CN111308587B - 可调谐多波段超窄带电磁波吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可调谐多波段超窄带电磁波吸收器，属于超材料领域。所述吸收器由下及上依次设有三层结构，分别是金属衬底层、介质层和超表面结构层，介质层连接于金属衬底层上表面，超表面结构层连接于介质层上表面，其中超表面结构层由周期排列的硅纳米线组成。金属衬底层厚度超过300纳米，可以完全抑制光的传播。电磁波传播到超表面结构层，产生多种模式的共振并与金属衬底层产生耦合共振，产生了多波段超窄带完美吸收。本发明结构简单，制作方便，在光电子器件、光电通讯、光电传感器和滤波器领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于超材料领域，具体涉及电磁波吸收器。
背景技术
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。
光学超窄带完美吸收器可以高效率地吸收特定频段的电磁波，实现对特定通道光波能量的完美吸收，在光电探测、光学传感、成像系统、智能通信与光伏太阳能等领域具有重要应用需求。对于微纳光学器件，为了取得良好的光吸收效果，往往需要提高入射光波与微纳结构的相互作用，利用微纳结构的电场增强提高器件的光吸收效率。在光电传感领域，拥有窄带光谱响应的光电器件一直是不可缺少的。光谱响应的带宽越窄，器件在传感、滤波和其他相关应用上的能力就越突出。多波段的窄带光谱响应的光电子器件在集成光电子器件中是必不可少的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调谐多波段超窄带电磁波吸收器，该吸收器实现了多波段的超窄带吸收。
本发明提供的一种可调谐多波段超窄带电磁波吸收器，包括金属衬底层、介质层和超表面结构层，所述介质层连接于所述金属衬底层上表面，所述超表面结构层连接于所述介质层上表面；所述超表面结构层由周期排列的硅纳米线组成。
进一步地，所述硅纳米线周期排列，硅纳米线的间距为200纳米
进一步地，所述硅纳米线的半径为180～300纳米。
进一步地，所述介质层的材料为二氧化硅，厚度为320纳米。
进一步地，所述金属衬底层的材料为银，厚度为500纳米。
上述的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用物理沉积方法，在衬底上沉积金属膜层；
步骤2：采用物理沉积方法，在所述金属膜层上沉积介质层；
步骤3：采用热蒸发法，蒸发Si(硅)粉末，在惰性气体气流的作用下，将蒸汽态的Si输运到所述介质层上，沉积硅纳米线，得到可调谐多波段超窄带电磁波吸收器。
进一步的，所述物理沉积方法包括磁控溅射镀膜法、热蒸发镀膜法、真空电子束镀膜技术和离子束溅射镀膜法。
本发明的有益效果：
1、电磁波传播到超表面结构层，产生多种模式的共振并与金属衬底层产生耦合共振，产生了多波段超窄带完美吸收；
2、本发明在入射光小角度(0～10°)斜入射时，超表面结构层的硅纳米线与入射光产生了另一种的谐振效应，产生了另外波段的吸收峰；
3、每个波段的窄带完美吸收峰的半宽高都很小(小于2纳米)，可以制作传感灵敏度极高的传感器件；
4、在入射光垂直入射的时候产生了四个完美吸收峰(吸收率达到了95％以上)；在小角度的斜入射时，产生了八个超窄带吸收峰；
5、结构简单，器件尺寸小，利于集成。
附图说明
下面结合附图进一步详细说明本发明的内容。但是，以下附图仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚地展示本发明所涉器件的结构，对相应结构进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，以下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。
图1是本发明中可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的结构示意图。
图2是本发明中可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的截面示意图。
图3是本发明中可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的垂直入射的光吸收图。金属衬底厚度为500nm；介质层厚度为320nm，硅纳米线半径为205nm，硅纳米线之间的间距是200nm。
图4是本发明中可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的入射角度为1°的光吸收图。金属衬底厚度为500nm；介质层厚度为320nm，硅纳米线半径为205nm，硅纳米线之间的间距是200nm。
图5是本发明可调谐多波段超窄带电磁波吸收器在不同的硅纳米线半径时的吸收光谱图(第二个吸收峰)。金衬底厚度为500nm；介质层厚度为320nm，硅纳米线半径为205～213nm，硅纳米线之间的间距是200nm。
图2中的附图标记解释：1、金属衬底层，2、介质层，3、超表面结构层，4、硅纳米线；S、硅纳米线的间距。
具体实施方式
本发明的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器可以按照以下步骤制备：
步骤1：采用物理沉积方法，在衬底上进行镀膜，形成不透光的金属膜层；该衬底是经过清洗和风干的；该金属膜层结构材料为银，具有不透光响应的特点；
步骤2：采用物理沉积方法，在所述金属膜层上进行镀膜，形成二氧化硅介质层；所述物理沉积方法可以是磁控溅射镀膜法、热蒸发镀膜法、真空电子束镀膜技术或离子束溅射镀膜法；
步骤3：采用热蒸发法，在1300℃的条件下，蒸发Si粉末，在Ar气流的作用下，将蒸汽态的硅输运到低温区，将步骤2所制的样品放在低温区，在所述二氧化硅介质层上沉积硅纳米线；从而得到可调谐多波段超窄带电磁波吸收器。
如图1和2所示，本发明的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器，由下及上依次设有三层结构，分别是金属衬底层1、介质层2和超表面结构层3，介质层2连接于金属衬底层1上表面，超表面结构层3连接于介质层2上表面。其中，超表面结构层3由周期排列的硅纳米线4组成，硅纳米线的间距S为200纳米。电磁波传播到超表面结构层3，产生多种模式的共振并与金属衬底层产生耦合共振，能够实现多波段超窄带完美吸收。
下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1：
本实施例的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器，包括金属衬底层、介质层和超表面结构层，所述介质层连接于所述金属衬底层上表面，所述超表面结构层连接于所述介质层上表面；所述超表面结构层由周期排列的硅纳米线组成。金属衬底层的材料为金，金衬底厚度为500nm；介质层的材料为二氧化硅，介质层厚度为320nm；硅纳米线半径为205nm，硅纳米线之间的间距是200nm(即图2所示S)。
参阅图3，图3所示系实施例1的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的光吸收图。金衬底厚度为500nm，完全抑制了光的传输，电磁波传播到超表面结构层，产生多种模式的共振并与金属衬底层产生耦合共振，产生了四个波段超窄带完美吸收。全部吸收峰的吸收率都达到了95％以上，并且四个吸收峰的半宽高都小于2nm，实现了超窄带的四波段吸收。对于光电传感器，滤波器等领域有广阔的应用前景。例如，第三个峰的吸收率达到了98.5％，而且半宽高仅为0.45nm，在对环境折射率的传感中，该峰的FOM*可以达到6500000，实现了极为灵敏的传感性。
图4展示了在入射角为1°的入射光的照射下，实施例1的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器的吸收光谱图。从图中可以看出，在倾斜入射的条件下，本发明出现了更多波段的吸收峰，而且每个吸收峰的是超窄带的(半高宽小于2nm)。在结构参数固定的情况下，现有的窄带电磁波吸收器的吸收峰都是固定的，本发明仅仅是改变光的入射角就可以产生更多的吸收峰。多波段的超窄带电磁波吸收器利于光电子器件的高密度集成。
实施例2：
本实施例的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器与实施例1基本相同，仅将硅纳米线半径改变为207nm。
实施例3：
本实施例的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器与实施例1基本相同，仅将硅纳米线半径改变为209nm。
实施例4：
本实施例的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器与实施例1基本相同，仅将硅纳米线半径改变为211nm。
实施例5：
本实施例的可调谐多波段超窄带电磁波吸收器与实施例1基本相同，仅将硅纳米线半径改变为213nm。
图5所示系本发明在调整硅纳米线时所对应的光谱调谐(正入射时的第二个吸收峰)，可以看出，随着硅纳米线半径的增大，吸收峰的位置出现红移。这些现象为调谐器件的工作光谱提供了手段。为了更加清楚地展示器件的光谱响应，图5只是展示了半径从205纳米变为213纳米时，λ2(第二个吸收峰)的变化。在更大的半径变化范围内(180～300纳米)，吸收峰都保持这种响应，而且对于其他吸收峰也出现相同的调谐效应。
综上所述，本发明通过超表面结构层的硅纳米线产生了多种模式的共振并与金属衬底层产生耦合共振，产生了多波段超窄带完美吸收。并且每个波段的吸收峰的半宽高都少于2nm，在光电调制器、滤波器和传感器领域有广阔的应用前景。在小角度斜入射的时候，超表面结构层的硅纳米线产生了更多模式的谐振，并产生了另外的吸收峰，实现了对吸收峰数量的调谐。同时斜入射产生的吸收峰也同样是超窄带的。本发明通过正入射和小角度斜入射两种模式的入射光产生了两种类型的光谱响应，在光电调制器、滤波器、传感器和光电开关领域有广阔的应用空间。
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 (3)
1.一种可调谐多波段电磁波吸收器，包括金属衬底层、介质层和超表面结构层，所述介质层连接于所述金属衬底层上表面，所述超表面结构层连接于所述介质层上表面，其特征在于：所述超表面结构层由周期排列的硅纳米线组成；其中，所述硅纳米线周期排列，硅纳米线的间距为200纳米，所述硅纳米线的半径为180～300纳米，所述介质层的材料为二氧化硅，厚度为320纳米，所述金属衬底层的材料为银，厚度为500纳米。
2.根据权利要求1所述的可调谐多波段电磁波吸收器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用物理沉积方法，在衬底上沉积金属膜层；
步骤2：采用物理沉积方法，在所述金属膜层上沉积介质层；
步骤3：采用热蒸发法，蒸发Si粉末，在惰性气体气流的作用下，将蒸汽态的Si输运到所述介质层上，沉积硅纳米线，得到可调谐多波段-电磁波吸收器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述物理沉积方法包括磁控溅射镀膜法、热蒸发镀膜法、真空电子束镀膜技术和离子束溅射镀膜法。
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| CN111308587A (zh) | 2020-06-19 |
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