CN110673242B - 一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法。该偏振可调谐硅基光学吸波器包括金属基底层、非金属介质层和超表面结构层，非金属介质层连接于金属基底层上表面，超表面结构层连接非金属介质层上表面；超表面结构层由若干单位结构周期排列组成，每个单位结构包含两个硅圆环。高折射率的硅谐振腔与入射光具有强的光场耦合作用，吸收器可以实现近乎完美的吸收；通过调节硅圆环的间距，可以使光学吸波器从偏振敏感吸收变为偏振不敏感吸收。本发明为高折射率介质谐振器和超材料的光学特性和共振行为的偏振处理提供了新的视角；拓展了可调谐光学吸波器的应用，在光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集领域有广阔的运用前景。

Description

一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体涉及一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法。
背景技术
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。
随着现代科学技术的迅猛发展，在纳米尺度上，具有新颖光学特性和高度可调方法的结构越来越多，这引起了人们的广泛兴趣。近年来，等离子体金属纳米结构因其局域场增强和强光场与照明光的耦合而受到广泛关注。这些特性最终导致完美吸收剂和石墨烯相关的近完美吸收剂、太阳能收集、热蒸技术、表面增强光谱和传感等方面的潜在应用不断涌现。等离子体谐振腔的光学特性主要由尺寸、形状和环境介质决定。当系统具有不对称特性时，如光栅和贴片等，形成极化敏感的等离子体谐振结构是可行的；反之，当结构具有高度几何对称性时，也可以实现与偏振无关的共振吸收。然而，现存的超材料结构大多数仅仅是偏振相关或者偏振不相关的吸收，并没有实现可调谐的偏振吸收。
发明内容
为了克服现有技术中的电磁波吸收器无法调谐偏振吸收的缺陷，本发明提供一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法。
本发明提供的一种偏振可调谐硅基光学吸波器，包括金属基底层、非金属介质层和超表面结构层，非金属介质层连接于金属基底层上表面，超表面结构层连接非金属介质层上表面；超表面结构层由若干单位结构周期排列组成，每个单位结构包含两个硅圆环。
进一步地，所述的硅圆环的外直径为200纳米，内直径为150纳米，两个硅圆环边缘之间的距离为0～120纳米。
进一步地，所述的若干单位结构按正方形阵列，阵列周期为600纳米。
进一步地，所述的金属基底层的材料为不透明金属，所述的非金属介质层的材料为二氧化硅，所述的超表面结构层的材料为硅。
进一步地，所述的不透明金属可以为金、银、铜或铝。
进一步地，所述的金属基底层的厚度为200～300纳米，所述的非金属介质层的厚度为30～60纳米。
上述的偏振可调谐硅基光学吸波器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的金属基底；
步骤2、在所述的金属基底上运用镀膜技术镀一层二氧化硅膜；
步骤3、在所述的二氧化硅膜上运用镀膜技术镀一层硅膜；
步骤4、对所述的硅膜进行刻蚀，形成由若干单位结构周期排列组成的超表面结构层，其中每个单位结构包含两个硅圆环，即得到所述的偏振可调谐硅基光学吸波器。
进一步地，所述的镀膜技术为磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。
进一步地，所述的刻蚀为电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀。
本发明的增益效果如下：本发明的光学吸波器有三层结构，通过调节超表面结构层的参数(调节两个硅圆环的间距)，可以使光学吸波器从偏振敏感吸收变为偏振不敏感吸收。本发明为高折射率介质谐振器和超材料等的光学特性和共振行为的偏振处理提供了新的视角；拓展了可调谐光学吸波器的应用，在光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集领域有广阔的运用前景。
附图说明
图1为本发明的偏振可调谐硅基光学吸波器的立体结构示意图。
图2为本发明实施例6的偏振可调谐硅基光学吸波器在0°-90°的偏振光下的吸收光谱。
图3为本发明实施例1～7的偏振可调谐硅基光学吸波器的吸收光谱图。
图4为本发明实施例6、8～12的偏振可调谐硅基光学吸收器的吸收光谱图。
具体实施方式
本发明的偏振可调谐硅基光学吸波器可以按照以下步骤制备：
步骤1、准备金属基底，依次用无水乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后烘干，得到洁净的金属基底；
步骤2、通过磁控溅射在所述的洁净的金属基底表面镀上一层二氧化硅纳米薄膜，得到金属基底-二氧化硅薄膜样品；
步骤3、通过磁控溅射在所述的金属基底-二氧化硅薄膜样品表面镀上一层硅纳米薄膜，得到金属基底-二氧化硅膜-硅膜样品；
步骤4、对所述的金属基底-二氧化硅膜-硅膜样品进行刻蚀，将样品浸入新制刻蚀溶液中，一段时间后取出并用去离子水清洗，形成由若干单位结构周期排列组成的超表面结构层，其中每个单位结构包含两个硅圆环，即得到所述的偏振可调谐硅基光学吸波器。
如图1所示，制备得到的偏振可调谐硅基光学吸波器，由下及上依次设有金属基底层1、非金属介质层2和超表面结构层3，非金属介质层2连接于金属基底层1上表面，超表面结构层3连接于非金属介质层2上表面。超表面结构层1由单位结构周期排列组成，每个单位结构包含两个相邻的硅圆环4。
通过调节超表面结构层的结构参数，可以得到不同的偏振可调谐硅基光学吸波器，实现偏振相关吸收和偏振无关吸收。表1显示了实施例1～7的偏振可调谐硅基光学吸波器的结构参数。
表1
Figure BDA0002233343760000031
Figure BDA0002233343760000041
图2为硅环边缘的间隙距离为100纳米时(实施例6)的吸收光谱，其中硅环的外径和内径分别设置为200纳米和150纳米，厚度为50纳米；由两个硅圆环组成的单位结构的阵列周期是600纳米；中间的二氧化硅薄膜厚度为100纳米，底部银基板厚度为300纳米。在偏振态为0°和90°的情况下，光谱只显示一个吸收峰。双波段吸收表现出一种联动机制。第一个吸收峰呈连续下降趋势，第二个吸收峰呈连续上升趋势。这些特征表明入射光的偏振度与吸收有很强的关系。
当硅环之间的间隙距离调整为0纳米时(实施例1)，超表面结构的其他参数不变。随着入射光偏振度的增加，双波段吸收保持不变。这种偏振不相关的吸收与前一种由非紧密环形成的系统有很大的不同。
图3光谱曲线表明，当间隙距离从120纳米减小到0纳米时，较长波长范围内的吸收带变得越来越强。此外，在较短的波长范围内，吸收峰的效率呈现出连续的轻微增加。同时，吸收带被分裂成两个子峰。这些特征表明第二峰的吸收模式主要与小间隙距离有关，说明相邻腔与组合腔的耦合效应。
表2显示了实施例8～12的偏振可调谐硅基光学吸波器的结构参数。
表2
Figure BDA0002233343760000051
图4光谱曲线表明，当硅环内径增加到180纳米时，吸收强度会明显减弱，导致硅谐振环的宽度减小，因此，光的共振吸收和捕获效率较低。另一方面，当环的宽度较宽时，吸收增加。这些结果表明，本吸波器共振吸收的效率可以通过调节环的大小来调节。
图3和图4说明本实施例在可调谐光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集领域有广阔的运用前景。
综上所述，高折射率介质，如半导体，具有与入射光产生等离子体共振耦合的能力，类似于贵金属。电磁波入射到超表面结构层，与硅层的超表面结构共振耦合。当系统具有不对称特性时，系统可以实现偏振相关的吸收；反之，当结构具有高度几何对称性时，也可以实现与偏振无关的共振吸收。本发明实现了通过调节超表面结构的结构参数，使该系统同时实现偏振相关吸收和偏振无关吸收；为高折射率介质谐振器和超材料的光学特性和共振行为的偏振处理提供了新的视角；拓展了可调谐光学吸波器的应用，在光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集领域有广阔的运用前景。
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 (5)

1.一种偏振可调谐硅基光学吸波器，其特征在于：包括金属基底层、非金属介质层和超表面结构层，非金属介质层连接于金属基底层上表面，超表面结构层连接非金属介质层上表面；超表面结构层由若干单位结构周期排列组成，每个单位结构包含两个硅圆环，两个硅圆环边缘之间的距离为0纳米；所述硅圆环的外直径为200nm，所述硅圆环的内直径为130nm、140nm、150nm、160nm或170nm；所述的若干单位结构按正方形阵列，阵列周期为600纳米；所述的金属基底层的材料为不透明金属，所述的非金属介质层的材料为二氧化硅，所述的超表面结构层的材料为硅，所述的超表面结构层的厚度为50nm；所述的金属基底层的厚度为200~300纳米，所述的非金属介质层的厚度为30~60纳米。
2.根据权利要求1所述的偏振可调谐硅基光学吸波器，其特征在于：所述的不透明金属为金、银、铜或铝。
3.根据权利要求1所述的偏振可调谐硅基光学吸波器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的金属基底；
步骤2、在所述的金属基底上运用镀膜技术镀一层二氧化硅膜；
步骤3、在所述的二氧化硅膜上运用镀膜技术镀一层硅膜；
步骤4、对所述的硅膜进行刻蚀，形成由若干单位结构周期排列组成的超表面结构层，其中每个单位结构包含两个硅圆环，即得到所述的偏振可调谐硅基光学吸波器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的镀膜技术为磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的刻蚀为电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀。
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