a为菱形谐振器22的长半轴，其优选为100纳米至120纳米；b为菱形谐振器22的短半轴，其优选为30纳米至50纳米；g为长轴同轴向排列的一组中的两个平行的菱形谐振器22的间距，P为单元晶胞的周期。
随着上述结构尺寸的增大，吸收光谱逐渐红移。当超出上述的结构尺寸范围，平均吸收率会降低。
进一步优选地，所述电介质层2的厚度为70纳米，所述菱形谐振器22的长半轴为110纳米，短半轴为40纳米，谐振器间隙为20纳米，金属反射层厚度为100纳米。
所述金属反射层1形成于衬底层(图中未示出)上，所述衬底层可以选自石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底、石英衬底、FTO导电玻璃衬底、ITO衬底、PEN塑料衬底、PET衬底、铝衬底或铜衬底，优选为蓝宝石衬底或者石英衬底。所述衬底层并无特别要求，为本领域常规采用的衬底层。
优选地，所述金属反射层1的厚度为100纳米至300纳米。所述金属反射层1用来阻挡光线透过，金属反射层的厚度大于100纳米时，近紫外到近红外区电磁波无法透过，因此透射几乎为0。由于制造成本，金属反射层的厚度不能过大。
根据本发明的所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器中的所述谐振器22具有菱形形状，相对于其它形状的谐振器，能够将电偶极共振和磁偶极共振相互耦合，并且能够使偶极共振和硅谐振器的二次共振相互耦合，从而对入射光产生强吸收。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例1
一种基于半导体超表面的宽带可见光吸收器，包括金属反射层1和电介质层2。所述的金属反射层1材质为金，厚度t为100纳米。所述的电介质层2材质为硅，厚度h为50纳米至80纳米。
为了制备上述的吸收器，首先在蓝宝石衬底上表面采用离子束溅射沉积方法，沉积厚度为100纳米的金膜作为金属反射层1，在金属反射层1的表面上采用离子束溅射沉积方法，沉积厚度为70纳米的硅膜作为电介质层2，然后使用聚焦离子束光刻方法对所述电介质层2进行刻蚀，得到所述菱形谐振器22的结构，如图1所示。
如图2所示，所述电介质层2由周期性结构单元21组成，结构单元21为正方形。每个结构单元21由四个菱形电介质块谐振器22构成，所述四个菱形电介质块谐振器22按照“十”字形排列，即其中两个菱形电介质块谐振器22的长轴同轴排列形成一组，另外两个菱形电介质块谐振器22的长轴同轴排列形成另外一组，并且两组菱形电介质块谐振器22的长轴方向彼此垂直，其中同组中的两个菱形电介质块谐振器22之间设置有一定的间距g，且间距g相等，两个相邻的所述结构单元共用一个菱形电介质块谐振器22。所述菱形谐振器22的结构参数如下：长半轴a为110纳米，短半轴b为40纳米，厚度为50纳米至80纳米，间距g为20纳米。结构单元21(单元晶胞)的周期P为460纳米。
图3为根据本实施例中的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器中的光吸收图，从图3可以看出，在262纳米至709纳米的范围内吸收率大于90％，显示了一个完美的吸收窗口(即吸收率大于90％)，吸收带宽为447纳米，最大的吸收在453纳米处为99.1％，并且平均吸收效率高达95.5％，这个完美吸收窗口几乎覆盖整个可见光波段。
图4为根据本实施例中的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器的电介质层厚度发生改变时的光谱吸收图，如图4所示，电介质层厚度由50纳米增加到80纳米，吸收光谱在波长范围内不断的红移，在短波长范围，吸收效率也在增大；在长波长范围，随着厚度t的增加，吸收效率在减小，但整体还是保持较高的吸收带宽。
图5和图6都是本实施例中制备的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器改变入射光之后的光谱响应。图5为改变入射光的极化角从0度到90度，可以看到吸收曲线几乎没有变化，展示了一个在整个偏振角下的宽光谱的完美吸收，这表明获得的是偏振无关的吸收。与偏振无关的吸收器在光电器件包括热电子设备中有广泛的应用。图6为改变入射光的入射角度从0度到50度，当入射角为50度时吸收光谱在长波长范围略微蓝移，但在波长范围保持了较好的完美吸收。证实了入射角度不敏感的特性，能够运用在复杂的电磁环境中(例如太阳辐射)。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器包括金属反射层和设置在所述金属反射层上的电介质层；
其中，所述电介质层由周期性结构单元组成，所述结构单元为正方形，每个结构单元由四个菱形电介质块谐振器构成，所述四个菱形电介质块谐振器按照“十”字形排列，即其中两个菱形电介质块谐振器的长轴同轴排列形成一组，另外两个菱形电介质块谐振器的长轴同轴排列形成另外一组，并且两组菱形电介质块谐振器的长轴方向彼此垂直，其中同组中的两个菱形电介质块谐振器之间设置有一定的间距，且间距相等，两个相邻的所述结构单元共用一个菱形谐振器。
2.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述金属反射层形成于衬底层上，主要用于反射光，所述衬底层选自石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底、石英衬底、FTO导电玻璃衬底、ITO衬底、PEN塑料衬底、PET衬底、铝衬底或铜衬底。
3.根据权利要求2所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述衬底层为蓝宝石衬底或者石英衬底。
4.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述金属反射层的厚度为100纳米至300纳米。
5.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述金属反射层材质为金、银、钨、钛中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述电介质层厚度为50纳米至80纳米，菱形谐振器的长半轴为100纳米至120纳米，菱形谐振器的短半轴为30纳米至50纳米，长轴同轴向排列的一组中的两个菱形谐振器的间距为10纳米至40纳米。
7.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述电介质层厚度为70纳米，菱形谐振器长半轴为110纳米，短半轴为40纳米，谐振器间隙为20纳米，金属反射层厚度为100纳米。
8.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述电介质层材料为硅、二氧化钛、锗中的一种。
9.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器对于波长为262纳米至709纳米的范围内的光的吸收率大于90％，吸收带宽为447纳米，最大的吸收在453纳米处为99.1％，并且平均吸收效率高达95.5％。
10.根据权利要求1所述的基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器对可见光波段380纳米至760纳米的范围内的光的平均吸收效率为93.3％，对于200纳米至800纳米波段的光的平均吸收效率为87.3％。
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