CN111338011A - 一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法，属于太阳能电池、热发射器、光电探测领域。所述复合微结构的元胞由一个直径较小的Ti圆柱和Ti/SiO₂多层膜圆柱级联而成，并有金属基底。通过Ti圆柱周围激发的表面等离子体共振吸收短波长的光波，通过Ti/SiO₂多层膜圆柱之间的空腔产生的等离子体腔共振吸收长波长的光波，通过表面等离子体共振和等离子体腔共振的杂化模式吸收中间波长的光波，在可见光到近红外波段实现超宽带光吸收增强。此外，该吸波器的吸收光谱对入射角变化不敏感，即便入射角发生显著变化，对TM和TE偏振都具备优异的宽带光吸收性能，在光调制器、太阳能电池、光电探测等领域有应用前景。

Description

一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池、热发射器、光电探测领域，特别涉及一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法。

背景技术

近年来，超材料吸波器作为一种人工等离子体纳米结构已经成研究的热点。由于其特殊的优势，例如高吸收效率、亚波长尺度的厚度和可调节的电磁共振响应，超材料吸波器在诸多领域的应用优势显现，包括传感器、光电探测器、热发射器、太阳能电池领域等。目前，大多数超材料吸波器普遍采用金属-介质-金属微结构阵列，这类器件的吸收机理主要源于微纳结构的表面等离子体共振效应或磁共振效应，通常需要使用诸如金或银等贵金属，制造成本较高，尽管可以实现较高的光吸收效率，但是吸收带宽普遍较窄，这限制了这类器件在能量收集和光电探测等领域的应用。因此，有必要设计宽带光吸收增强器件以满足这些应用需求。

当前，为了实现超材料器件的宽带光吸收增强效应，通常采取三种方法。第一种是在金属-介质-金属微结构阵列的基础上，在微结构阵列中引入多个谐振单元，也就是将不同几何尺寸或形状的微结构谐振单元集成到亚波长尺度的元胞中(结构的最基本单元)，由于金属-介质-金属微结构中多个共振吸收峰被激发，通过多个共振吸收峰的交叠可以实现宽带吸收增强。例如，将多个不同宽度的金属纳米带、不同尺寸的亚波长方孔阵列、或不同直径的金属纳米盘集成到元胞中，由于多个邻近的谐振单元的共同激发，引起多个光吸收带的叠加，因而可在宽波段内实现光吸收效率的增强。然而，由于元胞尺寸有限，元胞中可以集成的谐振器的数量受限，因此这种方法往往并不能显著拓展吸收带宽。

第二种方法是采用金属-介质多层膜构成的微结构，比如采用金属-介质多层膜交替组成的一维矩形光栅或圆柱阵列等，通过增大多层膜的膜对数，可以获得宽带光吸收增强效应。然而这类方法需要的膜对数多，导致微结构的深度大，且当多层膜微结构的膜对数增大到一定数目以后，继续增大膜对数将不再拓展吸收带宽。

第三种方法是对第二种方法的改进，也就是将金属-介质多层膜微结构做成具有渐变宽度的微结构，比如锯齿形、金字塔形、台阶形、或圆锥形的金属-介质多层膜微结构，利用渐变宽度金属-介质微结构激发的慢光波导模式，拓展光吸收增强的带宽。然而，尽管这类微结构可以进一步拓展光吸收带宽，但是由于需要的膜对数多，微结构的深度大，尤其是其渐变的微结构宽度，显著增大了实际制备的难度。

发明内容

本发明针对上述现有的超材料吸波器中存在的问题，提供了一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法。

本发明的第一个目的是提供一种实现超宽带光吸收的复合微结构，所述结构包括级联的周期性纳米柱阵列，所述纳米柱由金属圆柱和金属-介质多层膜圆柱级联而成。

在本发明的一种实施方式中，所述级联的纳米柱阵列的底部设有金属基底，所述级联的纳米柱阵列的底部设有金属基底，所述复合微结构从上至下依次为金属圆柱、金属-介质多层膜圆柱、金属基底；所述金属圆柱的直径小于金属-介质多层膜圆柱的直径。

在本发明的一种实施方式中，所述金属圆柱和金属-介质多层膜圆柱之间还设置有介质缓冲层。

在本发明的一种实施方式中，所述金属-介质多层膜圆柱由交替的金属和电介质堆叠形成。

在本发明的一种实施方式中，所述微结构为亚波长结构，即级联结构的周期小于入射光波长。

在本发明的一种实施方式中，所述金属圆柱、金属-介质多层膜圆柱、金属基底中的金属材料为Ti，所述金属-介质多层膜圆柱、介质缓冲层中的介质材料为SiO₂，所述金属圆柱的高度和直径分别为h和D₁，介质缓冲层的厚度和直径为t_b和D₂，金属-介质多层膜圆柱中Ti和SiO₂的厚度分别为t_m和t_d，金属-介质多层膜圆柱的直径为D₂，Ti/SiO₂多层膜圆柱的膜对数为N，P是级联的纳米柱阵列沿x和y方向的周期，基底为200nm厚的Ti薄膜，其结构参数为：P＝300nm，N＝5，h＝140nm，t_b＝30nm，t_m＝10nm，t_d＝33nm，D₁＝140nm，D₂＝276nm，SiO₂的折射率为1.47，Ti的折射率随着波长变化，Ti的折率的实部和虚部来自Palik数据库。

本发明的二个目的是提供一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法，所述方法包括：将复合微结构用于超宽带光吸收，通过金属圆柱激发的表面等离子体共振吸收短波长的光波，通过金属-介质多层膜圆柱之间的空腔产生的等离子体腔共振吸收长波长的光波，通过表面等离子体共振和等离子体腔共振的杂化模式吸收中间波长的光波，在可见光-近红外波段实现超宽带光吸收增强。

在本发明的一种实施方式中，所述的复合微结构以TM或TE偏振光入射，且吸收光谱对入射角从0-60°变化不敏感。

在本发明的一种实施方式中，在TM或TE偏振光垂直入射条件下，在波长范围为380-2650nm的范围内，即在可见光到近红外波段的光吸收率高于90％，相对吸收带宽BW＝2(λ_U-λ_L)/(λ_U+λ_L)＝149.8％，λ_U和λ_L是吸收率高于90％的波长范围的上限和下限。

本发明的有益效果：本发明的复合微结构为一种高吸收效率的超宽带吸波器。通过将微结构设为级联的周期性纳米柱阵列，从上至下依次设置为金属圆柱、金属-介质多层膜圆柱、金属基底。通过改变金属圆柱和多层膜圆柱的尺寸，在短波处的电场主要集中在金属圆柱周围，在长波处光场能量主要集中在相邻多层膜圆柱之间的空腔中，中间波长的光场能量同时集中在金属圆柱周围和多层膜圆柱周围，通过金属圆柱激发的表面等离子体共振吸收短波长的光波，通过金属-介质多层膜圆柱之间的空腔产生的等离子体腔共振吸收长波长的光波，通过表面等离子体共振和等离子体腔共振的杂化模式吸收中间波长的光波，在可见光到近红外波段均可实现超宽带吸收增强。此外，当入射角度从0-60°变化时，所设计的吸波器依然具有优良的宽带光吸收性能。在波长范围为380-2650nm的范围内，即在可见光到近红外波段的光吸收率高于90％。因此，本发明在隐身材料、太阳能电池、光调制器、光电探测器领域具有应用价值。

附图说明

图1为实施例1中复合微结构示意图。其中，(a)周期性结构；(b)元胞结构。

图2为实施例1中在TM偏振光正入射情况下不同结构的吸收谱图。其中，实线表示整个结构光吸收谱图，虚线表示只有多层膜圆柱和基底的结构的吸收谱图。

图3为实施例2中三个吸收峰的峰值波长处的电场强度分布和能流分布图。其中，色度条代表归一化电场强度的幅值，箭头表示能流方向，为波印廷(Poynting)矢量方向；(a)对应波长524nm；(b)对应波长1001nm；(c)对应波长1952nm。

图4实施例3中Ti圆柱的结构参数变化对吸收光谱的影响。其中，(a)吸收光谱随Ti圆柱的高度变化曲线；(b)吸收光谱随Ti圆柱的直径变化曲线。

图5实施例4中多层膜圆柱的参数变化对吸收光谱的影响。其中，(a)多层膜圆柱的直径变化对吸收光谱的影响；(b)改变金属-介质多层膜圆柱的膜对数对吸收光谱的影响。

图6实施例5中光源的入射角变化对吸收光谱的影响。其中，(a)TM偏振光入射；(b)TE偏振光入射。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1：采用复合微结构设计的可见光到近红外波段超宽带吸波器

11.采用复合微结构设计可见光到近红外波段超宽带吸波器，其结构示意图如图1所示。所选用的金属和介质材料分别为钛(Ti)和二氧化硅(SiO₂)，由于该结构是周期性结构，对于一个元胞，它由一个Ti圆柱和Ti/SiO₂多层膜圆柱级联而成，所述Ti圆柱的直径小于Ti/SiO₂多层膜圆柱的直径，Ti圆柱和多层膜圆柱之间为SiO₂介质缓冲层。Ti圆柱的高度和直径分别为h和D₁，缓冲层的厚度和直径为t_b和D₂，多层膜圆柱中Ti和SiO₂的厚度分别为t_m和t_d，多层膜圆柱的直径为D₂，Ti/SiO₂多层膜圆柱的膜对数为N。P是级联的纳米柱阵列沿x和y方向的周期，基底为200nm厚的Ti薄膜。图1中，E为入射光的电场，k为波矢，k的方向为入射波的方向，大小为2π/波长。

该结构单元从上至下依次为Ti圆柱、SiO₂缓冲层、Ti/SiO₂多层膜圆柱、Ti基底。在该结构中，短波处的电场主要局域在Ti圆柱周围，长波处的电场主要集中在Ti/SiO₂多层膜圆柱相邻的空腔中，中间波长的电场同时集中在Ti圆柱周围和多层膜圆柱相邻的空腔中，进而可以在极宽的光谱范围内实现光吸收增强。

此外，由于SiO₂缓冲层位于Ti圆柱与Ti/SiO₂多层膜圆柱之间，它可以有效调控Ti纳米柱阵列与Ti/SiO₂多层膜圆柱之间的电磁耦合，通过选择恰当的SiO₂缓冲层厚度t_b，TM或TE偏振的入射光在正入射时该吸波器可以实现超宽带吸收。选取的设计波段为可见光到近红外波段(380-3000nm)，结构参数为：P＝300nm，N＝5，h＝140nm，t_b＝30nm，t_m＝10nm，t_d＝33nm，D₁＝140nm，D₂＝276nm，SiO₂折射率为1.47，Ti的折射率随着波长变化，其折率的实部和虚部来自Palik数据库。在上述参数条件下，采用有限时域差分方法计算在TM(电场沿x方向)偏振光垂直入射的情况下不同结构对应的吸收光谱，得到图2。从图2可以看出，对于整个结构，在波长为380-2650nm的范围内的吸收率高于90％，相对吸收带宽BW＝149.8％，平均吸收率为98.2％，吸波器的超宽带光吸收性能优越。而对于只有Ti/SiO₂多层膜圆柱和基底的结构，在波长为380-2650nm的范围内的吸收率低于90％，其宽带吸收性能失效。

实施例2：复合微结构的电场局域现象和能流分布

基于实施例1的计算结果，为了更好地了解结构的超宽带强光吸收机理，研究了三个共振吸收峰处的电场和能流分布，结构的其它参数与实施例1相同，对应波长分别为524nm、1001nm、1952nm，如图3所示。

从图3中可以看出，在短波长处(524nm)，电场主要局域在Ti圆柱四周并产生显著的增强，表现出表面等离子体共振模式，并且入射光场沿着Ti圆柱的表面环流，从而引起表面等离子体共振吸收增强。在的长波长处(1952nm)，电场主要局域在多层膜圆柱之间的空腔中并显著增强，表现出等离子体腔共振模式，入射光场沿-Z方向在的腔中流动，并被多层膜圆柱和基底所吸收。在中间波长处(1001nm)，电场在Ti圆柱四周和腔中均有显著增强，光场能量均在Ti圆柱周围和的空腔中流动，表现出表面等离子体共振和等离子体腔共振的杂化模式。

实施例3：Ti圆柱尺寸变化对宽带吸收特性的影响

基于实施例1的复合微结构超宽带吸波器，在实施例1的参数条件下，针对正入射情形，采用有限时域差分方法计算Ti圆柱高度h和Ti圆柱高度直径D₁发生改变时的吸波器的吸收光谱，得到图4。

如图4(a)所示，当没有Ti圆柱(h＝0)时，该结构的宽带高吸收性能差。Ti圆柱的引入可以在宽波段范围内提高光的吸收效率，但是随着Ti圆柱高度的增加，吸收性能趋于饱和。当Ti圆柱的高度超过140nm时，光吸收率降低。因此，当Ti圆柱的高度为140nm时，该结构具有优异的宽带高吸收性能。如图4(b)所示，随着Ti圆柱直径的增加，整个结构吸收效率会提高，但是Ti圆柱直径大于140nm会使吸收性能降低。当Ti圆柱的直径增加到等于多层膜圆柱的直径时，该结构的宽带吸收性能将被破坏。通过选择直径为140nm的Ti圆柱，可以获得优异的宽带高吸收性能。

实施例4：Ti/SiO₂多层膜圆柱参数变化对结构吸收特性的影响

基于实施例1的复合微结构超宽带吸波器，在实施例1的参数条件下，针对正入射情形，采用有限时域差分方法计算多层膜圆柱直径D₂和金属-介质对的数量N发生改变时的吸波器的吸收光谱，得到图5。

图5(a)清楚地表明，结构的吸收性能对D₂的变化敏感。随着D₂从204nm增加到276nm，吸收效率在长波长处增加。由于长波长的吸收是由等离子体腔共振引起的，所以随着D₂的增加，空腔变窄，从而导致电磁场的局部性增强。然而，当D₂增加到300nm时，空腔消失，此时由于不能激发等离子体腔共振，导致长波处的光吸收效率显著下降。图5(b)可以看出，膜对数N的增加对长波处的光吸收影响很大，而对短波长的光吸收影响很小，这是因为短波长的光吸收主要由顶层Ti圆柱的表面等离子体共振造成。此外，当膜对数很小(N＝1)时，由于多层膜圆柱之间的空腔还没有形成，无法激发等离子体腔共振，所以长波长的光吸收效率极低；但是当膜对数较大(N＝10)时，由于周期性多层膜圆柱的高反射效应，导致整体光吸收效率下降。因此，N的最佳值为5。

实施例5：复合微结构的吸收光谱对光源的入射角变化不敏感

基于实施例1的复合微结构超宽带吸波器，其结构参数与实施例1相同，分别在TM偏振光和TE偏振光入射的情况下，改变光源的入射角度，采用有限时域差分方法计算光源的入射角变化时复合微结构的吸收光谱，得到图6。

从图6可见，当入射角增大到60°时，在TM偏振光和TE偏振光入射的情况下，在宽波段范围内的光吸收效率均高于80％；图6(b)对应TE偏振光入射，计算发现，即便入射角增大至60°，在0.38-2.65μm宽波段范围内的平均光吸收率为90％，呈现出优越的角度不敏感吸收特性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种实现超宽带光吸收的复合微结构，其特征在于，包括级联的周期性纳米柱阵列，所述纳米柱由金属圆柱和金属-介质多层膜圆柱级联而成。

2.如权利要求1所述的复合微结构，其特征在于，所述级联的纳米柱阵列的底部设有金属基底，所述复合微结构从上至下依次为金属圆柱、金属-介质多层膜圆柱、金属基底；所述金属圆柱的直径小于金属-介质多层膜圆柱的直径。

3.如权利要求2所述的复合微结构，其特征在于，所述金属圆柱和金属-介质多层膜圆柱之间还设置有介质缓冲层。

4.如权利要求3所述的复合微结构，其特征在于，所述金属-介质多层膜圆柱由交替的金属和电介质堆叠形成。

5.如权利要求4所述的复合微结构，其特征在于，所述复合微结构为亚波长结构，即级联结构的周期小于入射光波长。

6.如权利要求5所述的复合微结构，其特征在于，所述金属圆柱、金属-介质多层膜圆柱、金属基底中的金属材料为Ti，所述金属-介质多层膜圆柱、介质缓冲层中的介质材料为SiO₂，所述金属圆柱的高度和直径分别为h和D₁，介质缓冲层的厚度和直径为t_b和D₂，金属-介质多层膜圆柱中Ti和SiO₂的厚度分别为t_m和t_d，金属-介质多层膜圆柱的直径为D₂，Ti/SiO₂多层膜圆柱的膜对数为N，P是级联的纳米柱阵列沿x和y方向的周期，基底为200nm厚的Ti薄膜，复合微结构的结构参数为：P＝300nm，N＝5，h＝140nm，t_b＝30nm，t_m＝10nm，t_d＝33nm，D₁＝140nm，D₂＝276nm，SiO₂的折射率为1.47，Ti的折射率随着波长变化，Ti的折率的实部和虚部来自Palik数据库。

7.一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法，其特征在于，所述复合微结构为权利要求1-6任一所述结构，所述方法包括：将复合微结构用于超宽带光吸收，以TM或TE偏振光入射，在光源入射时，通过金属圆柱激发的表面等离子体共振吸收短波长的光波，通过金属-介质多层膜圆柱之间的空腔产生的等离子体腔共振吸收长波长的光波，通过表面等离子体共振和等离子体腔共振的杂化模式吸收中间波长的光波，在可见光-近红外波段实现超宽带光吸收增强。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合微结构在380-2650nm波段光吸收效率高于90％。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的复合微结构以TM或TE偏振光入射，且吸收光谱对入射角从0-60°变化不敏感。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述复合微结构相对吸收带宽BW＝2(λ_U-λ_L)/(λ_U+λ_L)＝149.8％，λ_U和λ_L是吸收率高于90％的波长范围的上限和下限。

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