CN110346853B - 一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可见‑近红外波段的可调谐双频完美吸收器。该吸收器包括金属基底层、介质纳米棒结构阵列层、金属‑介质‑金属核壳纳米棒结构阵列层。该吸收器在可见光波段的749纳米和近红外波段的1749纳米处出现了两个完美吸收峰，吸收均超过98％，且这两个完美吸收峰对入射光角度和偏振态的变化不敏感。该吸收器还具有高灵敏度的光学传感性能，对环境折射率变化检测的传感灵敏度高达783.705纳米/RIU，在性能上超越了传统的吸收器。

Description

一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器
技术领域
本发明涉及光电材料和光子学等领域，涉及一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器。
背景技术
表面等离激元(Surface Plasmons，SPs)是由金属的表面自由电子在光的照射下所引起的集体振荡模式，可在金属表面形成极强的局域电磁场增强效应，从而导致各种新奇的光学现象，如Fano共振、增强光透射和局域电磁场增强效应等。
超材料是指人工设计和制造的周期性亚波长复合结构材料。近年来，基于金属表面等离激元而构建的超材料(Plasmonic Metamaterials)因其奇异的电磁响应特性，已成为物理学、材料学、电磁学及化学等学科研究的新兴领域之一。基于表面等离激元超材料的不同设备，如吸收器、超级透镜、隐身斗篷、天线和滤波器等，已被成功地设计、制作出来，并实现了相应功能的实际应用。
完美吸收器是一种基于表面等离激元超材料特性的一种电磁谐振吸收器，其概念最早出现在《Physical Review Letters》(Phys.Rev.Lett.,2008,100,207402)上。典型的完美吸收器主要由金属-介质-金属三层膜结构堆叠组成。不透光的金属基底可以有效阻止光的传输，使得光的透过率为0。通过合理的设计及调整器件结构单元的形状、尺寸、排列方式或选取不同的材料，可使得在某一波长范围内光的反射率(R)和光透射率(T)均趋近于0，从而可实现接近100％的吸光度(A＝1-R-T)，获得单频、多频或者宽带完美吸收。自2008年起，完美吸收器获得了国内外研究人员的广泛关注，开拓了各种波段如紫外波段、可见光波段、近红外波段等的电磁波完美吸收器。然而，这些超材料吸收器大多局限于用于太阳能捕获和转换的宽频带完美吸收，这在很大程度上限制了超材料吸收器的应用范围。
近年来，基于等离激元传感应用的窄带完美吸收器的研究越来越多，例如：Liu等制造了一种等离激元传感器，折射率灵敏度(S)为400纳米/RIU，且吸收达到了99％[NatureMaterials，10(12)：911-921，2011]；Cetin等提出了一种用于生物传感的壳/核等离激元结构，其折射率灵敏度(S)为648纳米/RIU[ACS Nano 6(11)：9989-9995，2012]。但基于表面等离激元完美吸收器大多工作频段单一、带宽较宽且工作频率固定。
综上所述，如何突破已有研究体系的局限实现双频窄带且可用于光学传感器的完美吸收器依然是当前研究的一个难题。因此，设计并实现具有可见-近红外光谱范围的可调谐双频窄带完美吸收响应的结构体系具有重要的现实意义和应用价值。
发明内容
为了克服单频带吸收的不足之处，解决偏振敏感等问题，本发明提供一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器。
本发明的一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，包括：
金属基底层；
设置在所述的金属基底层上的介质纳米棒结构，所述的介质纳米棒结构由介质纳米棒组成，且形状为柱状；
设置在所述的介质纳米棒结构上的金属-介质-金属核壳纳米棒结构，所述的金属-介质-金属核壳纳米棒结构由第一金属纳米棒、介质纳米棒和第二金属纳米棒组成，且形状为柱状；其中，第一金属纳米棒位于中间，介质纳米棒环绕第一金属纳米棒设置，第二金属纳米棒环绕介质纳米棒设置。
优选的，所述的介质纳米棒结构的形状为圆柱状，其半径范围为78-82纳米，高度范围为30-50纳米。
优选的，所述的阵列为正方形网格排列的周期阵列，且周期范围为180-230纳米。即所述的介质纳米棒结构按在所述的金属基底层上，相邻介质纳米棒结构的中心距离为180-230纳米。
优选的，所述的金属-介质-金属核壳纳米棒结构的形状为圆柱状，其半径为78-82纳米，高度为28-34纳米；其中，位于中间的第一金属纳米棒的半径范围为47-53纳米，环绕第一金属纳米棒设置的介质纳米棒的厚度范围为10-20纳米，环绕介质纳米棒设置的第二金属纳米棒的厚度范围为11-19纳米。
优选的，所述的介质纳米棒结构与所述的金属-介质-金属核壳纳米棒结构的半径相等。
优选的，所述的金属基底层的厚度不小于100纳米。
优选的，所述的金属为金、银或铝。
优选的，所述的介质为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。
上述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器能够应用于制作高灵敏的光学传感器。
本发明的有益效果：能够克服传统的完美吸收器的单频段吸收、偏振敏感等问题；利用等离激元共振模式，通过优化结构的尺寸和材料参数可实现在可见-近红外波段的可调谐双频的近完美吸收，在完美吸收器、光学传感器和滤波器领域蕴藏巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的结构示意图。
图2为本发明实施例1中一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的吸收光谱。
图3为本发明实施例1-3中可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的吸收光谱。
图4为本发明实施例1、4、5中可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的吸收光谱。
图5为本发明实施例1、6、7中可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的吸收光谱。
图6为本发明实施例1中一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器在不同入射光偏振角度照射下的吸收光谱图。
图7为本发明实施例1中一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器随环境折射率改变的光谱响应。
图8为本发明实施例1中本发明实施例中一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器随环境折射率改变的光谱响应灵敏度(S)。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。以下实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。这些实施例仅用于描述本发明，而不用于限制本发明的范围。
图1显示了本发明的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的结构，由下往上依次为金属基底层1、介质纳米棒结构阵列层、金属-介质-金属核壳纳米棒结构阵列层。介质纳米棒结构阵列层包括若干阵列在金属基底层1上的介质纳米棒结构2，阵列方式优选为周期阵列。介质纳米棒结构2由介质纳米棒组成，形状为柱状。金属-介质-金属核壳纳米棒结构阵列层包括若干设置在介质纳米棒结构2上的金属-介质-金属核壳纳米棒结构3。金属-介质-金属核壳纳米棒结构3由第一金属纳米棒31、介质纳米棒32和第二金属纳米棒33组成，且形状为柱状，其中，第一金属纳米棒31位于中间，介质纳米棒32环绕第一金属纳米棒31设置，第二金属纳米33棒环绕介质纳米棒32设置。在图1中，P表示介质纳米棒结构和金属-介质-金属核壳纳米棒结构的阵列周期，取值可以为180-230纳米；h2表示介质纳米棒结构的高度，取值可以为30-50纳米；h1表示金属-介质-金属核壳纳米棒结构的高度，取值可以为28-34纳米；R3表示金属-介质-金属核壳纳米棒结构中第一金属纳米棒的半径，取值可以为47-53纳米；R2表示金属-介质-金属核壳纳米棒结构中介质纳米棒的外半径，取值可以为63-67纳米；R1表示金属-介质-金属核壳纳米棒结构中第二金属纳米棒的外半径，取值可以为78-82纳米。金属选用金、银或铝；介质选用二氧化硅、氧化铝或氟化镁。
通过调节阵列周期以及纳米棒结构的结构参数来优化吸收性能，结构参数包括形状和大小，形状可以为圆柱状或棱柱状，大小可以是半径、长度、宽度或高度。
本发明的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器可按照以下步骤制备：
步骤1：将抛光石英晶衬底进行清洗并烘干或晾干；
步骤2：在所述抛光石英晶衬底沉积金属基底层；
步骤3：在所述金属基底层上涂覆第一层光刻胶，并利用电子束曝光、显影获得空心圆柱孔阵列结构；
步骤4：在步骤3制备的结构上依次沉积介质层、金属层；
步骤5：在所述介质层上涂覆第二层光刻胶，并利用电子束曝光、显影得到环形圆柱形空气孔阵列；
步骤6：在步骤5制备的结构上沉积介质层；
步骤7：剥离多余的光刻胶、介质和金属材料，获得所述的目标结构。
所述沉积过程可以采用物理沉积技术，包括磁控溅射法、真空电子束蒸发沉积法、离子束溅射沉积法或原子层沉积法。
实施例1：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为50纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为50纳米，外半径为65纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为65纳米，外半径为80纳米)。
实施例2：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为81纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为50纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为50纳米，外半径为65纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为16纳米(即内半径为65纳米，外半径为81纳米)。
实施例3：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为79纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为50纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为50纳米，外半径为65纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为14纳米(即内半径为65纳米，外半径为79纳米)。
实施例4：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为49纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为49纳米，外半径为64纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为16纳米(即内半径为64纳米，外半径为80纳米)。
实施例5：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为51纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为51纳米，外半径为66纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为14纳米(即内半径为66纳米，外半径为80纳米)。
实施例6：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为49纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为16纳米(即内半径为49纳米，外半径为65纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为65纳米，外半径为80纳米)。
实施例7：
一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，由下往上依次为：
金基底(基底的材料为金)，形状为扁平状，厚度为150纳米；
若干以200纳米为周期阵列在金基底上的二氧化硅纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h2)为50纳米；
若干设置在二氧化硅纳米棒结构上的金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构，形状为圆柱状，半径为80纳米，高度(h1)为30纳米；其中，金-二氧化硅-金核壳纳米棒结构由第一金纳米棒、二氧化硅纳米棒和第二金纳米棒组成，第一金纳米棒形成圆柱状，半径为51纳米；二氧化硅纳米棒形成环状，厚度为14纳米(即内半径为51纳米，外半径为65纳米)；第二金纳米棒形成环状，厚度为15纳米(即内半径为65纳米，外半径为80纳米)。
对上述实施例中的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器进行测试，测试结果如附图所示。
从图2可以看出，实施例1的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器在可见-近红外波段的749纳米和1749纳米处出现了两个完美吸收峰，吸收分别为98.2％和99.7％。
从图3可以看出，可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器中当金属-介质-金属核壳纳米棒阵列R2＝65纳米，R3＝50纳米，R1从79纳米增加到81纳米时对应的吸收光谱，可以看到两吸收峰发生了明显光谱移动且吸收都高于90％。
从图4可以看出，可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器中当金属-介质-金属核壳纳米棒阵列R1＝80纳米，在保持R2-R3＝15纳米的情况下，R2(R3)从64(49)纳米增加到66(51)纳米时对应的吸收光谱，可以清楚的看到吸收峰发生了显著移动，低频段吸收率减小但仍为双频吸收。
从图5可以看出，可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器中当金属-介质-金属核壳纳米棒阵列R1＝80纳米，R2＝65纳米，R3从49纳米增加到51纳米时对应的吸收光谱，可以清楚的看到吸收峰发生了光谱移动，低频段吸收率减小但仍高于60％。
从图6可以看出，将上述实施例1的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器在偏振角度不同的入射光照射下均能形成完美的的吸收，从而进一步提高吸收器在不同电磁偏振环境下的吸收性能。
将上述实施例1的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器放置于不同折射率的环境中，所得吸收光谱如图7所示。由图7可见，随环境折射率从1.00增加到1.20，两个吸收峰都呈现明显的光谱红移，展现了高的光谱频移灵敏度(如图8)，灵敏度高达783.705纳米/RIU。
综上所述，本实施例中可见-近红外波段可调谐双频完美吸收器可以实现对光的完美吸收。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，包括：
金属基底层；
设置在所述的金属基底层上的介质纳米棒结构，所述的介质纳米棒结构由介质纳米棒组成，且形状为柱状；
设置在所述的介质纳米棒结构上的金属-介质-金属核壳纳米棒结构，所述的金属-介质-金属核壳纳米棒结构由第一金属纳米棒、介质纳米棒和第二金属纳米棒组成，且形状为柱状；其中，第一金属纳米棒位于中间，介质纳米棒环绕第一金属纳米棒设置，第二金属纳米棒环绕介质纳米棒设置。
2.根据权利要求1所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述介质纳米棒结构阵列设置在所述金属基底层上，阵列方式为周期阵列，所述介质纳米棒结构和金属-介质-金属核壳纳米棒结构的阵列周期范围均为180-230纳米。
3.根据权利要求2所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述的介质纳米棒结构的形状为圆柱状，其半径范围为78-82纳米，高度范围为30-50纳米。
4.根据权利要求3所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述的金属-介质-金属核壳纳米棒结构的形状为圆柱状，其半径范围为78-82纳米，高度为28-34纳米；其中，位于中间的第一金属纳米棒的半径范围为47-53纳米，环绕第一金属纳米棒设置的介质纳米棒的厚度范围为10-20纳米，环绕介质纳米棒设置的第二金属纳米棒的厚度范围为11-19纳米。
5.根据权利要求4所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述的介质纳米棒结构与所述的金属-介质-金属核壳纳米棒结构的半径相等。
6.根据权利要求1所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述的金属基底层的厚度不小于100纳米。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述的金属为金、银或铝。
8.根据权利要求7所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器，其特征在于：所述的介质为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。
9.根据权利要求8所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器的应用，其特征在于：所述的可见-近红外波段的可调谐双频完美吸收器用于制作光学传感器。
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