CN110488399A - 一种超薄紫外-可见光波段光吸收器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种紫外‑可见光波段光吸收器及其制备方法。该光吸收器由下及上依次设有基底层、非金属介质层和金属颗粒层，非金属介质层连接于基底层的上表面，金属颗粒层连接于非金属介质层的上表面，非金属介质层由不透明耐火金属材料制成。本发明实现了更为高效的紫外‑可见光的光吸收率，与国内外普遍采用的单一相同尺寸金属颗粒体系吸收器相比具有新的优势，且结构简单，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。

Description

一种超薄紫外-可见光波段光吸收器及其制备方法

技术领域

本发明涉及电磁波吸收器技术领域，具体涉及一种紫外-可见光波段光吸收器及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，宽带完美吸收体一直以来都是科技领域的热点课题，紫外-可见光波段宽带吸收因其在太阳能采集、红外探测、信息传感、光热利用等众多领域的重要应用需求更是受到了人们的广泛关注。

近年来，人们设计了各种各样的吸波结构，例如，平面金属/介质结构、反射金属光栅结构、超材料结构和基于表面等离激元的结构。基于等离激元超构材料体系实现全吸收的方案有很多，金属颗粒-介质层-金属层超构材料体系是实现超吸收的典型结构之一。与传统方法相比，该体系具有亚波长特性，一般体系的整体厚度只有工作波长的几百分之一。但这种结构一般工作波段较窄。另外超材料结构和表面等离激元的新型吸波结构凭借近乎完美的吸收效率、随角度偏振不敏感、结构单元小、质量轻等特性，在设计选择性热发射器、生物传感器和太阳能收集系统等领域具有很大的潜在应用价值。所以，设计热稳定性好，工作波段宽，低成本的高效宽谱吸波结构仍是该领域的一大挑战。

超材料电磁波吸收器是最先由美国波士顿学院的Landy课题组于2008年提出并在微波频段获得验证(《Physical Review Letter》第100卷，第207402页(2008))。通过利用双面包覆有金属的介质基板构成面型双层结构，上层为开口谐振环，底层为切口金属线，两者构成谐振环结构，使得入射到该吸收器结构上的电磁波在其中形成共振并吸收消耗，从而达到完美吸收的目的，在11.5GHz附件实现了近88％的吸收效率。但此种结构只能吸收单一偏振的电磁波，且中间介质绝缘膜层为低介电材料。此后，国内外的研究人员提出了更多的金属-介质-金属层状共振超材料结构。但实现多频带或者宽频带的超材料电磁波吸收器往往结构设计复杂，可重复性差。这使得目前大部分电磁波吸收器在光电检测器件、光电子功能器件等方面的应用受到了限制。

因此，设计并实现完美吸收并仅仅依赖于简单易操作且可以大面积工艺生产的金属-介质复合体系对电磁波吸波器所面临的难题将具有非常重要的现实意义和应用价值。

发明内容

为了解决背景技术中提到的吸收器工作频带较窄、结构复杂的缺陷，本发明提供一种紫外-可见光波段光吸收器及其制备方法。

本发明的一种紫外-可见光波段光吸收器，包括基底层、非金属介质层和金属颗粒层，所述非金属介质层连接于所述基底层上表面，所述金属颗粒层连接于所述非金属介质层的上表面；其中，所述基底层由不透明耐火金属材料制成。

进一步地，所述金属颗粒层厚度为6-20纳米，由不同形貌和大小的金属纳米颗粒组成。

进一步地，所述金属纳米颗粒的排列的间距是无规律的，即所述金属纳米颗粒不是均匀分布的。

进一步地，所述金属纳米颗粒的材料是不透明耐火金属材料，包括金、银、铜、铝。

进一步地，所述非金属介质层厚度为1-50纳米，由半导体材料硅制成。

进一步地，所述基底层厚度为100-300纳米，由不透明耐火金属材料制成，不透明耐火金属材料包括金、银、铜、铝。

上述的紫外-可见光波段光吸收器的制备方法，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准备好的硅片或者玻璃片上运用镀膜技术蒸镀一层不透明耐火金属材料，形成基底层；

步骤3、在步骤2形成的基底层上运用镀膜技术沉积非金属材料，形成非金属介质层；

步骤4、在步骤3形成的非金属介质层上运用镀膜技术沉积一层金属材料，形成金属膜层；

步骤5、对步骤4形成的金属膜层进行颗粒化处理，获得与膜层厚度对应的不同形貌和大小的金属纳米颗粒的单层结构，得到超薄紫外-可见光波段吸收器。

进一步地，步骤2和步骤4中所述镀膜技术是磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。

进一步地，步骤5所述的金属膜颗粒化处理是运用热处理技术对金属薄膜进行颗粒化处理；金属纳米颗粒的平均大小、平均颗粒间距以及颗粒的形貌可以通过金属膜层的厚度和热处理条件(例如温度、时间)来进行调控。

本发明的有益效果：本发明实现了从紫外到可见光光谱范围达到完美吸收的效果，解决了现有技术中存在的工作频带较窄、结构设计复杂的缺陷。紫外-可见光入射到金属颗粒结构，能产生热电子响应，进一步与半导体材料硅超薄膜层作用，可以实现光电响应和热电子激发与收集，可以用于超薄高集成光电器件、太阳能光伏和热光伏技术；此外，可以实现对紫外-可见光波段进行反射抑制或减反操作，在抗反射膜层等领域具有广泛应用。金属颗粒结构包括颗粒的大小、颗粒间距以及颗粒的形貌(颗粒或团簇结构)可以通过金属膜层的厚度和热处理过程(温度，时间)来进行调控，进一步影响到紫外-可见光的吸收光谱响应(包括吸收频率范围、吸收效率)；基于热处理获得金属颗粒的尺寸和形貌具有个体差异性，这与国内外普遍采用的单一相同尺寸金属颗粒体系具有新的优势，即，具有个体差异性的金属颗粒层能在光谱范围内提供更多共振吸收模式，实现更宽波段的光吸收；此外，颗粒之间的强近场耦合作用，也进一步增强了光的耦合吸收和展宽了吸收的光谱带宽。

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为本发明的一种紫外-可见光波段光吸收器的立体结构图。

图2为本发明的一种紫外-可见光波段光吸收器的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例1对应的吸收光谱图；下层的金属基底膜层为金膜层，厚度100纳米；中间为硅膜层，厚度20纳米；上层为金颗粒层，厚度6纳米。

图4为本发明实施例2对应的吸收光谱图；下层的金属基底膜层为金膜层，厚度150纳米；中间为硅膜层，厚度50纳米；上层为金颗粒层，厚度6纳米。

图5为本发明实施例3对应的吸收光谱图；下层的金属基底膜层为金膜层，厚度200纳米；中间为硅膜层，厚度5纳米；上层为金颗粒层，厚度6纳米。

图6为本发明实施例4对应的吸收光谱图；下层的金属基底膜层为金膜层，厚度100纳米；中间为硅膜层，厚度20纳米；上层为金颗粒层，厚度20纳米。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供了一种超薄紫外-可见光波段光吸收器，由下及上依次设有基底层1、非金属介质层2和金属颗粒层3，金属颗粒层3连接于非金属介质层2上表面，非金属介质层2连接于基底层1上表面，基底层1由不透明耐火金属材料制成，不透明耐火金属材料可以是金、银、铜或铝。具体而言，如图1和图2所示，金属颗粒层3由不同形貌和大小的金属纳米颗粒4无规律排列构成，金属纳米颗粒4的材料可以是金、银、铜或铝。非金属介质层2由半导体材料硅制成。

金属颗粒层增强了紫外-可见光(280-780纳米)的耦合吸收效率；超薄非金属介质层有助于实现低材料损耗、高光电响应效率；金属纳米颗粒与下层金属基底二者可以提供空间尺度上的耦合作用，进一步增强与入射光场的耦合吸收；此外，金属纳米颗粒与金属基底都能提供强的电场增强效应，对处于此二者间的非金属介质层的光电响应效率能进一步增强。实现了更为高效的紫外-可见光的光吸收率，且制备技术简单实用，易于大面积低成本高质量高重复性制备，在热光伏技术等方面具有广阔的应用前景。

所述的超薄紫外-可见光波段吸收器的制备方法，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准备好的硅片或者玻璃片上运用镀膜技术蒸镀一层不透明耐火金属材料，形成基底层；

步骤3、在步骤2形成的基底层上运用镀膜技术沉积非金属材料，形成非金属介质层；

步骤4、在步骤3形成的非金属介质层上运用镀膜技术沉积一层金属材料，形成金属膜层；

步骤5、对步骤4形成的金属膜层进行颗粒化处理，获得与膜层厚度对应的不同形貌和大小的金属纳米颗粒的单层结构，得到超薄紫外-可见光波段吸收器。

实施例1：

本实施例公开了一种超薄紫外-可见光波段光吸波器，具体如下：

下层的基底层为金膜层，厚度100纳米；

中间的非金属介质层为硅膜层，厚度20纳米；

上层的金属颗粒层为金纳米颗粒层，厚度6纳米。

图3是本实施例紫外-可见光波段光吸收器的吸收光谱。从图3中可以清楚地看到最高吸收率为99.9％，波长为370纳米；吸收率超过90％的光谱范围：280-566纳米。结果表明，在紫外-可见波段，尤其是蓝绿黄光范围实现了高光吸收。

实施例2：

本实施例公开了一种超薄紫外-可见光波段吸波器，具体如下：

下层的基底层为金膜层，厚度150纳米；

中间的非金属介质层为硅膜层，厚度50纳米；

上层的金属颗粒层为金颗粒层，厚度6纳米。

图4是本实施例紫外-可见光波段吸收器的吸收光谱。从图4中可以清楚地看到最高吸收率为73.0％，波长为280纳米；吸收率超过50％的光谱范围：280-780纳米。结果表明，在紫外-可见波段实现了较高的光吸收。

实施例3：

本实施例公开了一种超薄紫外-可见光波段光吸波器，具体如下：

下层的基底层为金膜层，厚度200纳米；

中间的非金属介质层为硅膜层，厚度5纳米；

上层的金属颗粒层为金颗粒层，厚度6纳米。

图5是本实施例紫外-可见光波段吸收器的吸收光谱。从图5中可以清楚地看到最高吸收率为90.2％，波长为280纳米；吸收率超过80％的光谱范围：280-403纳米。结果表明，在紫外波段，实现了高光吸收。

实施例4：

本实施例公开了一种超薄紫外-可见光波段吸收器的吸光特性，具体如下：

下层的基底层为金膜层，厚度100纳米；

中间的非金属介质层为硅膜层，厚度20纳米；

上层的金属颗粒层为金颗粒层，厚度20纳米。

图6是本实施例紫外-可见光波段吸收器的吸收光谱。从图6中可以清楚地最高吸收率为90.6％，波长为481纳米；吸收率超过80％的光谱范围：318-516纳米。结果表明，在紫外-可见波段，尤其是蓝绿光范围实现了高光吸收。

综上所述，本发明实现了更为高效的紫外-可见光的光吸收率，与国内外普遍采用的单一相同尺寸金属颗粒体系吸收器相比具有新的优势，具有制备技术简单且实用，易于大面积低成本高质量高重复性制备，在热光伏技术等方面具有广阔的应用前景。

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 (11)

1.一种紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：包括基底层、非金属介质层和金属颗粒层，所述非金属介质层连接于所述基底层上表面，所述金属颗粒层连接于所述非金属介质层的上表面；其中，所述基底层由不透明耐火金属材料制成。

2.根据权利要求1所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述金属颗粒层厚度为6-20纳米，由不同形貌和大小的金属纳米颗粒组成。

3.根据权利要求2所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述金属纳米颗粒的排列的间距是无规律的。

4.根据权利要求3所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述金属纳米颗粒的材料是不透明耐火金属材料。

5.根据权利要求4所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述不透明耐火金属材料包括金、银、铜、铝。

6.根据权利要求3所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述非金属介质层厚度为1-50纳米，由半导体材料硅制成。

7.根据权利要求3所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述基底层厚度为100-300纳米，由不透明耐火金属材料制成。

8.根据权利要求7所述的紫外-可见光波段光吸收器，其特征在于：所述不透明耐火金属材料包括金、银、铜、铝。

9.根据权利要求1~8任一权利要求所述的紫外-可见光波段光吸收器的制备方法，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准备好的硅片或者玻璃片上运用镀膜技术蒸镀一层不透明耐火金属材料，形成基底层；

步骤3、在步骤2形成的基底层上运用镀膜技术沉积非金属材料，形成非金属介质层；

步骤4、在步骤3形成的非金属介质层上运用镀膜技术沉积一层金属材料，形成金属膜层；

步骤5、对步骤4形成的金属膜层进行颗粒化处理，获得与膜层厚度对应的不同形貌和大小的金属纳米颗粒的单层结构，得到超薄紫外-可见光波段吸收器。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤2和步骤4中所述镀膜技术是磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤5所述的金属膜颗粒化处理是运用热处理技术对金属薄膜进行颗粒化处理；金属纳米颗粒的平均大小、平均颗粒间距以及颗粒的形貌通过金属膜层的厚度和热处理条件来进行调控。