CN110398794B

CN110398794B - 一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法

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Publication number: CN110398794B
Application number: CN201910674106.2A
Authority: CN
Inventors: 刘正奇; 柳叶; 唐倩; 刘桂强; 刘晓山; 付国兰; 詹学峰
Original assignee: Jiangxi Normal University
Current assignee: Jiangxi Normal University
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: CN110398794A

Abstract

本发明提供了一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法，该吸波器包括基底层、连接于基底层上表面的介质层、连接于介质层上表面的硅基超表面结构层；其中，所述硅基超表面结构层上设置有均匀排列的若干圆柱形孔，所述基底层由不透明金属材料制成。本发明涉及的技术解决了现有技术中存在的无法实现吸波器工作波长的定量调控的技术问题，实现可人工精确调控吸波器吸收波长的技术手段。

Description

一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法

技术领域

本发明涉及吸波器技术领域，具体涉及一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法。

背景技术

当光通过材料时，光与材料中的原子、电子相互作用时即可发生光的吸收。在宏观尺度上，光入射到结构上，可以与结构产生共振，从而实现特定频率或波长的光被吸收。通过采用不同材料和不同结构可以设计和实现具有不同吸收响应的结构体系。比如，利用金属材料本身的强自由电荷的震荡，进而产生等离激元共振，可以产生于等离激元共振频率匹配的光的强吸收。近期，基于金属共振单元，人们进一步开发了具有对电磁波包括太阳光的完美吸收结构。这些完美吸收器往往呈现的是在某一个特定共振波长处的强光吸收。基于金属材料的特性以及金属颗粒尺寸大小等因素与等离激元共振频率之间存在一定的关联特性，人们可以选择不同的材料、不同的结构尺寸来设计在不同频率范围内的完美吸波器。完美吸波通常指的是吸收率超过90％的光吸收。然而，这种对吸波器工作波长的选择性设计无法实现定量的、准确的预测。也就是说，人们只能定性地理解和运用金属材料与结构尺寸大小与共振吸收波长之间的关联特性，无法按照某个定量的公式来进行设计和开发。这主要是因为等离激元共振是来源于金属材料内在的大量自由电荷的集体震荡，引入了非经典的物理因素，因而无法获得定量的表述。

最近，基于高折射率介质材料，比如，半导体材料，人们发现此类材料也具有强的电磁共振特性。不同半导体材料、不同结构尺寸大小可以在不同频率处产生强的光吸收响应。运用半导体材料设计和开发出了不同几何形貌的共振单元，获得了在特定波长处的高光吸收响应。结合这些半导体共振单元和金属膜层，人们进一步设计了具备产生完美吸收响应的复合结构。虽然人们通过采用不同几何结构的半导体共振单元，比如，柱体、球体，可以实现在某些波长的共振吸收。但如何定量地调控吸波器的工作波长依然是一个未知的技术领域。

半导体材料具有非常优异的光电响应特性。这是因为基于半导体材料，光吸收后可以经过光电效应实现光电子的产生，进而与外接器件进行连接，实现各种功能性的器件设计和开发。比如，光电探测器、传感器等都是基于此类原理。光电探测器能把光信号转换为电信号。光电探测器在国防军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动检测与控制、光谱测量与光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。而其中最核心的元件则是光电转换的芯片，它决定了吸收光子的效率和光电转换的效应。光子吸收效率的极限是100％的吸收，这与完美吸收响应具有很好的匹配性。而光电转换则是基于半导体材料的响应效率。置于完美吸波器中的半导体材料自然具有极其优越的光学和光电响应特性。这是完美吸波器的一个重要的应用前景。然而，光电探测等器件往往需要设计对某一特定或某几个特定频率或波长处的光进行高效吸收和探测，这种定量的设计要求是推动器件开发和降低设计成本的关键所在。但是，现有技术依然无法实现这种定量、精确的吸波器工作波长的设计和开发。并且，现有技术往往只能在某一个单一波长处产生高的光吸收，无法基于同一个吸波器在多个波长处产生高光吸收，因而不利于多工作波长高效光吸收和应用，也限制了在高集成元器件方面的应用开发。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的无法实现吸波器工作波长无法定量可调的技术问题，同时解决基于半导体材料共振单元难以产生多工作波长高效光吸收的技术问题。

为此，本发明提供了一种工作波长可定量调控的硅基吸波器，它包括：

基底层；

连接于基底层上表面的介质层；

连接于介质层上表面的硅基超表面结构层；

其中，所述硅基超表面结构层上设置有均匀排列的若干圆柱形孔，所述基底层由不透明金属材料制成。

进一步地，所述若干圆柱形孔按六角阵列排列。

进一步地，所述硅基超表面结构层由半导体硅材料制成。

进一步地，所述介质层由二氧化硅材料制成。

进一步地，所述不透明金属材料为金或银。

上述的工作波长可定量调控的硅基吸波器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备洁净的硅片或者玻璃片备用；

步骤2、在步骤1准备好的洁净硅片或者玻璃片上沉积一层金属膜，形成基底层；

步骤3、在步骤2的基底层上沉积一层介质膜，形成介质层；

步骤4、在步骤3的介质层上按照六角形阵列铺设胶体球，形成胶体球阵列层；

步骤5、运用化学刻蚀技术刻蚀胶体球阵列，使胶体球之间产生空隙，形成彼此分隔开的非密排胶体球阵列层；

步骤6、在所述空隙内沉积一层硅膜，形成彼此分隔开的非密排胶体球阵列层与硅膜层的复合结构层；

步骤7、剥离彼此分隔开的非密排胶体球阵列层，得到工作波长可定量调控的硅基吸波器。

进一步地，步骤4中所述胶体球通过胶体自组装铺设于所述介质层上。

进一步地，步骤2、步骤3、步骤6中的沉积为物理沉积。

进一步地，步骤7中的剥离为物理剥离或者化学刻蚀剥离。

本发明的有益效果：工作波长可定量调控的硅基吸波器由下及上依次设置基底层、介质层和硅基超表面结构层，介质层连接于基底层上表面，硅基超表面结构层连接于介质层上表面，基底层由不透明金属材料制成。硅基超表面结构层为空气圆柱形二维阵列嵌套在硅膜层中，形成一个多孔阵列的硅基超表面结构，为入射光场提供一个良好的耦合环境，硅基超表面结构层中的二维圆柱形孔为定量调控吸波器工作波长提供了良好的操作平台，下层基底层用金属材料制成，不仅能抑制光的透射，还可以与入射光产生等离激元共振响应，实现更为高效的光吸波响应。中间的介质层结构从物理上隔开了上层的硅基超表面结构与下层金属基底，同时构成了一种光学共振微腔结构，进一步提供了与入射光的耦合环境，硅基超表面结构与光学共振微腔结构为产生多波长共振吸收提供了良好的耦合环境。在入射光的照射下，在可见-近红外波段(0.515μm-0.855μm)内，产生了三个高光吸收峰。吸收光谱具有对入射光偏振角度不敏感的特性。通过改变硅基超表面结构中的圆柱形孔的直径，实现了对硅基吸波器工作波长的波长范围的定量调控。解决了现有技术中存在的无法实现吸波器工作波长无法定量可调的技术问题，同时解决基于半导体材料共振单元难以产生多工作波长高效光吸收的技术问题。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明中工作波长可定量调控的硅基吸波器的立体结构图。

图2为本发明中工作波长可定量调控的硅基吸波器的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例1中工作波长可定量调控的硅基吸波器的吸收光谱图。

图4为本发明实施例1和对比例1中工作波长可定量调控的硅基吸波器的吸收光谱图。

图5为本发明实施例1中工作波长可定量调控的硅基吸波器采用不同偏振角度的入射光所得到的吸收光谱图。

图6为本发明实施例1-3中工作波长可定量调控的硅基吸波器的吸收光谱图。

图中：1、基底层；2、介质层；3、硅基超表面结构层；31、圆柱形孔；32、半导体硅材料。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种工作波长可定量调控的硅基吸波器，由下及上依次设有基底层1、介质层2、硅基超表面结构层3，介质层2连接于基底层1上表面，硅基超表面结构层3连接于介质层2上表面；硅基超表面结构层3由半导体硅材料32制成，硅基超表面结构层3上设有若干圆柱形孔31。具体而言，硅基超表面结构层3由不少于两个的完全相同的圆柱形孔31按六角形阵列排列在半导体硅材料32上构成。圆柱形孔31嵌入硅基超表面结构层3的深度为圆柱形孔31的高度。基底层1由不透明金属材料制成，不透明金属材料可以是金、银等。

六角形阵列排列的圆柱形孔31是通过胶体自组装铺设胶体球阵列层于所述介质层2上，运用化学刻蚀技术刻蚀胶体球阵列，形成彼此分隔开的非密排胶体球阵列层，通过剥离技术去除非密排胶体球阵列层，得到圆柱形孔31。胶体球由聚合物材料制成，具体为聚苯乙烯等聚合物材料。

具体而言，上述的工作波长可定量调控的硅基吸波器可以按照以下步骤制备：

步骤1、准备洁净的硅片或者玻璃片备用；

步骤2、在步骤1准备好的洁净硅片或者玻璃片上沉积一层金属膜，形成基底层1；

步骤3、在步骤2的基底层1上沉积一层介质膜，形成介质层2；

步骤4、在步骤3的介质层2上按照六角形阵列铺设胶体球，形成胶体球阵列层；

其中，步骤4中所述胶体球通过胶体自组装铺设于所述介质层2上。步骤2、步骤3、步骤6中的沉积为物理沉积。步骤7中的剥离为物理剥离或者化学刻蚀剥离。

圆柱形孔31嵌套于硅基膜层中，形成硅基超表面结构层3，可以通过改变圆柱形孔31的直径来改变硅基超表面结构层3的结构形貌特征。而硅基超表面结构层3是产生强光吸收响应的主要共振单元，因此可以通过改变圆柱形孔31的直径来实现对硅基共振单元的改变，进而调控共振吸收峰的工作波长。介质层2刚好处于基底层1与硅基超表面结构层3中间，构成了一种光学共振微腔结构，进一步提供了与入射光的耦合环境，为多波长吸波响应提供了途径。

实施例1：

本实施例公开了一种工作波长可定量调控的硅基吸波器，具体如下：

基底层1的厚度h₁＝250nm；

介质层2的厚度h₂＝30nm；

硅基超表面结构层3的厚度h₃＝60nm，其上圆柱形孔31的直径D＝350nm，相邻圆柱形孔31中心的间距p＝500nm；

其中，硅基超表面结构层3材料为硅，介质层2的材料为二氧化硅，基底层1的材料为金。

如图3中虚线为本实施例工作波长可定量调控的硅基吸波器的反射光谱，可以看出，反射光谱中有3个明显的反射谷，且在近红外波段的反射谷非常弱，几乎接近于0。

如图3中实线为本实施例工作波长可定量调控的硅基吸波器的吸收光谱，可以看出，三个强的吸收峰分别分布在可见-近红外区域内。在波长0.538μm处，吸收率为0.9；在波长0.621μm处，吸收率为0.98；在波长0.743μm处，吸收率为0.97；产生了三个吸收效率都超过90％的光谱吸收峰，实现了多波长共振吸收的光学吸波器，由此可见，硅基超表面结构产生了多工作波长的光谱吸收。

图5是采用不同偏振角度的入射光得到的吸收光谱。可以发现，工作波长可定量调控的硅基吸波器的吸收峰的位置和吸收率都不因入射光的偏振角度改变为改变，由此可见，吸波器具有偏振角度不敏感，可用于复杂电磁环境而不受偏振角度的影响。

实施例2：

基底层1的厚度h₁＝250nm；

介质层2的厚度h₂＝30nm；

硅基超表面结构层3的厚度h₃＝60nm，其上圆柱形孔31的直径D＝300nm，相邻圆柱形孔31中心的间距p＝500nm；

实施例3：

基底层1的厚度h₁＝250nm；

介质层2的厚度h₂＝30nm；

硅基超表面结构层3的厚度h₃＝60nm，其上圆柱形孔31的直径D＝400nm，相邻圆柱形孔31中心的间距p＝500nm；

如图6所示，通过改变圆柱形孔31的直径，改变的范围从300nm到400nm，三个吸收峰的光谱波长位置随圆柱形孔31的直径大小而呈现的改变。通过描点和线性拟合，可以得到硅基吸波器三个工作波长与圆柱形孔31的直径间的精确关系式，且先行拟合因子高达0.99，意味着是接近100％的线性关系。比如，最长波段的吸收峰工作波长可以写为λ₁＝935.37-0.554D(nm)，其中D为圆柱形孔31的直径。基于此表述公式，我们可以定量地选择不同的圆柱形孔31的直径D来实现对应特定的硅基吸波器的工作波长。由此可见，硅基吸波器的工作波长得以定量化调控。

对比例1：

本对比例公开了一种硅基吸波器，具体如下：

基底层1的厚度h₁＝250nm；

介质层2的厚度h₂＝30nm；

硅基超表面结构层3的厚度h₃＝60nm，其上没有圆柱形孔；

如图4中虚线所示，当硅基超表面结构层3为连续平整膜层时，即硅基超表面结构层3中没有嵌套圆柱形孔31时，吸收光谱只在短波段产生了一个吸收峰，波长为0.522μm处，吸收率为0.73；说明没有嵌套圆柱形孔31硅基超表面结构层3吸波器只能产生一个弱的吸收峰。

如图4中圆圈-实线所示，当硅基超表面结构层3嵌套了圆柱形孔31时，我们可以清楚的看到，光谱的吸收增强(硅基超表面结构层3嵌套与没有嵌套圆柱形孔31时的吸收率的差值)不仅在第一个吸收峰处产生了36％的吸收增强，而且在其他两个吸收波长处产生了分别产生了94％和96％的吸收增强。由此可见，相比于硅基膜层的吸收响应，硅基超表面结构层3能在长波段产生新的吸收峰，同时也能增强3个吸收峰波长处的吸收效率。

综上所述，在入射光的照射下，在可见-近红外波段(0.515μm-0.855μm)内，产生了三个高光吸收峰。吸收光谱具有对入射光偏振角度不敏感的特性。通过改变硅基超表面结构中的圆柱形孔的直径，实现了硅基吸波器工作波长的波长范围随圆柱形孔的直径改变而呈现的定量和规律性的改变，获得了基吸波器工作波长的定量调控。

本发明的工作波长可定量调控的硅基吸波器结构简单，易于制备，简化实验制备流程，节省人力物力，易于实际推广生产，具有很高的实用价值。

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

1.一种工作波长可定量调控的硅基吸波器，其特征在于：所述工作波长可定量调控的硅基吸波器包括：

基底层；

连接于基底层上表面的介质层；

连接于介质层上表面的硅基超表面结构层；

其中，所述硅基超表面结构层上设置有均匀排列的若干圆柱形孔，定量地选择不同的圆柱形孔的直径来实现对应特定的硅基吸波器的工作波长，所述圆柱形孔的直径为300nm、350nm或400nm；所述基底层由不透明金属材料制成，所述硅基超表面结构层由半导体硅材料制成，所述介质层由二氧化硅材料制成；所述若干圆柱形孔按六角阵列排列；

所述基底层的厚度为250nm，所述介质层的厚度为30nm，所述硅基超表面结构层的厚度为60nm；

所述的工作波长可定量调控的硅基吸波器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备洁净的硅片或者玻璃片备用；

步骤3、在步骤2的基底层上沉积一层介质膜，形成介质层；

2.根据权利要求1所述的工作波长可定量调控的硅基吸波器，其特征在于：步骤4中所述胶体球通过胶体自组装铺设于所述介质层上。

3.根据权利要求1所述的工作波长可定量调控的硅基吸波器，其特征在于：步骤2、步骤3、步骤6中的沉积为物理沉积。

4.根据权利要求1所述的工作波长可定量调控的硅基吸波器，其特征在于：步骤7中的剥离为物理剥离或者化学刻蚀剥离。