CN111781432A - 用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，具体实现步骤如下：(1)搭建测试平台；(2)测试回路的电压电流分布曲线；(3)获得测试平台最大输出功率；(4)计算测试平台的光电转化效率；(5)计算测试平台的耦合效率；(6)确定光学纳米天线的辐射效率。本发明通过构造光学纳米天线的整流二极管，充分考虑光频整流与光学纳米天线之间的阻抗匹配，在测试操作简单、测量误差小的同时，提高了光学纳米天线辐射效率测试结果的准确性。

Description

用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法

技术领域

本发明属于电子测试技术领域，更进一步涉及能量收集技术领域中的一种用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法。本发明可用于测试整流的光学纳米天线的辐射效率，由此评价光学纳米天线用于太阳能收集上的能力。

背景技术

光学纳米天线是在亚波长尺度上对光频段电磁波进行调控，实现近场局域光场和远场辐射光场的自由转换。基于表面等离激元理论，利用其“尖端效应”可设计出宽带化、高效率的光学纳米天线。在红外光频能量收集领域，光学纳米天线最重要的参数为接收效率，基于天线互易定理，接收效率即为辐射效率。而由于微纳光学制造技术的发展缺陷，对于辐射效率的直接测试存在较大的困难。因此，目前光学纳米天线的辐射效率是通过间接测试，即利用仿真或数值计算得到的，对于工程实际参考意义并不大。或者仅仅是对单个光学纳米天线进行测试，而未提供一个整体阵列的光学纳米天线的辐射效率测试方案。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于热电偶的纳米天线辐射效率测试方法”(申请号201811194446.7，公布号CN 109283401 A)中提出了一种用热电偶进行纳米天线辐射效率的测试方法。该方法在设定波长的光波照射下，银螺旋纳米天线产生馈电端的感应电流，基于多物理场仿真软件对该天线进行电磁仿真，获得感应电流的变化情况。通过热电偶进行仿真，得到热结与环境的温差ΔT，再根据温差和塞贝克系数得到热电偶冷端的开路电压，从而计算出银螺旋纳米天线的辐射效率。但是，该方法仍然存在的不足之处是，1)由于该方法是通过在馈电间隙放置热电偶，将电能转化为热能进行测试，并未考虑在转换工程这产生的二者之间的阻抗匹配误差对测试效果带来的影响。2)对于工程所需的光学纳米天线是成千上万个单元阵列而成，该方法需要在光学纳米阵列天线中逐一放置热电偶，增加工程实践的难度。3)在纳米尺度测试热电偶端温度差，测试结果误差大。

北京空间飞行器总体设计部在其申请的专利文献“一种基于硅基衬底的纳米整流天线”(申请号201510217779.7，公布号CN 104966745 B)中提出了基于硅基衬底的纳米整流天线的光电转化效率的测试方法。该方法是一种基于硅基衬底的纳米整流天线，所述的整流天线为纳米天线与金属-绝缘体-金属二极管组成的一体化结构。将纳米领结型天线分别放置不同衬底，通过采用三维电磁场数值计算方法，计算不同入射光波长下，整流天线的局域场强度和输出功率，进而计算出光电转化效率来反应光学纳米天线和光频整流的性能好坏。但是该方法存在的不足之处是，1)由于该方法计算光电转化效率，但光电转化效率为天线接收效率与整流耦合效率乘积，本参数并不可反应出纳米天线的辐射效率的好坏，进而无法体现光学纳米天线性能好坏。2)并未考虑光频整流与光学纳米天线的阻抗匹配误差对实验测试结果带来的影响。3)对于工程所需的光学纳米天线是成千上万个单元阵列而成，该方法需要在光学纳米阵列天线中逐一放置整流层，增加工程实践的难度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术中存在的不足，提出一种用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，在测试操作简单、测量误差小的同时提高了辐射效率测试结果的准确性，能够对大规模阵列的光学纳米天线辐射效率进行有效测试。

实现本发明目的的具体思路是，对光学纳米天线构造整流二极管测试平台，通过测试该测试平台的电压电流特性，考虑光频整流与光学纳米天线之间的阻抗匹配，从而实现天线辐射效率的准确测试。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)搭建测试平台；

(1a)使用阵列密度为每平方厘米10¹⁰个，矩形面积为10×10mm²的光学纳米天线作为光电转化效率的测试对象；

(1b)在光学纳米天线底部放置金属层作为测试平台的阴极；

(1c)在光学纳米天线顶部涂覆两层绝缘层；

(1d)在两层绝缘层顶部涂覆顶部金属Al作为测试平台的阳极；

(2)测试回路的电压电流分布曲线：

(2a)在无光环境中使用强度为92mW·cm^-2红外固体激光器持续照射测试平台；

(2b)使用两个GGB镀金软针同时接触测试平台的两个电极，将探针另一端通过三同轴线连接到Keithley 2450电流电压源表构成回路；

(2c)采用加压测电流方式，测试电压在[-20mV,20mV]范围下，均匀选取200个测试点并扫描每个测试点，获得200个测试点的电流分布曲线；

(2d)判断200个测试点的在相同电压下获得的每个电流数值相对误差是否小于1％，若是，则执行步骤(2e)，否则，执行步骤(2c)；

(2e)将每个测试点的电压值作为横坐标，测试点的电流值作为纵坐标，得到电流电压分布曲线；

(3)获得测试平台最大输出功率P_max：

根据电流电压分布曲线，拟合电流关于电压的函数式If(V)，通过对P＝|V|·f(|V|)的微分，计算出测试平台最大输出功率P_max，

(4)按照下式，计算测试平台的光电转化效率η₁：

其中，P_max表示测试平台的最大输出功率，其值根据回路测试的电压电流分布曲线确定，P表示测试平台的输入功率，其值为92mW·cm^-2；

(5)计算测试平台的耦合效率η₂：

(6)计算光学纳米天线的辐射效率

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明搭建了一个测试平台,使用阵列密度为每平方厘米10¹⁰个，矩形面积为10×10mm²的光学纳米天线作为光电转化效率的测试对象，克服了现有测试技术中需要在单个光学纳米天线逐一放置整流层的工程实现难的问题，使得本发明在太阳能收集中对于大规模阵列的光学纳米天线整体辐射效率的测试结果准确性高。

第二，由于本发明使用两个GGB镀金软针同时接触测试平台的两个毫米尺度电极，将探针另一端通过三同轴线连接到Keithley 2450电流电压源表构成回路，克服了现有测试技术中在纳米尺度测试热电偶端温度差，导致测试结果误差大的缺点，使得本发明在大规模阵列后的毫米尺度上操作简单，误差小。

第三，由于本发明计算测试平台阻抗匹配之间的耦合效率，克服了现有测试技术中未考虑光频整流与光学纳米天线的阻抗匹配误差对实验测试结果带来的影响，使得本发明辐射效率准确性高。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的测试平台结构模型图；

图3是本发明的测试平台装置的示意图；

图4是本发明的测试回路电压电流分布曲线图；

图5是本发明的测试平台的等效电路图。

具体的实施方案

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，搭建测试平台。

参照附图2，结合本发明的实施例，对本发明搭建测试平台的结构做进一步的描述。

本发明的实施例中的光学纳米天线采用碳纳米管天线，整流二极管采用由碳纳米管天线、Al₂O₃绝缘层、HfO₂绝缘层和金属Al层构成的整流二极管，电极分别采用TiN层和金属Al层。针对碳纳米管天线和整流二极管搭建的测试平台结构如图2所示，其中，1表示测试平台的顶部电极Al层，2表示测试平台的Al₂O₃绝缘层，3表示测试平台的HfO₂绝缘层，4表示碳纳米管天线，5表示测试平台的底部电极TiN层，6表示测试平台的Si基地介质。

所述的碳纳米管天线是用于对太阳光进行收集并吸收能量的装置，其由多壁碳纳米管组成，阵列密度为每平方厘米10¹⁰个、阵列间距为20nm，其每根多壁碳纳米管的结构参数为直径25nm、长度300nm。

所述的整流二极管是将高频交流电转化为直流电的装置，由于碳纳米管天线、Al₂O₃绝缘层、HfO₂绝缘层和金属Al层构成的整流二极管具有电压与电流的对称性强、响应度高，因此整流二极管具有良好的整流效果。

所述的测试平台是在基于Si基地介质6上的碳纳米管天线4底部放置TiN层5作为测试平台的阴极，在碳纳米管天线顶部涂覆Al₂O₃绝缘层2和HfO₂绝缘层3，其厚度均为4nm，在两层绝缘层顶部涂覆顶部金属Al层1作为测试平台的阳极。

由于整流二极管是由碳纳米管天线和金属Al层中间夹着两层纳米尺度的绝缘层而构成，当整流二极管达到热平衡以后，两个电极的费米能级持平，绝缘层导带底和两侧金属的费米能级之间形成了势垒E，E＝φ-X，其中，E表示势垒的大小，φ表示金属的功函数，X表示绝缘层电子亲和势。根据量子隧穿效应，电子有一定的概率从一侧金属高速隧穿过绝缘层势垒到达另一侧金属，隧穿时间大约为10^-16s，这能保证电子在高频交变电场反转之前就能隧穿过绝缘层，实现交流电到直流电的转化。

步骤2，测试回路的电压电流分布曲线。

参照附图3，对本发明测试平台的装置做进一步的描述。

本发明的实施例中的测试平台装置如图3所示，图3中的1表示光学显微镜，2表示红外固体激光器，3表示测试箱体，4表示探针调整座，5表示三维移动调整平台，6表示光学平台，7表示测试平台，8表示GGB镀金软针，9表示Keithley 2450电流电压源表。

首先，通过光学显微镜1的观察与探针调整座4的调整，将测试平台7固定在光学平台6上的三维移动调整平台5，在无光环境中，即测试平台箱体3中使用强度为92mW·cm^-2红外固体激光器2持续照射测试平台7，使用两个GGB镀金软针8同时接触测试平台的两个电极，并且保证良好接触。将阳极处的软针通过三同轴线连接到Keithley 2450电流电压源表9的后端口Force HI端，阴极处的软针通过三同轴线连接Keithley 2450电流电压源表9的后端口Force LO端构成回路。

所述的波长为1064nm的红外固体激光器产生的红外连续波形激光模拟了太阳光在1064nm处的光照强度，对碳纳米管天线进行持续照射时，将会在其表面产生表面等离子体激元。这些表面等离子体激元波长较小，其中一部分因隧道效应穿透到孔隙的另一面，当碳纳米管薄膜达到一定薄时，薄膜上下表面的表面等离子体激元将会发生重叠，实现共振增强，产生高频感应电流，并通过测试平台中的整流二极管转化为直流电。

参照附图4，对本发明测试回路电压电流分布曲线做进一步的描述。

随机选取测试平台上的一测试点进行测试，采用加压测电流的方式，测试电压在[-20mV,20mV]范围下，均匀选取200个扫描点并进行电压扫描，获得200个扫描点的时间与电流的分布曲线。为减小实验操作带来的误差影响，保证测试结果的准确性，若所有扫描点在相同电压下获得的电流数值相对误差小于1％时，即可获得这一测试点的电压电流的分布曲线如图4所示，其中，横坐标表示每个测试点的电压值，纵坐标表示每个测试点的电流值。若所有扫描点在相同电压下获得的电流数值相对误差大于1％时，则重新选取测试点进行测试，直到获得的所有扫描点在相同电压下获得的电流数值相对误差小于1％。

步骤3，获得测试平台最大输出功率P_max。

根据电流电压分布曲线，拟合电流关于电压的函数式If(V)，通过对P＝|V|·f(|V|)的微分，计算出测试平台最大输出功率P_max。

参照附图4，测试数据的拟合函数为：

I＝0.0078535V+1.0823×10^-5

根据功率定义式P＝|V|·f(|V|)，可得：

P＝-0.0078535V²+1.0823×10^-5V

通过对上式功率函数微分，可得：

P_max＝-0.0078535×(6.89055835×10^-4)²+1.0823×10^-5×6.89055835×10^-4

＝0.37288256×10^-8W

步骤4，按照下式，计算测试平台的光电转化效率η₁：

其中，P_max表示测试平台的最大输出功率，其值根据回路测试的电压电流分布曲线确定，P表示测试平台的输入功率，其值根据红外固体激光器的强度和光照面积确定。

所述的红外固体激光器为强度为92mW·cm^-2，光照面积为0.4cm²，故测试平台输入功率P＝92×0.4×10^-3＝3.68×10^-2W。

根据步骤3计算的P_max＝0.37288256×10^-8W，可得到：

步骤5，计算测试平台的耦合效率η₂。

所述的测试平台的耦合效率是根据碳纳米管天线与整流二极管的等效电路，由下式得到：

其中，R_A表示碳纳米管天线的等效电阻，R_D表示测试平台的整流二极管的等效电阻，ω表示红外固体激光器的入射光角频率，C_D表示测试平台的整流二极管的等效电容，其值为

其中，ε₁、ε₂分别表示两层绝缘层相对介电常数，d₁、d₂分别表示两层绝缘层的厚度。

参照附图5，对本发明测试平台的等效电路做进一步的描述。

所述的等效电路为碳纳米管天线与整流二极管的串联，其中，碳纳米管天线等效为电压源V_A和电阻R_A，整流二极管等效为电阻R_D和电容C_D的并联。

由于碳纳米管天线的单个多壁碳纳米管的电阻约为10¹²Ω，而碳纳米管阵列密度为每平方厘米10¹⁰个，阵列有效面积为0.4cm²，则碳纳米管天线的

根据半经典理论估算得整流二极管的等效电阻R_D＝0.5×10^-6Ω。

ω表示天线电流的角频率，与红外固体激光器的入射光频率有关，其值为：

由于采用平行板二极管电容等效整流二极管电容C_D，则二极管电容可以等效成两个两层绝缘层的电容串联而成，则Al₂O₃绝缘层、HfO₂绝缘层和整流二极管的等效电容分别为：

其中，C_D1表示Al₂O₃绝缘层的等效电容，C_D2表示HfO₂绝缘层的等效电容，ε₀表示真空中的介电常数，ε₀＝8.854×10¹²F/m，ε₁表示的介电常数，ε₁＝3.8F/m，ε₂表示HfO₂的介电常数，ε₂＝5.5，S表示两侧金属正对的氧化层的有效面积，S＝0.4cm²，d₁表示Al₂O₃的厚度，d₂表示HfO₂的厚度，d₁＝d₂＝4nm。

由上述可得：

综上参数可计算出：

步骤6，计算光学纳米天线的辐射效率

根据测试平台的光电转化效率和整流二极管的耦合效率，该光学纳米天线的辐射效率可由下式得到：

Claims (5)

1.一种用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，其特征在于，搭建光学纳米天线与整流二极管的测试平台，测试该平台回路的电压电流分布曲线，计算光学纳米天线与整流二极管之间的耦合效率，确定出光学纳米天线的辐射效率，该方法具体步骤包括如下：

(1)搭建测试平台；

(1a)使用阵列密度为每平方厘米10¹⁰个，矩形面积为10×10mm²的光学纳米天线作为光电转化效率的测试对象；

(1b)在光学纳米天线底部放置金属层作为测试平台的阴极；

(1c)在光学纳米天线顶部涂覆两层绝缘层；

(1d)在两层绝缘层顶部涂覆顶部金属层作为测试平台的阳极；

(2)测试回路的电压电流分布曲线：

(2a)在无光环境中使用强度为92mW·cm^-2的红外固体激光器持续照射测试平台；

(2b)使用两个GGB镀金软针同时接触测试平台的两个电极，将探针另一端通过三同轴线连接到Keithley 2450电流电压源表构成回路；

(2c)采用加压测电流方式，测试电压在[-20mV,20mV]范围下，均匀选取200个测试点并扫描每个测试点，获得200个测试点的电流分布曲线；

(2d)判断200个测试点的在相同电压下获得的每个电流数值相对误差是否小于1％，若是，则执行步骤(2e)，否则，执行步骤(2c)；

(2e)将每个测试点的电压值作为横坐标，测试点的电流值作为纵坐标，得到电流电压分布曲线；

(3)获得测试平台最大输出功率P_max：

根据电流电压分布曲线，拟合电流关于电压的函数式I＝f(V)，通过对P＝|V|·f(|V|)的微分，计算出测试平台最大输出功率P_max；

(4)按照下式，计算测试平台的光电转化效率η₁：

其中，P_max表示测试平台的最大输出功率，其值根据回路测试的电压电流分布曲线确定，P表示测试平台的输入功率，其值根据红外固体激光器的强度和光照面积确定；

(5)计算测试平台的耦合效率η₂；

(6)计算光学纳米天线的辐射效率

2.根据权利要求1所述的用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，其特征在于，步骤(1a)中所述的光学纳米天线由多壁碳纳米管组成，其每根多壁碳纳米管结构参数为直径25nm，长度300nm。

3.根据权利要求1所述的用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，其特征在于，步骤(1c)中所述的两层绝缘层厚度均为4nm。

4.根据权利要求1所述的用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，其特征在于，步骤(2a)中所述红外固体激光器的波长1064nm。

5.根据权利要求1所述的用整流二极管测试光学纳米天线辐射效率的方法，其特征在于，步骤(5)中所述耦合效率的η₂可由下式得到：

其中，R_A表示光学纳米天线的等效电阻，R_D表示测试平台的整流二极管的等效电阻，ω表示红外固体激光器的入射光角频率，C_D表示测试平台的整流二极管的等效电容，其值为

其中，ε₁、ε₂分别表示两层绝缘层相对介电常数，d₁、d₂分别表示两层绝缘层的厚度。

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