CN110346854B - 一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，属于超材料领域。所述吸收器包括金属层、介质层和周期性金属纳米结构阵列层；所述金属层作为反射层放置在底层，所述介质层位于金属层和周期性金属纳米结构阵列层之间；所述周期性金属纳米结构阵列层由中间刻蚀有空气孔的金属圆柱体周期排列而成。本发明能够实现超窄多频带的完美吸收，且该完美吸收对正入射光下的偏振态变化不敏感。该吸收器的最大吸收高达99.9％，最大带宽不超过30纳米，传感灵敏度达到325纳米/RIU。

Description

一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器
技术领域
本发明涉及光学特性技术领域，具体涉及一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器。
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。
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”。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的形状、尺寸、排列方式、介质的厚度和材料属性来调节电响应和磁响应，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、多频或者宽带近100％的完美吸收。自电磁波完美吸收器被提出后，国内外研究人员通过大量的研究和实验，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。
目前，为了开拓超材料吸收器的应用范围，窄带乃至超窄带完美吸收器引起了广泛关注，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，这在很大程度上限制了超材料吸收器的应用范围。
综上所述，如何突破已有研究体系的局限实现多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
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，该完美吸收器具有超窄多频带、偏振无关、近完美吸收、折射率传感灵敏度高和可调节等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，包括：
金属层；
设置在所述的金属层上的介质层；
设置在所述的介质层上的周期性金属纳米结构阵列层，所述的周期性金属纳米结构阵列层由中间刻蚀有空气孔的金属圆柱体呈周期排列而成。
可选的，所述的金属为金、铝、银或铜。
可选的，所述的介质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氟化镁。
可选的，所述的金属层的厚度不小于100纳米，所述的介质层的厚度范围为100-130纳米。
可选的，所述的空气孔的形状为三棱柱体、四棱柱体或圆柱体。
可选的，所述的周期性金属纳米结构阵列层中的金属圆柱体的半径(R)范围为180-240纳米，金属圆柱体的高度范围为25-35纳米。
可选的，所述的空气孔的高度与所述的金属圆柱体的高度相等。
可选的，所述的周期性金属纳米结构阵列层的阵列周期范围为500-700纳米。
上述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器可以用于制作高品质的光学传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：结构简单，易于制造，通过调节结构尺寸和优化材料参数，可在可见-近红外波段实现超窄多频带的完美吸收，且具有偏振不敏感、可调节、光学传感灵敏度高等特点，在性能上超越了传统的吸收器。
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为本发明实施例中一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的结构示意图；图1中：1、金属层；2、介质层；3、周期性金属纳米结构阵列层。
图2为本发明实施例一中一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的三频带吸收光谱图。
图3为本发明实施例二中一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的三频带吸收光谱图。
图4为本发明实施例三中一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的三频带吸收光谱图。
图5为本发明实施例四中一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的四频带吸收光谱图。
图6为本发明实施例一中一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的折射率传感结果图。
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。这些实施例仅用于本发明，而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，由下至上依次为金属层1、介质层2、周期性金属纳米结构阵列层3。周期性金属纳米结构阵列层3由金属圆柱体呈四方周期排列而成，其中金属圆柱体中间刻蚀有空气孔。空气孔的形状为三棱柱体、四棱柱体或圆柱体。金属材料采用金、铝、银或铜。金属层厚度不小于100纳米。金属纳米结构阵列层3中的金属圆柱体的半径(R)范围为180-240纳米，金属圆柱体的高度为25-35纳米，金属纳米结构阵列的周期为500-700纳米。介质层厚度范围为100-130纳米，其材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氟化镁。
本发明的与偏振无关的超窄多频带可调谐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从下往上依次沉积金属基底层、介质层；
步骤3：在所述介质层上涂覆光刻胶，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制备的结构上沉积金属层；
步骤5：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。
实施例一：
一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，由下至上依次为：
金层，其厚度为100纳米；
设置在金层上的二氧化硅层，其厚度为120纳米；
设置在二氧化硅层上的周期性金纳米结构阵列层，包括若干以周期为600纳米排列的金纳米圆柱体，每个金纳米圆柱体的半径(R)为210纳米，每个金纳米圆柱体中刻蚀有三棱柱体空气孔；三棱柱体空气孔底面等边三角形的中心与金纳米圆柱体的圆形底面中心重叠，三棱柱体空气孔中等边三角形底边上的高(h△)为180纳米，三棱柱体空气孔和金纳米圆柱体的高(h1)均为30纳米。
图2为此实施例的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的三频带吸收光谱图。从图2可以看出，在779纳米(λ1)、846纳米(λ2)和1038纳米(λ3)的吸收分别为99.6％、99.9％和99.8％，对应的带宽分别为19纳米、20纳米和24纳米。
实施例二：
一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，由下至上依次为：
金层，其厚度为100纳米；
设置在金层上的二氧化硅层，其厚度为120纳米；
设置在二氧化硅层上的周期性金纳米结构阵列层，包括若干以500纳米为周期阵列的金纳米圆柱体，每个金纳米圆柱体的半径(R)为210纳米，每个金纳米圆柱体中刻蚀有三棱柱体空气孔；三棱柱体空气孔底面等边三角形的中心与金纳米圆柱体的圆形底面中心重叠，三棱柱体空气孔中等边三角形底边上的高(h△)为180纳米，三棱柱体空气孔和金纳米圆柱体的高度(h1)均为30纳米。
图3为此实施例的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的三频带吸收光谱图。从图3可以看出，在726纳米(λ1)、823纳米(λ2)和1031纳米(λ3)的吸收分别为99.6％、99.0％和99.8％，对应的带宽(即半峰全宽)分别为24纳米、30纳米和28纳米。
实施例三：
一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，由下至上依次为：
金层，其厚度为100纳米；
设置在金层上的二氧化硅层，其厚度为120纳米；
设置在二氧化硅层上的周期性金纳米结构阵列层，包括若干以600纳米为周期阵列的金纳米圆柱体，每个金纳米圆柱体的半径(R)为210纳米，每个金纳米圆柱体中刻蚀有三棱柱体空气孔；三棱柱体空气孔底面等边三角形的中心与金纳米圆柱体的圆形底面中心重叠，三棱柱体空气孔中等边三角形底边上的高(h△)为195纳米，三棱柱体空气孔和金纳米圆柱体的高度(h1)均为30纳米。
图4为此实施例的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的三频带吸收光谱图。从图4可以看出，在780纳米(λ1)、851纳米(λ2)和1048纳米(λ3)处的吸收分别为94.8％、96.1％和99.1％，对应的带宽(即半峰全宽)分别为17纳米、17纳米和30纳米。
实施例四：
一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，由下至上依次为：
金层，其厚度为100纳米；
设置在金层上的二氧化硅层，其厚度为120纳米；
设置在二氧化硅层上的周期性金纳米结构阵列层，包括若干以600纳米为周期阵列的金纳米圆柱体，每个金纳米圆柱体的半径(R)为210纳米，每个金纳米圆柱体中刻蚀有三棱柱体空气孔；三棱柱体空气孔底面等边三角形的中心沿着图一中所标示的x轴方向移动，使之偏离金纳米圆柱体的圆形底面中心20纳米，三棱柱体空气孔中等边三角形底边上的高(h△)为180纳米，三棱柱体空气孔和金纳米圆柱体的高度(h1)均为30纳米。
图5为此实施例的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的四频带吸收光谱图。从图5可以看出，在787纳米、848纳米、892纳米和1041纳米等处的吸收分别为99.4％、98.1％、92.8％和86.6％，对应的带宽(即半峰全宽)分别为20纳米、21纳米、11纳米和23纳米。
将实施例一的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器放置于不同折射率的环境中，环境的折射率从1.00递增到1.20，对应图2中λ1、λ2和λ3的吸收峰波长随折射率改变的情况如图6所示。从图6中可以得出，这三个波峰对应的折射率灵敏度依次为248纳米/RIU、222纳米/RIU和325纳米/RIU。
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，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 (7)

1.一种与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，包括：
金属层；
设置在所述的金属层上的介质层，所述的介质层的厚度范围为100-130纳米；
设置在所述的介质层上的周期性金属纳米结构阵列层，所述的周期性金属纳米结构阵列层由中间刻蚀有空气孔的金属圆柱体呈周期排列而成，周期排列方式为四方周期阵列，所述空气孔的形状为三棱柱体，空气孔的底面为等边三角形；所述空气孔底面的几何中心偏离所述金属圆柱体的圆形底面中心20纳米，偏离方向为四方周期阵列中同一列金属圆柱体的圆形底面中心连成的直线所在的方向；所述的周期性金属纳米结构阵列层中的金属圆柱体的半径范围为180-240纳米，金属圆柱体的高度范围为25-35纳米。
2.根据权利要求1所述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，其特征在于：所述的金属为金、铝、银或铜。
3.根据权利要求2所述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，其特征在于：所述的介质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氟化镁。
4.根据权利要求3所述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，其特征在于：所述的金属层的厚度不小于100纳米。
5.根据权利要求3所述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，其特征在于：所述的空气孔的高度与所述的金属圆柱体的高度相等。
6.根据权利要求3所述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器，其特征在于：所述的周期性金属纳米结构阵列层的阵列周期为500-700纳米。
7.根据权利要求1~6任一权利要求所述的与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器的应用，其特征在于，所述与偏振无关的超窄多频带可调谐完美吸收器用于制作光学传感器。
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