CN112255715B - 一种基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的方法及吸波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的方法及吸波装置，属于微纳光学与超构材料领域。本发明提供的结构依次由金属基底、T型光刻胶微结构以及包裹T型光刻胶微结构的超薄金属膜层构成。当入射光照射到器件表面时，借助金属微结构阵列激发的表面等离激元共振效应，不同波长光波电场在T型金属微结构阵列不同部分的表面被高度局域和增强，调节和优化T型微结构的尺寸和深度实现阻抗匹配时，可以在整个可见光波段实现宽带光吸收增强。此外，本发明提供的方法及装置具有很高的结构制备容差，对入射光偏振态和入射角变化不敏感，利于低成本的制备，在光电探测、光热转化、太阳能电池、光电成像、光学隐身等领域极具应用价值。

Description

一种基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的方法及吸波 装置

技术领域

本发明涉及一种基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的方法及吸波装置，属于微纳光 学与超构材料领域。

背景技术

光与物质的相互作用是基础研究和技术应用中一个广受关注的问题。通常，为了增强光 与物质的相互作用，往往需要提高材料或器件对光的响应，而在特定波段内实现光的吸收增 强就是其一种实现方式。由于光的吸收增强往往伴随着光场能量的高度局域，并引起电磁场 显著增强，可以有效增强光与物质的相互作用，因而在光电探测、光热转化、太阳能电池、 荧光光谱、光学传感、高次谐波激发等方面具有很高的应用价值。

在微纳光学与超构材料领域，为了实现光的吸收增强，广泛采用的方式是“金属-介质- 金属”三明治微结构，由于这种结构中上、下金属层表面可以激发表面等离激元共振，在共 振波长处上、下金属层表面形成反对称的电流分布，并在介质层中产生磁偶极共振，其显著 的电磁耦合可以急剧提升光场在结构中的耗散，进而在共振波长处实现显著的光吸收增强。 然而，由于“金属-介质-金属”微结构的光吸收增强源于电磁谐振效应，因此吸收光谱的带宽 较窄，这限制了其在诸如光电探测、光热转化、太阳能电池、光电成像等领域的应用，因为 在这些应用场景中，往往需要入射光波在宽波段范围内被吸收增强。

当前，为了实现宽带光吸收增强，主要采取以下三种方式。(1)基于“金属-介质-金属” 微结构的多谐振宽带吸波器，也就是在元胞(结构的基本单元)中集成多个不同尺寸的金属 微结构谐振单元，不同尺寸的谐振单元吸收不同波长的光波，进而实现宽带的光吸收增强。 然而，由于可集成的谐振单元数量受制于元胞尺寸，并且过多的谐振单元会彼此耦合形成串 扰，导致这种方法实现的吸收带宽大小受限。(2)基于“金属-介质”多层膜堆结构，通过 结构参数优化，在宽波段范围内实现阻抗匹配，由此实现宽带的光吸收增强。然而，这种方 法往往需要较多的“金属-介质”膜堆数。(3)基于双曲超材料微结构，尤其是采用渐变宽 度的“金属-介质”微结构，借助双曲超材料的慢光波导模式，不同宽度的“金属-介质”微结 构吸收不同波长的光波，进而在宽光谱范围内实现光吸收增强。然而，虽然这种方法获得的 光吸收带宽大，但它不仅依赖于数量较多的“金属-介质”膜堆数，同时也需要微结构的宽度 随着深度渐变(如圆锥、圆台、金字塔结构等)，这增大了实际制备的难度。

综上所述，现有的宽带光吸收方法和吸波装置中，为了在宽波段范围内实现光的吸收增 强，往往需要借助于较为复杂的微结构图案，或者数量较多的“金属-介质”膜堆数，结构的 整体深度较大，并且需要较厚的金属膜层，不利于实现超紧凑、易集成的超薄光子器件，这 也限制了宽带光吸收器件在集成光学、片上光学等领域的应用。

发明内容

本发明提供了一种基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的方法及吸波装置，解决了如 下至少一个技术问题：目前方法实现的宽带光吸收增强装置，往往依赖于较为复杂的微结构 图案，或者数量较多的“金属-介质”膜堆数，器件的整体深度较大，并且需要较厚的金属膜层。 采用本发明的方法或装置，可以获得具有亚波长深度(即结构的深度小于入射光波长)的超 薄宽带吸波器，并且仅需借助超薄的金属膜层实现，其金属膜层厚度大于对应波长的趋肤深 度即可。针对本发明的方法或装置，当入射光照射到器件表面时，由于金属微结构阵列激发 的表面等离激元共振效应，不同波长光波电场在金属微结构阵列不同部分的表面被高度局域 并显著增强，当调节和优化微结构的面型和深度以实现阻抗匹配时，可以在整个可见光波段 实现宽带的光吸收增强。此外，该结构的宽带光吸收特性具有很高的实验容差，即便结构参 数、入射角和偏振角发生显著变化，器件仍然保持优良的宽带光吸收性能。

本发明的第一个目的是提供一种实现宽带光吸收增强的吸波装置，该吸波装置从下至上 依次由金属基底、光刻胶微结构阵列以及包裹在光刻胶微结构阵列外的超薄金属膜层构成； 该吸波装置具有亚波长结构(即吸波装置微结构的周期小于入射光波长)，且吸波装置为具 有亚波长深度的超薄结构(即结构的深度小于入射光波长)。

在一种实施方式中，光刻胶微结构阵列包括T型光刻胶微结构阵列、矩形光刻胶微结构 阵列、十字架光刻胶微结构阵列、开口环光刻胶微结构阵列、多谐振光刻胶微结构阵列中任 意一种。

在一种实施方式中，所述吸波装置的结构的基本单元(又称结构的元胞)包含一个光刻 胶微结构，它的表面包裹一层超薄金属膜层，其厚度大于入射光的趋肤深度(可见光波段为 20nm左右)，微结构阵列置于金属基底上。

在一种实施方式中，T型光刻胶微结构阵列可以有效降低结构中金属膜层的厚度，进而 降低器件的制备难度，而包裹T型光刻胶微结构的超薄金属膜层(可见光波段约20nm)不 仅可以保护器件表面，同时可以保障器件良好的宽带光吸收性能。当入射光照射到器件表面 时，由于金属微结构阵列激发的表面等离激元共振效应，不同波长光波电场在T型金属微结 构阵列不同部分的表面被高度局域并显著增强，当调节微结构的尺寸和深度以实现阻抗匹配 时，可以在整个可见光波段实现良好的宽带光吸收增强，正入射时在可见光波段(400-800nm) 的平均光吸收效率高于96％。

在一种实施方式中，光刻胶微结构采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制备，PMMA化学稳定性好，物理力学性能较均衡，加工性能、耐候性良好，由于PMMA对波长为1nm或更 短的射线以及20keV或更高能量的电子辐射敏感，且性价比高、光敏性能优越，已成为一种 在微电子领域广泛使用的电子束胶，非常适合通过电子束曝光制作各种微结构图案。使用的 金属材料为铬，其光学常数取自Palik数据库。

在一种实施方式中，光刻胶微结构阵列可以采用传统微电子光刻工艺制备，选用PMMA 或感光树脂等常规光刻胶即可。

在一种实施方式中，光刻胶微结构制备过程如下：在金属基底上旋涂光刻胶，并通过调 整旋涂装置的旋转速度，控制光刻胶薄膜的厚度，得到一定厚度的光刻胶薄膜；然后对光刻 胶进行曝光，然后利用掩膜版在光刻胶薄膜上制备微结构图案，再经过显影、定影和烘烤， 获得稳定的光刻胶微结构图案。

具体为：在金属基底上制备一定厚度的光刻胶薄膜，选用常规的旋涂装置，在暗室中采 用旋涂的方式在金属基底上旋涂光刻胶，光刻胶可以选用正胶，也可以选用负胶，通过调整 旋涂装置的旋转速度，控制光刻胶薄膜的厚度，得到一定厚度的光刻胶薄膜。

最后对光刻胶进行曝光，采用常规紫外曝光或电子束直写等方式，借助掩膜版在光刻胶 薄膜上制备微结构图案，再经过显影、定影和烘烤，获得稳定的光刻胶微结构图案。

在光刻胶微结构基础上，采用电子束蒸发或磁控溅射等常规镀膜方式，将一定厚度的超 薄金属薄膜(可以见光波段约20nm)沉积于光刻胶微结构之上，并将光刻胶微结构包裹起 来，即可完成最终吸波装置的制备。

在一种实施方式中，金属基底的制备过程包括：采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜方 式将金属材料沉积于光学基板表面上，形成金属薄膜，即得金属基底。

具体为：制备金属基底，由于金属基底无需太厚，只需大于对应波长的趋肤深度(可见 光波段厚度100nm已足够)，可采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜方式，将金属材料(比 如金、银、铬、镍、铝、铁等)沉积于石英玻璃片、硅片等常规光学基板之上，形成一定厚 度的金属薄膜，该依附于石英玻璃片或硅片基板之上的金属薄膜，即为金属基底。

在一种实施方式中金属基底中的金属选自铬、金、银、镍、铝、铁等金属中的任意一种。

在一种实施方式中，金属膜层中的金属选自金、银、铬、镍、铝、铁等金属中的任意一 种。

本发明提供的宽带光吸收增强的方法及吸波装置，其吸收性能以及电磁场特性可以采用 时域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)等方法计算。由于结构为亚波长结构且没有 透射光，结构的吸收率可以简化为A＝1-R，其中R为结构的反射率。此外，为了进一步分析 结构中不同部分对吸收的贡献，结构中不同部分的吸收率采用式(1)计算：

式中，ε₀为真空介电常数，Im(ε)为介电常数的虚部，ω为入射光频率，

为结构中对应 部分的电场分布，V为结构中对应部分的体积。

本发明的第二个目的是提供一种制备上述吸波装置的方法，所述方法包括如下过程：

通过在光刻胶微结构表面沉积一层超薄金属薄膜，该超薄金属薄膜采用电子束蒸发镀膜 或磁控溅射镀膜等方式沉积于光刻胶微结构之上，并将光刻胶微结构包裹起来，该超薄金属 薄膜不仅可以保护光刻胶微结构表面，还可以在保障器件良好光吸收性能的同时，降低整个 微结构中金属材料的使用量，进而降低器件制备的成本。此外，基于公式(1)，采用时FDTD、 FEM等方法，还可以细化分析吸波装置中超薄金属微结构不同部分对光吸收的贡献。

在本发明的一种实施方式中，所述超薄金属薄膜的可见光波段约20nm。

本发明还提供一种评估超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的方法，由于所采用的结构为 亚波长结构，通过调整和优化结构参数(微结构面型、深度等)，可以在宽波段实现阻抗匹 配，获得宽带减反射效果，由于金属基底阻挡了光的透射，因此可在宽波段范围内实现宽带 吸收增强。其中，结构的阻抗可以采用式(2)-(4)计算：

式中，Z为结构的阻抗，S₁₁、S₂₂、S₂₁、S₁₂为结构的S参数，k、n、d分别为入射光波矢、结构的等效折射率和深度。此时结构对应的反射率为R＝[(Z-Z₀)/(Z+Z₀)]²，其中Z₀＝1为归一化 的真空阻抗。

本发明第三个目的是提供一种基于超薄金属薄膜实现高制备容差的宽带光吸收增强的方 法，由于不同波长光波的电场在金属微结构阵列不同部分的表面被局域和增强，结构的宽带 吸收性能表现为结构中不同部分的协同吸收效应，因此结构呈现出极高的制备容差。当金属 薄膜的厚度，微结构的高度、周期和对称性，以及微结构的长度和宽度发生较大改变时，结 构依然保持优良的宽带光吸收特性，这在实际制备中具有很大优势。

本发明第四个目的是提供一种基于超薄金属薄膜实现角度不敏感的宽带光吸收增强的方 法，由于结构的吸收源于金属微结构的表面等离激元共振效应，不同波长光波的电场被高度 局域于金属微结构阵列不同部分的表面，因此入射条件的改变对结构的吸收性能影响甚小。 即便当入射光波的入射角和偏振角发生显著改变时，结构依然具备良好的宽带吸收性能，呈 现出宽带吸收效应对入射光的偏振态和入射角高度不敏感的优势。

本发明的再一目的是将吸波装置应用在光电探测、光热转化、太阳能电池、荧光光谱、 光学传感、高次谐波激发方面中。

本发明有益效果是：

本发明吸波装置采用亚波长结构(即微结构的周期小于入射光波长)，可以避免因高级 次衍射导致的吸收效率降低；采用亚波长的深度(即微结构的深度小于入射光波长)，可以 降低器件深度进而利于实现超紧凑、易集成的超薄光子器件；采用超薄金属薄膜(可见光波 段为20nm左右)包裹光刻胶微结构阵列的方式，不仅可以显著降低结构中金属膜层的厚度， 同时利于降低器件的制备难度和成本，利于产业界低成本的制备。通过调整和优化结构参数 (微结构面型、深度等)，可以在宽波段实现阻抗匹配，获得宽带减反射效果，进而实现宽 带光吸收增强。

本发明吸波装置的结构的宽带吸收性能表现为结构中不同部分的协同吸收效应，呈现出 极高的制备容差；当金属薄膜的厚度，微结构的高度、周期和对称性，以及微结构的长度和 宽度发生较大改变时，结构依然保持优良的宽带光吸收特性，这在实际制备中具有很大优势。 同时，本发明吸波装置可实现角度不敏感的宽带光吸收增强，即入射条件的改变对结构的吸 收性能影响甚小，即便当入射光波的入射角和偏振角发生显著改变时，结构依然具备良好的 宽带吸收性能，呈现出宽带吸收效应对入射光的偏振态和入射角高度不敏感的优势。

本发明提供的方法及装置其金属膜层不仅可以使用金、银等贵金属，也适用于铬、镍、 铝、铁等廉价金属，利于低成本的制备。此外，本发明提供的方法及装置具有很高的结构制 备容差，并且对入射光的偏振态和入射角高度不敏感，因此在光电探测、光热转化、太阳能 电池、光电成像、光学隐身等领域极具应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中吸波装置的结构示意图；其中，(a)为吸波装置的周期性微结构示意图， 该结构置于石英玻璃片上，从下至上依次为铬基底、T型光刻胶微结构阵列、包裹T型光刻 胶微结构的超薄铬膜层，微结构的周期P_x＝P_y＝P；(b)为结构的元胞示意图，其中，铬基底的 厚度为h_s，T型光刻胶微结构的深度为h_d，其外部覆盖的铬膜层厚度为h_m；T型微结构的横 条(x方向条)的长和宽分别为L₁和W₁，纵条(y方向条)的长和宽分别为L₂和W₂。

图2为实施例1吸波装置中整体结构以及结构中不同部分(横条、纵条、剩余部分)的 吸收光谱图。TM偏振(电场沿x方向)入射光垂直入射至器件表面，结构参数为：P_x＝P_y＝P＝300 nm，h_s＝100nm，h_d＝130nm，h_m＝20nm，L₁＝180nm，W₁＝20nm，L₂＝130nm，W₂＝30nm。

图3为实施例2中结构对应的阻抗和反射率分布。

图4为实施例3中探究结构中铬膜层厚度h_m，光刻胶微结构的深度h_d，微结构的周期P， 微结构的对称参数ΔX对吸收光谱的影响，其中，(a)铬膜层厚度h_m；(b)光刻胶微结构的深度 h_d；(c)微结构的周期P；(d)微结构的对称参数ΔX(竖条在x方向的偏移量)变化对吸收光谱 的影响。

图5为实施例3中探究T型微结构横条的长L₁，横条的宽W₁，竖条的长L₂，竖条的宽W₂变化对吸收光谱的影响；其中，(a)横条的长L₁，(b)横条的宽W₁，(c)竖条的长L₂，(d)竖条的宽W₂变化对吸收光谱的影响。

图6为实施例4中结构的吸收光谱随入射角和偏振角变化特性；其中，(a)为TM偏振随 入射角变化的吸收光谱；(b)为TE偏振(电场沿y方向)随入射角变化的吸收光谱。(c)为入 射光的偏振角发生变化时的吸收光谱。其他结构参数与图2相同

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：基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的吸波装置

基于超薄金属薄膜的微结构实现宽带光吸收装置，其结构及其元胞如图1(a)-(b)所示。 该结构置于石英玻璃片上，由于该结构是周期性结构，对于一个元胞，从下至上依次为铬基 底、T型光刻胶微结构阵列、包裹T型光刻胶微结构的超薄铬膜层，微结构的周期P_x＝P_y＝P (P是阵列沿x和y方向的周期)。(b)为结构的元胞示意图，其中，铬基底的厚度为h_s，T 型光刻胶微结构的深度为h_d，其外部覆盖的铬膜层厚度为h_m；T型微结构的横条(x方向条)的长和宽分别为L₁和W₁，纵条(y方向条)的长和宽分别为L₂和W₂。

相应的制备过程如下：

首先在铬金属基底上制备光刻胶薄膜，选用常规的旋涂装置，在暗室中采用旋涂的方式 在金属基底上旋涂PMMA光刻胶，通过调整旋涂装置的旋转速度，得到厚度h_d约为130nm 的光刻胶薄膜。

然后对光刻胶薄膜进行曝光，采用常规紫外曝光或电子束直写等方式，通过掩膜版在 PMMA光刻胶薄膜上制备出T型微结构，制备的T型微结构的横条(x方向条)的长和宽分别为180nm和20nm，纵条(y方向条)的长和宽分别为130nm和30nm；再经过显影、定 影和烘烤，获得厚度约为130nm的T型PMMA光刻胶微结构图案。

最后采用电子束蒸发或磁控溅射等常规镀膜方式，将厚度h_m约为20nm的铬金属薄膜沉 积于T型光刻胶微结构之上，形成包裹T型光刻胶微结构的T型铬金属图案，完成最终吸波 装置的制备。

吸波装置的结构的具体参数：周期P_x＝P_y＝P＝300nm，h_s＝100nm，h_d＝130nm，h_m＝20nm， L₁＝180nm，W₁＝20nm，L₂＝130nm，W₂＝30nm；这里T型微结构的横条(x方向条)的长和宽分别为L₁和W₁，纵条(y方向条)的长和宽分别为L₂和W₂；T型微结构的深度为h_d+h_m。

T型光刻胶微结构阵列可以有效降低结构中金属膜层的厚度，进而降低器件的制备难 度，而包裹T型光刻胶微结构的超薄金属膜层不仅可以保护器件表面，同时可以保障器件良 好的宽带光吸收性能。当入射光照射到器件表面时，由于金属微结构阵列激发的表面等离激 元共振效应，不同波长光波电场在T型金属微结构阵列不同部分的表面被高度局域并显著增 强，当调整微结构的尺寸和深度以实现阻抗匹配时，由于铬基底的厚度大(为了简化h_s＝100 nm)，结构中将没有透射光，此时可以在整个可见光波段实现良好的宽带光吸收增强。

在本实施例中，所选取的设计波段为可见光波段(400-800nm)，光刻胶微结构材料选 用PMMA，PMMA是一种在微电子领域广泛使用的电子束胶，非常适合通过电子束曝光制作各种微结构图案。金属材料为铬，其光学常数取自Palik数据库。采用FDTD、FEM等方 法对装置的吸收性能进行分析计算。由于本发明结构为亚波长结构且没有透射光，结构的吸 收率可以简化为A＝1-R，其中R为结构的反射率。

光刻胶微结构阵列可以采用常规微电子光刻工艺制备，选用PMMA或感光树脂等常规 光刻胶即可，涉及到的T型光刻胶微结构的具体制备过程为：

首先制备金属基底，采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜方式，将金属材料(比如金、 银、铬、镍、铝、铁等)沉积于石英玻璃片、硅片等常规光学基板之上，形成一定厚度的金属薄膜，该依附于石英片或硅片基板之上的金属薄膜，即为金属基底。

其次在金属基底上制备一定厚度的光刻胶，选用常规的旋涂装置，在暗室中采用旋涂的 方式在金属基底上旋涂光刻胶，通过调整旋涂装置的旋转速度，控制光刻胶薄膜的厚度，得 到一定厚度的光刻胶薄膜。

最后对光刻胶进行曝光，采用常规紫外曝光或电子束直写等方式，通过掩膜版在光刻胶 薄膜上制备微结构图案，再经过显影、定影和烘烤，获得稳定的光刻胶微结构图案。

此外，为了进一步分析结构中不同部分对光吸收的贡献，结构中不同部分的吸收率采用 式(1)计算：

式中，ε₀为真空介电常数，Im(ε)为介电常数的虚部，ω为入射光频率，

为结构中对应 部分的电场分布，V为结构中对应部分的体积。

图2为本实施例中整体结构以及结构中不同部分(横条、纵条、剩余部分)的吸收光谱 图。可以看到，本发明设计的吸收装置在可见光波段具有非常好的宽带吸收性能，在400-800 nm的波长范围内的平均光吸收效率为96.4％。此外，可以看到结构中的横条对总体吸收的 贡献最大，但是纵条和剩余部分的吸收贡献也不可忽略，尤其是短波段纵条对总吸收的贡献 较大，而长波段剩余部分对总吸收的贡献较大，因此，结构的宽带吸收增强源于结构中横条、 纵条、剩余部分的协同吸收效应。

实施例2：基于微结构调整阻抗评估宽带光吸收性能的方法

本实施例采用亚波长结构，其微结构面型参数的变化将改变结构的阻抗，基于金属微结 构的表面等离激元共振效应，当调整和优化微结构的尺寸和深度以实现阻抗匹配时，可以实 现良好的宽带光吸收效应。实际设计中微结构尺寸的调整范围为：微结构的周期小于入射光 波长(可见光波段小于400nm)，而微结构的长和宽均小于其周期；微结构的深度同样小 于入射光波长(可见光波段小于400nm)。在上述范围内采用FDTD或FEM方法，计算结 构对应的阻抗，当对应的结构参数可以在宽波段范围内产生宽带减反射效果，由于铬基底的 厚度大，结构中没有透射光，结构将表现为良好的宽带光吸收增强，此时对应的参数即可以 认为是较好的结构参数。当然，还可以在此结构参数基础上，采用诸如模拟退火算法、遗传 算法等优化算法，不断进行参数优化，进而获得更好的结构参数和光吸收性能。因此，借助 阻抗可以有效评估和分析结构的宽带吸收性能。

涉及到的结构的阻抗可以采用式(2)-(4)计算：

式中，Z为结构的阻抗，S₁₁、S₂₂、S₂₁、S₁₂为结构的S参数，k、n、d分别为入射光波 矢、结构的等效折射率和深度，d＝h_d+h_m。此时结构对应的反射率为R＝[(Z-Z₀)/(Z+Z₀)]²，其 中Z₀＝1为归一化的真空阻抗。可以看出，当Z＝1时，R＝[(Z-Z₀)/(Z+Z₀)]²＝0，此时吸波装置的阻抗与入射光的阻抗实现完美匹配，T型微结构的反射光将彻底消失。

图3为本实施例中结构对应的阻抗和反射率分布，可以看出，当吸波装置取图2对应的 结构参数时，在可见光范围内，计算得到吸波装置的阻抗的实部趋于1，而阻抗的虚部接近 0，在可见光波段满足良好的阻抗匹配条件，也即是阻抗Z的绝对值|Z|≈1，因而T型微结构 反射光的强度将显著被降低。从图3可以看出，此时微结构对应的反射率均很小，接近于0， T型微结构在可见光波段具有很好的宽带减反射功能，由于反射率R接近0，此时微结构的 光吸收效率A＝1-R将很大，接近于1，因此呈现出宽带的光吸收特性，而图2的吸收光谱也 印证这一点。因此借助阻抗计算，可以进一步解释和验证吸波装置的吸收性能。

实施例3：基于超薄金属薄膜实现高制备容差宽带吸波的方法

由于不同波长光波的电场在金属微结构阵列不同部分的表面被局域和增强，结构的宽带 吸收性能表现为结构中不同部分的协同吸收效应，因此结构呈现出极高的制备容差。

探究结构中铬膜层厚度h_m，光刻胶微结构的深度h_d，微结构的周期P，微结构的对称参 数ΔX对吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例1相同。从图4(a)中可以看出，当光刻胶 微结构没有被超薄的铬薄膜包裹时(h_m＝0)，由于不能激发铬微结构的表面等离激元共振， 此时结构不具备宽带吸收功能。但是一旦光刻胶微结构被超薄的金属铬薄膜所包裹，结构就 呈现出良好的宽带吸收功能，并且即便结构参数发生显著变化，依然保持很好的宽带吸收性 能。从图4(a)-(d)中可见，当铬膜层厚度h_m、光刻胶微结构的深度h_d、微结构的周期P、对 称参数ΔX分别偏离设计值的50.0％、23.1％、10.0％、41.7％时，结构依然具备良好的宽带 吸收性能，呈现出极高的制备容差。

同时，探究T型微结构横条的长L₁，横条的宽W₁，竖条的长L₂，竖条的宽W₂变化对 吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例1相同。根据图5可以看出，结构的宽带吸收性能 对结构参数的变化依然表现出极高的稳定性，当横条的长L₁，横条的宽W₁，竖条的长L₂， 竖条的宽W₂分别偏离设计值的22.2％、200.0％、23.1％、100.0％时，结构依然保持很好的宽 带吸收性能。

实施例4：基于超薄金属薄膜实现角度不敏感宽带吸波的方法

由于结构的吸收源于金属微结构的表面等离激元共振效应，不同波长光波的电场被高度 局域于金属微结构阵列不同部分的表面，因此入射条件的改变对结构的吸收性能影响甚小。

本实施例探究吸波装置结构的吸收光谱随入射角和偏振角变化特性。吸波装置的参数同 实施例1。

图6为本实施例探究吸收光谱随入射角和偏振角变化特性趋势图。可以看出，当入射角 和偏振角发生显著变化时，结构依然具备优良的宽带吸收性能。从图6(a)-(b)中可见，对于 TM偏振，当入射角增大至60°时，在可见光范围内(400-800nm)的平均光吸收效率为83.6％； 对于TE偏振，当入射角增大至45°时，其在可见光波段的平均光吸收效率为85.3％，入射角 增大至60°时，其平均光吸收效率仍高于73％。从图6(c)中可以看出，当偏振角由0°增大至 90°时，即由TM偏振转化至TE偏振时，结构的宽带光吸收性能几乎维持不变。宽带吸收效 应对入射光的偏振态和入射角高度不敏感，这在实际应用中具有很大优势。

在实际应用中，金属膜层材料不仅可以使用金、银等贵金属，也适用于铬、镍、铝、铁 等廉价金属。由于金属基底为一块厚度大于入射光波长趋肤深度的金属薄膜，一般选取100 nm足够，可以采用电子束蒸发镀膜、或磁控溅射镀膜等方式将金属沉积到诸如石英玻璃片、 硅片等常规光学基底上；光刻胶可以采用PMMA、感光树脂等常规半导体光刻胶，既可以 选用正胶，也可以选用负胶。金属微结构阵列可以采用常规微电子光刻工艺制备：首先，光 刻胶以旋涂的方式涂敷在金属基底上，然后经电子束直写或光刻等方式曝光，再经常规的显 影和定影等环节，形成光刻胶微结构图案；最后，采用电子束蒸发镀膜、或磁控溅射镀膜等 方式将超薄金属薄膜(可见光波段约20nm)沉积到光刻胶图案上，形成包裹光刻胶微结构 的金属微结构图案，最终完成基于超薄金属薄膜的高效率宽带吸波器件的制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超薄金属薄膜实现宽带光吸收增强的吸波装置，其特征在于，该吸波装置的结构从下至上依次由金属基底和金属微结构阵列构成；所述金属微结构由光刻胶微结构阵列以及包裹光刻胶微结构阵列的超薄金属膜层组成；所述超薄金属膜层的厚度大于入射光的趋肤深度；

所述超薄金属膜层中的金属选自金、银、铝；

当入射光照射到所述吸波装置的表面时，由于所述金属微结构阵列激发的表面等离激元共振效应，不同波长光波电场在所述金属微结构阵列中不同部分的表面被高度局域并显著增强，仅通过调节所述金属微结构阵列的尺寸和深度以在宽波段实现阻抗匹配，实现宽带减反射效果；

其中，所述金属微结构阵列的尺寸和深度的调整范围为：所述金属微结构阵列的周期和深度均小于入射光波长，所述金属微结构阵列的长和宽均小于其周期；在上述范围内，所述金属微结构阵列的尺寸和深度所构成的结构参数，采用FDTD或FEM方法，计算所述金属微结构阵列对应的阻抗Z等于1。

2.根据权利要求1所述的吸波装置，其特征在于，所述吸波装置的结构的基本单元包含一个T型金属微结构；所述T型金属微结构由T型光刻胶微结构及其表面包裹一层所述超薄金属膜层组成，所述超薄金属膜层的厚度大于入射光的趋肤深度；所述T型金属微结构形成阵列结构置于所述金属基底上；

所述T型金属微结构的具体参数：周期P_x＝P_y＝P＝300nm，所述金属基底的厚度h_s＝100nm，所述T型光刻胶微结构的深度h_d＝130nm，所述超薄金属膜层厚度h_m＝20nm，所述T型光刻胶微结构的横条的长L₁＝180nm，所述T型光刻胶微结构的横条的宽W₁＝20nm，所述T型光刻胶微结构的纵条的长L₂＝130nm，所述T型光刻胶微结构的纵条的宽W₂＝30nm。

3.根据权利要求1所述的吸波装置，其特征在于，通过利用金属膜层的表面等离激元共振实现电场的高度局域和增强，进而实现光的吸收增强；金属膜层中的金属选自金、银、铬、镍、铝。

4.根据权利要求1-3任一所述的吸波装置，其特征在于，光刻胶微结构阵列可以有效降低结构中金属膜层的厚度，进而降低器件的制备难度，而包裹光刻胶微结构的超薄金属膜层不仅可以保护器件表面，同时可以保障器件良好的宽带光吸收性能。

5.根据权利要求1-3任一所述的吸波装置，其特征在于，宽带光吸收效应具有极高的制备容差，当结构参数、入射角和偏振角发生显著变化，器件仍然保持良好的光吸收性能。

6.根据权利要求1-3任一所述的吸波装置，其特征在于，光刻胶微结构阵列包括T型光刻胶微结构阵列、矩形光刻胶微结构阵列、十字架光刻胶微结构阵列。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的吸波装置实现宽带光吸收增强的方法，其特征在于，利用吸波装置的金属膜层的表面等离激元共振实现光吸收增强，通过光刻胶微结构显著降低结构中金属膜层的厚度，通过调节光刻胶微结构的尺寸和深度以实现阻抗匹配，实现宽带光吸收增强。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用吸波装置中的金属微结构的表面等离激元共振实现光的吸收增强，适用波段为能够激发金属微结构表面等离激元共振的波段，波长范围覆盖可见光至中红外波段。

9.权利要求1-6任一项所述的吸波装置在光电探测、光热转化、太阳能电池、荧光光谱、光学传感、高次谐波激发方面中的应用。

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