CN111837248A - 等离激元整流天线设备及制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于将入射光转换成电能的整流天线设备(400)。整流天线设备包括：衬底(402)；沉积在衬底的顶部上的具有预定厚度的第一金属层(404)；沉积在第一金属层的顶部上的整流元件(405)；第二金属层(408)，其沉积所述整流元件的顶部上并且被配置为收集入射光的电磁波并将其耦合到整流天线设备内的等离激元波中，第二金属层包括根据预定间距彼此间隔开的多个金属贴片(410)的阵列，每个金属贴片具有预定尺寸。整流元件被配置为对等离激元波进行整流以产生直流电，该等离激元波以一个或多个工作波长生成，并且从至少一个工作波长确定该整流天线设备的至少一个尺寸参数，在包括多个金属贴片的尺寸、阵列中的金属贴片的间距以及第一金属层的预定厚度的组中选择至少一个尺寸参数。

Description

等离激元整流天线设备及制造方法
技术领域
本发明涉及将光子能量转换成电能的天线，并且尤其涉及一种整流天线设备及制造这种整流天线设备的方法。
背景技术
全球能源消耗是未来几十年的主要挑战。随着人口的增长以及运输工具和电气设备的使用增加，世界范围内的能源消耗一直在快速且不受控制地增长。能源消耗在一些领域尤其重要，例如交通、工业、居民需求、农业和电信。
能源主要以化石燃料、电力和热能的形式使用。主要能源包括煤炭、石油和天然气，它们一起约占能源总供应量的80％。然而，这些资源正在污染环境并且数量有限。
核能资源约占能源总供应量的10％。尽管核能资源不排放温室气体，但它们会产生乏燃料废物。这种乏燃料废物具有放射性，并且必须安全存储。由于许多原因，可再生能源(例如，太阳能和风能)在环境方面具有吸引力。然而，对其使用有一些明显的限制。使用此类可再生能源的特别限制涉及其存储和将其转化为电能，这可能会导致巨大的损失。
当前，光子能到电能的转换已经集中在使用诸如硅(Si)的半导体材料的光伏效应(photovoltaic effect)上。使用光伏效应的光子到电的转换效率估计约为30％。光伏效应基于光的光子性质。然而，还可以利用光的电磁特性将其直接转换为电能。罗伯特·贝利(Robert Bailey)于1972年提出了利用光的电磁性质直接转换为电能的概念，并在以公开号US3760257 A获得了专利。
如本文所用，“光”是指所有种类的光子辐射(也称为“光辐射”或“光振荡”或“太阳辐射”)，并且不限于太阳光的辐射。光以两个属性为特性：粒子性质(也称为“量子”性质)和波性质(也称为“辐射”性质)。
与纳米结构有关的技术进步(特别是纳米天线和微天线)再加上分子整流元件的重大发展，被用于将太阳辐射直接转换为电能。特别是，开发了整流天线(rectenna)(也称为“整流用天线(rectifying antenna)”)以实现这种转换。
整流天线包括与天线耦合的整流元件，以将入射辐射直接转换为电信号。可以通过使用将光子能量转换为电能的整流元件来消除光伏效应中的带隙所施加的效率极限。
US 8847824 B2提出了一种整流天线，该整流天线使用与集总元件检测器耦合的天线，在该集总元件检测器中该天线馈入到二极管中。图1显示了US 8847824 B2提出的天线设计。天线110、120在光学范围内的特定波长上谐振，用带状线140、150耦合到二极管130。带状线140、150既用作传输线又用作阻抗匹配网络，以最大化向MIM二极管130(MIM表示金属-绝缘体-金属)的功率传输，该MIM二极管130将入射的电磁信号或波转换为直流电。集总元件二极管的隧穿时间短。然而，这种集总元件检测器的工作带宽是有限的，并且取决于二极管电容。而且，为了使功率传输最大化，二极管阻抗必须等于天线阻抗，其数量级为100欧姆。此外，由于大多数金属在光频率上是吸收性的，因此与用于阻抗匹配的金属带状线相关联的损耗是显著的。
Grover等人在其文章“Traveling-wave Metal/Insulator/Metal diodes forimproved infrared bandwidth and efficiency of antenna-coupled rectifiers”中提出了另一种整流天线方法(IEEE transactions on Nanotechnology,vol.9,n°6,pages716-722,Nov.2010,doi 10.3109/TNANO.2010.2051334)。这种方法提出了一种基于行波MIM二极管的检测器。图2示出了这种检测器的设计，其包括连接到两个金属层220和230的天线210，金属层220和230之间具有非常薄的绝缘体240。这种二极管中的绝缘体层240由暴露于空气的金属表面上的金属氧化物形成。金属层220和230(二者之间具有薄的绝缘体240)形成了具有等离激元波导特性的MIM隧道二极管。尽管行波MIM二极管与常规集总元件二极管相比提高了响应度，但非常薄的绝缘层导致入射光与波导结构的耦合度低，导致很高的损耗，这造成其量子效率低于用传统的集总元件整流天线所获得的量子效率。
在WO 2016/202995 A1中已经提出了另一种方法，其公开了一种用于检测红外、可见光和紫外辐射的有机光电检测器设备，该有机光电检测器包含能够被调谐以获得对各种波长设计的提高的灵敏度的光谱响应。图3显示了WO 2016/202995 A1中公开的有机光电检测器的设计。有机光电检测器包括至少衬底31、第一电极32、第二电极34和至少有机材料33，该有机材料33被排列在第一电极32和第二电极34之间，肖特基势垒形成在第一电极32与有机材料33之间和/或第二电极34与有机材料33之间的界面的水平。有机光电检测器的目标灵敏度是通过构造至少一个电极使得其包括用于激发表面等离激元谐振的纳米开口来获得的。在WO 2016/202995 A1提出的设备内，第一电极32的金属上的光子被金属的自由电子吸收。在光子吸收激起的激发态下，金属的自由电子超过了肖特基势垒。通过肖特基势垒的电子的光发射效率取决于电极的构造，该构造允许耦合传播的甚至局部的表面等离激元。这些表面等离激元变成“热电子”，其能量足以超过肖特基势垒，并以分子态的形式在有机材料33中发射并产生光电流。这种光电热电子设备利用了光子的粒子性质。由于贵金属中的局部表面等离激元谐振(LSPR)的非辐射衰减以及电子的带内激发(其可以使用肖特基二极管从金属中提取出电子)，可以产生电流。
然而，由于这种过程的粒子性质，这种光电热电子设备的工作光谱范围受到金属的功函数的限制，例如，对于金来说约为5.1eV，并且对于银来说约为4.3eV。此外，在WO2016/202995 A1中，必须优化等离激元结构的配置，以使金属在期望的设计波长处的光吸收最大化。
因此，需要一种用于将电磁波直接转换成电能同时使转换效率最大化的改进的设备及其制造方法。
发明内容
为了解决这些和其他问题，提供了一种整流天线设备，以用于从光子辐射产生电能，同时使这种转换的效率最大化。
根据本发明的第一方面，提供了一种在所附独立权利要求1中进一步描述的整流天线设备。
具体地说，一种用于将入射光转换为电能的整流天线设备，包括：
-衬底；
-第一金属层，其沉积在所述衬底的顶部上，所述第一金属层具有预定厚度；
-整流元件，其沉积在所述第一金属层的顶部上；
-第二金属层，其被配置为收集所述入射光的电磁波并将其耦合到所述整流天线设备内的等离激元波中，所述第二金属层包括根据预定间距彼此间隔开的多个金属贴片的阵列，每个金属贴片具有预定尺寸，
其中，所述整流元件被配置为对所述等离激元波进行整流以产生直流电，所述等离激元波以一个或多个工作波长生成，并且所述整流天线设备的至少一个尺寸参数是根据至少一个工作波长确定的，所述至少一个尺寸参数选自包括以下各项的组：所述多个金属贴片的尺寸、所述阵列中的金属贴片的间距以及所述第一金属层的预定厚度。
在所附从属权利要求中描述了进一步的实施例。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造用于将入射光转换成电能的整流天线设备的方法，所述方法包括：
-确定所述整流天线设备谐振的至少一个工作波长；
-制备衬底，包括清洁和涂覆操作；
-在所述衬底的顶部上沉积第一金属层；
-在所述第一金属层的顶部上沉积整流元件，所述整流元件具有预定厚度，并且被配置为校正由所述整流天线设备根据所述整流元件附近的入射光的电磁波生成的等离激元波；
-在整流元件的顶部上沉积第二金属层，该第二金属层提供了多个金属贴片的阵列，所述多个金属贴片均具有预定尺寸，并且根据预定间距彼此间隔开，
其中，该方法还包括：
-通过所述第二金属层收集入射光的电磁波，以及
-根据至少一个工作波长确定整流天线设备的至少一个尺寸参数，所述至少一个尺寸参数选自包括以下各项的组：所述多个金属贴片的尺寸、所述金属贴片的间距以及所述第一金属层的预定厚度。
在所附从属权利要求中描述了进一步的实施例。
附图说明
根据以下对多个示例性实施例及其附图的描述，将更好地理解本发明，并且其各种特征和优点将显现出来，在附图中：
-图1是来自现有技术的整流天线设备的示意图，该整流天线设备包括与集总元件检测器耦合的天线；
-图2是来自现有技术的整流天线设备的示意图，该整流天线设备包括基于行波MIM二极管的检测器；
-图3是来自现有技术的用于检测红外、可见和紫外辐射的有机光电检测器的示意图；
-图4是根据本发明一些实施例的整流天线设备的示意图；
-图5是根据本发明一些实施例的整流天线设备的示意图；
-图6是根据本发明实施例的整流天线设备的多层结构的示意图；
-图7是表示根据本发明实施例的整流天线设备的吸收光谱的图；
-图8是表示根据本发明的一些实施例的在垂直于ey轴的平面上执行的以1550nm为中心的等离激元模式的2D映射的图；
-图9是表示根据本发明一些实施例的以1550nm为中心的等离激元模式的2D归一化映射的绝对值的图；
-图10是表示根据本发明一些实施例的以1550nm为中心的等离激元模式的2D总映射的绝对值的图；
-图11是表示根据本发明一些实施例的通过以900nm为中心的等离激元模式的2D归一化映射获得的电场的绝对值的图；
-图12是表示根据本发明一些实施例的通过以900nm为中心的等离激元模式的2D归一化映射获得的电场的绝对值的图；
-图13是表示根据本发明的一些实施例的以900nm为中心的等离激元模式的总映射的绝对值的图；
-图14是示出根据本发明示例性实施例的整流天线设备的吸收光谱的数值模拟结果和实验测量结果的图；
-图15是表示根据本发明的实施例的整流天线设备的总吸收随入射波长(λ)和入射角(θ)变化的图；
-图16是表示根据本发明的一些实施例的，对于三个不同角度(0°、8°和20°)的整流天线设备的总吸收随入射波长(λ)的变化的图；
-图17描绘了根据本发明一些实施例的具有两个不同尺寸S1和S2的正方形的多个金属贴片的阵列；
-图18是表示根据本发明一些实施例的具有多个具有不同横向尺寸的金属贴片的阵列的整流天线设备的吸收光谱的数值模拟的图；
-图19是表示根据本发明一些实施例的具有多个不同横向尺寸的金属贴片的阵列的整流天线设备的吸收光谱的图；
-图20是示出根据本发明一些实施例的制造整流天线设备的过程的流程图；
-图21描绘了根据本发明的一些实施例的通过图20的过程获得的金属贴片阵列；
-图22是示出根据示例性实施例的与整流天线设备的有机层的整流行为有关的实验布置和测量序列的图；
-图23是表示根据示例性实施例的由整流天线设备生成的电流值的图；
-图24是表示根据实施例的所生成的电流随着补给整流天线设备的电压变化的图。
具体实施方式
本发明的实施例提供了一种改进的整流天线设备以及制造这种整流天线设备的方法。
本发明的实施例可以应用于几种应用，包括但不限于在可见光(波长范围在0.38μm至0.780μm)和红外(波长范围在0.78μm至0.5mm)域中操作的设备中的电磁波在电力、光检测和图像中的转换。本发明的实施例可以用于与太阳能收集或废热转换成电有关的应用中，以及在红外域中关于光电检测和图像的其他可能的突破。
在下文中，将参考与基于分子二极管使用光子辐射的电磁波特性将光子能量直接转换成电能的示例有关的本发明进行描述，仅用于说明目的。然而，本领域技术人员将容易理解，与纳米天线和微天线的制造有关的其他技术结合与分子整流元件有关的技术，可以替代地用于将入射光直接转换成电能。
为了促进对下文描述的一些实施例的理解，提供了以下定义。
如本文所用，“光”是指具有光子能量并且以两种性质(或属性)为特性的光子信号，即粒子性质(也称为“量子”性质)和波性质(也称为“辐射”性质)。
整流天线(以下也称为“整流天线设备”或“整流用天线”)包括与天线耦合以将入射光子辐射直接转换为电能的整流元件。
与利用光子的粒子性质的常规光电热电子设备不同，整流天线使用光子辐射的波性质将入射光直接转换为电能。
整流天线可以是光学类型的。在光学整流天线中，可见光或近红外区域中的电磁波可能导致金属纳米天线中传导电子的振荡，从而生成交流(AC)电流。
当电磁波进入整流天线设备时，传导电子在整流天线设备的导电介质中经受传导电子的快速振荡。电磁波与传导电子之间的这种耦合被称为“等离激元波(plasmonicwave)”。这可以生成具有高频的AC电流(AC表示交流电)，该高频的范围可以在例如太阳光谱的1.2.1014Hz THz和1015Hz之间。此类AC电流可用非常高频的二极管整流以获得DC电流(DC表示直流电)。这些机制类似于在用常规天线接收无线电波期间生成的机制。在等离激元波振荡期间，可以将在等离激元纳米天线中产生的AC电流整流为DC。
如本文所使用的，光子-电转换的效率是指作为输入而给出的光子能量与作为输出而产生的电能之间的比例比率。100％的理论效率是指没有任何能量损失的转换。
整流天线的“总体效率”是通过乘以四个因素得出的：
-将入射辐射耦合到天线的效率，
-将收集到的能量从天线传播到二极管的效率，
-将表面波耦合到二极管的效率，
-整流二极管中接收到的功率的效率。
将入射辐射耦合到天线结构的效率表示用于确定整流天线结构的整体效率的重要因素。
尽管增加MIM隧穿二极管整流天线中使用的绝缘层的厚度可以提高耦合效率，但它也增加了MIM二极管每单位面积的电阻，这转而降低了响应度，并且最终降低了量子效率。使用分子二极管作为整流元件可以克服MIM二极管的这种限制。
整流天线设备的操作频率(也称为工作频率)是指整流天线设备的谐振频率，并且对应于工作波长，也称为谐振波长，并且以下记为λreso。
大小(或宽度)是指矩形贴片的宽度、长度和高度。它是指圆形贴片的高度和直径。当天线包括非矩形或圆形的金属图案时，尺寸是指允许定义图案的尺寸。
形成整流天线的周期性栅格(lattice)由金属图案组成，该金属图案在空间中周期性地重复。基本单元定义为具有有限体积的最小空间部分，例如它可以通过矢量t＝m.a+n.b+p.c((n，m，p)是正整数)的转换来确保空间铺平(space paving)。其中a、b和c是三个矢量，可以根据正交参考的单位矢量写为a＝a.ex，b＝b.ey和c＝c.ez。然后，沿着轴的周期性(或间距)由a、b和c给出。
本发明的实施例提供了一种用于将入射光高效地转换成电能的整流天线设备。根据本发明的各个实施例的整流天线结构在不影响二极管性能的情况下显著增加了整流天线中芯材的厚度h，同时增加了入射光到整流天线结构中的耦合。芯材可以由二极管结构或覆盖有附加导电氧化物的二极管结构构成。
参考图4，示出了被配置为将入射光转换成电能的整流天线设备400，该整流天线设备400包括：
-衬底402；
-沉积在衬底402的顶部上的第一金属层404，第一金属层404具有预定的层厚度；
-沉积在第一金属层404的顶部上的整流元件405(称为“整流层”)；
-第二金属层408，其被配置为收集入射光的电磁波，第二金属层408包括根据预定间距(即，预定周期性)彼此间隔开的多个金属贴片410的阵列，每个金属贴片410具有预定尺寸(即，预定大小)。
整流元件405可以被配置为对等离激元波进行整流以产生直流电，该等离激元波是根据在第一金属层404和整流元件405附近的一个或多个工作波长处电磁波生成的，以产生DC电流。
可以根据至少一个工作波长来确定整流天线设备400的至少一个尺寸参数，该至少一个尺寸参数是选自包括以下各项的组：多个金属贴片410的尺寸(例如，贴片的横向尺寸宽度和/或长度)、金属贴片410的间距或周期性以及第一金属层404的预定厚度。
根据一些实施例，衬底402可以由硅(Si)制成。
在本发明的一些实施例中，第一金属层404和/或第二金属层408可以由例如但不限于包括以下各项的组中选择的材料形成：铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、钨(W)或铜(Cu)。
在一些实施例中，金属贴片410可以充当散射中心，其将入射光耦合到芯材中。
在一些实施例中，金属贴片410可以均具有预定的几何形状和预定的尺寸/大小。
金属贴片410可具有特定的几何形状，例如但不限于圆形、椭圆形、菱形、矩形、正方形或条形。优选地，所有金属贴片410可以具有相同的几何形状。
在一些实施例中，金属贴片410可以周期性地布置在栅格(也称为“阵列”)中。金属贴片410可以沿着阵列布置，在每对金属贴片之间具有预定的周期性。周期性金属贴片410布置的栅格可以具有例如但不限于正方形、六边形、三角形或菱形的形式。例如，在图4所示的实施例中，金属贴片410可以根据正方形栅格布置。
在其他实施例中，金属贴片410可以被随机地布置以便加宽整流天线设备400的工作光谱范围。
在一个实施例中，第二金属层408可以包括由银(Ag)制成的具有给定形状(例如，正方形)的几个金属贴片410的阵列。
在一些实施例中，金属贴片410可以由诸如阵列的周期性P和第二金属层408的宽度W之类的一组参数来限定。
在第二金属层408的多个金属贴片410被周期性地布置的实施例中，多个金属贴片410的阵列的周期性P可以在10nm f至20微米之间变化。这实现了收集可见光和近红外光中的电磁波。
在一些实施例中，整流元件405的厚度可以非常小以实现良好的电荷传输属性。特别地，整流元件405可以具有在0.1至10nm范围内的厚度hOL(0.1nm≤hOL≤10nm)。
根据一些实施例，整流元件405可以由自组装整流分子制成。
在特定实施例中，整流元件405可以包括一个或多个分子二极管。所生成的等离激元波可以通过一个或多个分子二极管整流以产生DC电流。然而，应当注意，本发明不限于由分子二极管制成的整流元件405。
在一些实施例中，整流元件405可以包括一个或多个自组装分子二极管。
在一些实施例中，整流元件405可以被集成在谐振光子结构中。特别地，一个或多个分子二极管可以集成在谐振光子结构中。
分子二极管由于其固有的电属性而可以整流AC电流。
在一些实施例中，整流元件405可以在第一金属层404的顶部中包括由一个或多个分子二极管形成的自组装单层。这实现对从布置在有机层的底部的银(Ag)层提取电荷的最优化。
在一些实施例中，一个或多个分子二极管可由选自由二茂铁基-链烷硫醇和/或苯乙烯基吡啶和/或卟啉和/或酞菁构成的组的一组分子形成。
在一些实施例中，一个或多个分子二极管可以包括用锚定官能化的分子，例如硫醇(-SH)，其通过与诸如金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)之类的贵金属的共价键合来实现固定。
在另一实施方式中，一个或多个分子二极管可以替代地包括推挽分子。
根据一些实施例，至少一个工作波长的范围可以从总厚度的一倍至一百倍，在这样的实施例中，总厚度表示第一金属层404的厚度。
在一些实施例中，至少一个工作波长可以大于多个金属贴片的阵列的周期性的一倍。
根据一些实施例，至少一个工作波长可以以比例常数与多个金属贴片410中的一个金属贴片410的长度和/或宽度成正比。
在多个金属贴片410中的所有金属贴片具有相同的尺寸并且被周期性地布置的一些实施例中，整流天线设备400可以具有一个工作波长。
在金属贴片410具有不同的尺寸并且被周期性地布置的一些实施例中，整流天线设备400可以具有几个工作波长。
在一些实施例中，可以根据多个金属贴片410的尺寸/大小和/或多个金属贴片410的周期性确定根据在第一金属层404和整流元件405附近的接收到的电磁波生成等离激元波的至少一个工作波长。
具有图4描绘的分层结构的整流天线设备400的工作频率，以及因此的工作波长λreso，可以根据金属贴片410的几何参数(例如，其周期性P和/或其宽度W，以及芯材的厚度h)来确定。
在一些实施例中，根据下式，工作波长可以高于多个金属贴片410的周期性P的一倍：
P≤λreso (等式1)
可以选择该范围以确保金属贴片410应当散射光。
在一些实施例中，多个金属贴片410的阵列的周期P的范围可以根据下式从目标工作波长λreso的四分之一到整流天线设备的目标工作波长λreso的全值：
Figure BDA0002521731040000111
这可以提供能够以某个目标工作波长工作的整流天线设备400。
在另一个实施例中，根据下式，工作波长可以是金属贴片410的宽度W的至少两倍：
2W≤λreso (等式3)
可以选择该范围以确保可以用在金属贴片和第一平面金属层之间的金属贴片下传播的等离激元波来获得类似于法布里-珀罗(Fabry-Perrot)的谐振。
在一个实施例中，金属贴片的宽度可以根据下式大于整流天线设备的目标工作波长λ′reso的值的一半：
W≤λ′reso/2 (等式4)
在一些实施例中，可以根据多个金属贴片410的宽度W和芯材中的光子模式的有效折射率
Figure BDA0002521731040000112
(ω是谐振波长下的脉动，并且k是波矢)来确定整流天线设备400的工作波长λreso。
特别地，在一个实施例中，整流天线设备400的工作波长可以根据下式近似等于(即，实质上等于)两个(2)、金属贴片410的宽度W和芯材中的光子模式的有效折射率(ngap)的乘积：
λreso≈2*W*ngap (等式5)
取决于所使用的材料，根据下式，芯材的厚度h可以被包括在0.1nm和谐振波长λreso的值之间：
h≤λreso (等式6)
根据图4所示的一些实施例，整流天线设备400可以进一步包括沉积在整流元件405的顶部上的透明导电层406，第二金属层408沉积在透明导电层406的顶部上。透明导电层406可以具有预定厚度，并且可以被配置为针对至少一个工作波长根据整流元件405附近的电磁波生成等离激元波。在这样的实施例中，至少一个尺寸参数可以选自包括以下各项的组：多个金属贴片410的尺寸、阵列中的金属贴片410的间距、第一金属层404的预定厚度和透明导电层406的预定厚度。
在一些实施例中，整流元件405和透明导电层406可以形成整流天线设备400的芯材。
在一些实施例中，至少一个工作波长的范围可以从总厚度的一倍至一百倍，总厚度h表示第一金属层404的厚度与透明导电层406的厚度之和。
根据一些实施例，可以在包括氧化锌(ZnO)和硫化锌的第一组中或者在包括铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)、铟锡氧化物(ITO)、聚苯乙烯磺酸盐PEDOT:PSS和银纳米粒子的第二组中选择透明导电层406。
根据其中在第一组中选择透明导电层406的一些实施例，总厚度可以上至50nm。
根据其中在第二组中选择透明导电层406的一些实施例，总厚度可以大于50nm。
在这样的实施例中，可以确定由整流元件405和透明导电层406形成的芯材的厚度，使得透明导电层406的导电特性占优势。
在一些实施例中，可以确定透明导电层406的厚度，以既优化对在一个或多个分子二极管附近的电磁场的限制的控制，又达到整流天线设备400的一个或多个目标工作波长。
发明人已经分析了，当透明导电层的厚度从0.1nm纳米变化到300nm时，透明导电层的厚度可能强烈影响整流天线设备的工作波长。
此外，已经分析，当透明导电层的厚度大于50nm纳米时，透明导电层的厚度不影响工作波长。
在一些实施例中，第二金属层408和/或透明导电层406可以是电极。仅出于说明的目的，将参考由两个电极形成的第一金属层404和透明导电层406进行一些实施例的以下描述。
在一些实施例中，整流天线设备400可以是包括整流天线和一个或多个分子二极管的等离激元整流天线。
此外，可以通过至少一个分子二极管对生成等离激元波的工作波长进行整流以产生DC电流。
入射光的电磁波可以被第二金属层408的多个金属贴片410收集，从而生成具有等离激元模式的等离激元波。
图4和图5描绘的的ex、ey和ez单位矢量定义了笛卡尔坐标系，其中，ex和ey单位矢量分别定义了其上沉积了衬底402的平面的横坐标轴和纵坐标轴。第一金属层404、整流元件405、透明导电层406和第二金属层408按照定义高度轴的ez单位矢量沉积在衬底402上。分别平行于横坐标、纵坐标和高度轴的电场在下文中分别表示为Ex、Ey和Ez。除了图4的笛卡尔坐标系外，图5还显示了ex和ey法线平面。
如图4描绘的，可以通过等离激元结构收集入射的电磁波，以便生成沿着第一金属层404传播并沿着分子二极管、沿着ez单位矢量表现出电场的等离激元模式。
这样的等离激元模式可以被第二金属层408激发，多个金属贴片410被周期性地布置并且充当散射，并且可以在两个电极404和408之间传播到芯中，从而导致沿着分子二极管的电场振荡。
根据图4的配置，可以通过分子二极管对由等离激元模式生成的电场的振荡进行整流。
根据本发明的一些实施例的等离激元天线设备的设计可以仍然被优化以生成可以被分子二极管整流的等离激元波。特别地，可以布置等离激元天线设备，使得透明导电层406允许在自组装分子二极管附近生成等离激元波，同时等离激元波的电场沿着分子二极管振荡。这实现通过分子二极管对由传导电子的振荡引起的光感应AC电流进行整流。
可以使用诸如有限差分时域(FDTD)方法之类的光学处理技术来执行光收集的最优化和向分子二极管的能量传输的计算。这种处理技术允许预测等离激元结构的光学属性。
图6示出了在本发明的示例性实施例中配置为在1550nm的波长下操作的整流天线设备600的多层结构。图6的示例性整流天线设备600具有分层结构，该分层结构可以包括：
-硅衬底601；
-根据沉积在硅衬底601顶部上的银(Ag)形成的第一平坦金属层602；
-沉积在第一金属层602顶部上的整流分子二极管层603；
–根据沉积在整流分子二极管层603的顶部上的氧化锌(ZnO)形成的透明导电层604，以及
-第二金属层605，其由宽度W为320nm的正方形银贴片制成，所述银贴片以正方形栅格的形式以850nm的周期P周期性地布置。
在这样的实施例中，芯材(由整流分子二极管603和透明导电层604组成)的厚度h为50nm。
图7示出了根据图6的实施例的在本发明的示例性实施例中被配置为以1550nm的波长在横向电模式(TE)和横向磁模式(TM)下操作的整流天线设备600的吸收光谱。吸收光谱表现出两个吸收峰，这两个吸收峰是由于光耦合成两种不同的等离激元模式而产生的，并且分别以900nm和1550nm为中心。
为了获得吸收光谱，已经在垂直于ex轴并且垂直于ey轴的平面上执行了以1550nm为中心的模式的2D映射。图8和9是示出所获得的映射的图。这样的2D映射示出了在银(Ag)贴片的侧边缘上有一个Ex电场激越，并且在分子二极管附近的涂在平坦的Ag层上的氧化锌(ZnO)层内有一个Ez电场激越。因此，Ez场沿着分子二极管振荡并有助于可以被整流的AC电流。
这样的结果仍由图10所示的映射所证实，并且与总指向矢量P及其投影在ex和ey轴上的分量的映射相对应。
能量的主要部分可能在氧化锌(ZnO)层内的两个Ag电极之间沿着ex轴传播，从而导致Ez场沿着分子二极管振荡。以1550nm为中心的模式允许将光能从等离激元结构传输到分子二极管。由于沿着x轴的法布里-珀罗效应，这些模式被限制在银(Ag)贴片下方。从入射介质(空气)通过分子二极管的能量传输必须被最大化，并且传输的能量必须以电磁波的形式传播。这些电磁波必须沿着第一未图案化金属层602和分子二极管603之间的界面传播。可以通过计算沿着第一未图案化金属层602和分子二极管603之间的界面传播的电磁能流来估计能量传输。使用根据这样的实施例的整流天线设备600，获得约48％的能量传输率。该值高于使用标准方法(例如，基于集总元件的整流天线和基于行波金属-绝缘体-金属二极管的整流天线(Grover等人))获得的能量传输率(通常低于10％)。
另外，已经在垂直于ex轴并且垂直于ey轴的平面上执行了以900nm为中心的模式的2D映射，所述ex轴示出了ex(Ex)上投影的电场E的绝对值，并且所述ey轴示出了投影在ex(Ex)和ez(Ez)上的电场E的绝对值。图11和图12是示出所获得的2D映射的图。2D映射示出了电场位于Ag贴片的顶部，并沿着x轴传播远离分子二极管。因此，这些等离激元模式不能被分子二极管整流以产生AC电流，这与以900nm为中心的模式不同。这些结果由通过图13示出的总指向矢量P及其平面内分量的映射所证实。
在示例性实施例中，图14示出了与被配置为以1550nm的波长操作的整流天线设备600的数值模拟和实验测量相对应的吸收光谱。如图14所表示的吸收光谱对应于红外范围。在这样的示例性实施例中，整流天线设备600具有图6描绘的多层结构，其中，在贴片之间的周期性间距等于850nm，每个金属贴片具有等于320nm的宽度。
应当注意，电磁定标规则不限于红外范围。替代地，它可以被应用于设计分层的整流天线结构，所述设计分层的整流天线结构在从可见光、红外到太赫兹区域的多个波长或频率下工作。
可以注意到，根据本发明的实施例，图14所示的仿真与实验结果之间没有差异，其反映了用在不同光谱范围下工作的整流天线设备600的配置所达到的性能。
通过用高效率和宽角度范围收集光，可以增加生成的电荷量，从而提供具有更高效率的整流天线结构。
在对应于图4的配置的一个实施例中，整流天线设备400可以收集具有±80°的角度范围的入射光。
图15和图16是示出在本发明的示例性实施例中的被配置为以1550nm的波长操作的整流天线设备300的吸收光谱随入射角(θ)变化的图，其中所考虑的整流天线由以正方形栅格的形式以850nm的周期P周期性地布置的宽度W为320nm的正方形银片制成。
对于许多应用，入射角并非严格垂直。因此，重要的是研究整流天线结构的角度依赖响应，以评估入射角变化时谐振和吸收量是否发生变化。如图15所示，在入射角变化时，主谐振(primary resonance)(1.55μm)因为其局部性质而不会改变。与强烈取决于入射角的引导光子模式相比，这是有价值的益处。这些结果表明，对于在工作波长(1550nm)处的宽入射角范围，整流天线对入射光的吸收接近于1。该吸收峰是由于等离激元腔模在分子二极管附近的耦合而引起的，已知该分子二极管微弱地取决于入射角。垂直入射的900nm处的第二个峰值对应于耦合在光栅顶部的引导光子模式，并且与以1550nm为中心的模式不同，这种模式强烈取决于入射角。
图16表示在本发明的示例性实施例中，对于被配置为以1550nm的波长操作的整流天线设备600的不同入射角(θ)值，光谱吸收率A随入射波长(λ)的变化。
在其中多个金属贴片410的阵列包括具有不同贴片尺寸的金属贴片的一些实施例中，贴片阵列的工作波长可以强烈地取决于金属贴片410的横向尺寸。因此，通过使用具有不同横向尺寸(宽度和长度)的贴片，整流天线设备400可以有利地以多个工作波长操作。具有定义尺寸的贴片阵列称为图案(S1和S2)。工作波长的数量n等于不同贴片阵列的数量n。
图17表示根据周期性间距布置的多个金属贴片410的示例性阵列，每个金属贴片410具有在两个不同尺寸S1和S2之一的正方形形状，整流天线设备400以两个不同的工作频率操作。
图18和图19示出了根据一些实施例的具有多个具有不同宽度的多个金属贴片410的阵列的整流天线设备400的吸收光谱。在图18中，金属贴片410可以包括具有260nm的宽度的金属贴片410和具有320nm的宽度的金属贴片410。金属贴片410可以沿着阵列用850nm的周期性间隔P布置。在图19中，金属贴片410可以包括具有320nm的宽度的金属贴片410和具有420nm的宽度的金属贴片410。金属贴片410可以布置为具有850nm的周期性间隔P。
图18和图19示出了可以使用简单的几何结构检测或收集多个工作波长。可以收集的工作波长的数量可以取决于所设计的阵列结构。
在图18的实施例中，整流天线设备400可以在1350nm和1525nm处谐振。
在图19的实施例中，整流天线设备400可以在1550nm和1950nm处谐振。
图20是描绘在本发明的一些实施例中的用于基于一个或多个分子二极管制造多层整流天线设备400的方法的流程图。
在步骤2000，可以确定至少一个工作波长。
在步骤2001，可以预先清洁将在其上制造整流天线设备的衬底。在步骤2001处应用的清洁技术可以取决于衬底的类型而变化。
在本发明的优选实施例中，衬底可以由硅(Si)形成。仅出于说明性目的，将参考使用硅衬底的分层整流天线结构的制造来对本发明的一些实施例进行以下描述。然而，技术人员将容易理解，本发明不限于硅衬底。
在这样的实施例中，可以首先在丙酮溶液中对硅(Si)衬底进行湿法清洁，然后进行鼓风干燥或旋转干燥。此外，可以在氩气或氧气中对衬底进行等离激元清洁，以去除可能存在于衬底表面的有机杂质。
在步骤2002，可以在超真空环境中执行银层的物理气相沉积(PVD)。
在步骤2004，可以沉积分子二极管。
在步骤2006，可以执行氧化锌(ZnO)粒子的旋涂。技术人员将容易理解，导电层的沉积不限于旋涂。可以替代地使用其他沉积技术，例如PVD或射频/直流(RF/DC)溅射。
在步骤2007，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层来执行纳米平版印刷图案化。这种步骤产生掩模以沉积金属贴片。技术人员将容易理解，要用于掩模的材料不限于PMMA。也可以使用其他类型的光刻，例如电子束光刻或激光光刻。
在步骤2008，可以通过PVD沉积金属来形成金属贴片。
在步骤2010，可以通过使用PMMA层的剥离(liftoff)工艺来获得最终的金属图案。
也可以使用金属的直接图案化。
图21示出了利用根据图20的实施例的制造方法获得的整流天线设备400。
在步骤2102，可以将厚度为100nm的第一银(Ag)层404沉积在硅衬底402上。
然后，在步骤2104，可以在银层404的顶部上沉积HSC11-Fc层405。
在步骤2106，可以将具有预定厚度(例如，50nm的厚度)的ZnO层406沉积在层405的顶部上。
在步骤2108，可以对银(Ag)贴片410的阵列执行掩模设计。
在步骤2110，可以根据剥离工艺来沉积包括银贴片110的阵列的金属层408。
在优选实施例中，衬底402、第一金属层404和透明导电层406可以在本质上是平面的而没有任何图案。
在一些实施例中，可以使用合适的涂覆技术来涂覆第一金属层404和第二金属层408，例如在超真空环境中银(Ag)层的物理气相沉积(PVD)、磁控溅射、离子束溅射(IBS)和电子束蒸发。
在一些实施例中，可以使用诸如旋涂、深涂、溶胶凝胶和蒸发之类的几种技术来涂覆透明导电层406。
根据本发明实施例的整流天线设备400实现了整流层405的有效整流行为。
参考图22，示出了根据一些实施例的被应用于分析在自组装单层(SAM)上构成的有机层的整流行为的实验布置和测量序列。图22的测量序列包括：
-测量暗电流与电压(I(V)曲线(D00)，
-开启波长为1550nm的光并测量IV曲线(L00)，
-保持光开启5分钟，然后关闭，
-测量暗IV(D01)，
-等待5分钟以测量下一条深色IV曲线(D02)，
-等待5分钟以开启光并测量IV曲线(L01)，
-重复IV测量多个循环，
-关闭光并测量暗IV(D03)，
-等待5分钟并测量暗IV(D04)，
-等待5分钟，并且然后开启光并测量IV曲线L13或L21。
这样的测量序列实现了在暗和光照下表征整流天线设备400以及表征热效应。
图23描绘了对于图22中所示的测量序列的不同步骤，当通过+1V的电压对整流天线设备400进行补给时获得的电流值。
IV曲线D00和L00描绘了由整流元件405中包括的一个或多个分子二极管对电磁波的整流。其他曲线示出了性能的测量结果。
图24示出了在本发明的一些实施例中，所生成的电流随着补给整流天线设备400的电压的变化。图24的测量结果表明，光被整流天线阵列整流。
尽管已经通过对各种实施例的描述示出了本发明，并且尽管已经相当详细地描述了这些实施例，但是申请人无意将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这种细节。其他优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。此外，流程图、序列图和/或框图中的任何一个都可以包括比与根据本发明的实施例示出的框图相比更多或更少的框图。

Claims (20)

1.一种用于将入射光转换成电能的整流天线设备(400)，包括：
-衬底(402)；
-第一金属层(404)，其沉积在所述衬底(402)的顶部上，所述第一金属层(404)具有预定厚度；
-整流元件(405)，其沉积在所述第一金属层(404)的顶部上；
-第二金属层(408)，其沉积在所述整流元件(405)的顶部上，并且被配置为收集所述入射光的电磁波并将其耦合到所述整流天线设备(400)内的等离激元波中，所述第二金属层(408)包括根据预定间距彼此间隔开的多个金属贴片(410)的阵列，每个金属贴片(410)具有预定尺寸，
其中，所述整流元件(405)被配置为对所述等离激元波进行整流以产生直流电，所述等离激元波以一个或多个工作波长生成，并且所述整流天线设备(400)的至少一个尺寸参数是根据至少一个工作波长确定的，所述至少一个尺寸参数选自包括以下各项的组：所述多个金属贴片(410)的尺寸、所述阵列中的金属贴片(410)的间距以及所述第一金属层(404)的预定厚度。
2.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述多个金属贴片(410)沿着所述阵列周期性地布置，所述多个金属贴片(410)的间距在所述阵列上是恒定的。
3.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述多个金属贴片(410)被随机地布置。
4.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述整流元件(405)包括一个或多个自组装分子二极管，分子二极管被用诸如硫醇(-SH)或腈(CN)之类的锚定基团官能化或选自包括以下各项的组：11-(二茂铁基)-1-十一碳硫醇(HS-C11Fc)、苯乙烯基吡啶、二茂铁基烷二硫醇、苯乙烯基吡啶鎓、卟啉、酞菁和推挽分子。
5.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述衬底由硅制成，所述第一金属层(404)和/或所述第二金属层(408)是根据选自包括以下各项的组的材料形成：铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、钨(W)或铜(Cu)。
6.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述至少一个工作波长范围为：总厚度的一倍至总厚度的一百倍，所述总厚度表示所述第一金属层(404)的厚度。
7.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，至少一个工作波长大于所述阵列的周期的一倍。
8.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述多个金属贴片(410)具有多个尺寸，所述整流天线设备(400)以多个工作波长操作。
9.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述至少一个工作波长与所述多个金属贴片(410)当中的一个金属贴片(410)的长度和/或宽度以比例常数成正比。
10.根据权利要求1所述的整流天线设备(400)，其中，所述整流天线设备(400)还包括沉积在所述整流元件(405)的顶部上的透明导电层(406)，所述第二金属层(408)沉积在所述透明导电层(406)的顶部上，所述透明导电层(406)具有预定厚度，并且被配置为针对至少一个工作波长根据所述整流元件(405)附近的所述电磁波生成等离激元波，其中，所述至少一个尺寸参数选自其中的组还包括所述透明导电层(406)的预定厚度。
11.根据权利要求10所述的整流天线设备(400)，其中，至少一个工作波长范围为：总厚度的一倍至总厚度的一百倍，所述总厚度表示所述第一金属层(404)的厚度与所述透明导电层(406)的厚度之和。
12.根据前述权利要求10至11中任一项所述的整流天线设备(400)，其中，所述透明导电层(406)选自包括ZnO或ZnS的第一组，或选自包括ZnO:Al、ITO、PEDOT:PSS以及银纳米粒子的第二组。
13.根据权利要求11和12所述的整流天线设备(400)，其中，所述透明导电层(406)选自所述第一组，并且所述总厚度上至50nm。
14.根据权利要求11和12所述的整流天线设备(400)，其中，所述透明导电层(406)选自所述第二组，并且所述总厚度大于50nm。
15.一种制造用于将入射光转换成电能的整流天线设备(400)的方法，所述方法包括：
-确定(2000)所述整流天线设备(400)以其谐振的至少一个工作波长；
-制备衬底(2001)，包括清洁和涂覆操作；
-在所述衬底的顶部上沉积(2002)第一金属层；
-在所述第一金属层的顶部上沉积(2004)整流元件，所述整流元件具有预定厚度，并且被配置为对由所述整流天线设备(400)根据所述整流元件附近的入射光的电磁波生成的等离激元波进行整流；
-在所述整流元件的顶部上沉积(2010)第二金属层，所述第二金属层提供了多个金属贴片的阵列，所述多个金属贴片均具有预定尺寸，并且根据预定间距彼此间隔开，
其中，所述方法还包括：
-通过所述第二金属层来收集入射光的电磁波，以及
-根据至少一个工作波长确定所述整流天线设备(400)的至少一个尺寸参数，所述至少一个尺寸参数选自包括以下各项的组：所述多个金属贴片的尺寸、所述金属贴片的所述间距以及所述第一金属层的预定厚度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述衬底和/或所述整流元件是没有图案的平面层。
17.根据前述权利要求15至16中任一项所述的方法，其中，所述衬底以及所述第一金属层和/或所述第二金属层是通过使用选自包括以下各项的组的技术来获得的：在超真空环境中银(Ag)层的物理气相沉积(PVD)、磁控溅射、离子束溅射(IBS)、电子束蒸发以及使用胶体纳米粒子。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括：
-在所述整流元件的顶部上沉积(2006)透明导电层，所述透明导电层具有预定厚度，所述第二金属层在步骤(2010)处沉积在所述透明导电层的顶部上，
其中，所述至少一个尺寸参数选自还包括所述透明导电层的预定厚度的所述组。
19.根据权利要求15和18所述的方法，其中，所述衬底、所述整流元件和所述透明导电层是没有图案的平面层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述透明导电层是通过使用选自包括以下各项的组的技术来获得的：旋涂、深涂、溶胶凝胶或蒸发。
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