CN112558199A - 可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法，所述吸收器包括衬底、位于衬底上的背反射层、位于背反射层上的介质层，以及位于介质层上的二氧化钒层；所述吸收器的膜层总厚度小于工作波长的四分之一。本发明的吸收器是超薄的多层薄膜结构，相比于传统的四分之一波长厚度吸收器以及近年提出的超材料吸收器，该吸收器可通过外场控制二氧化钒薄膜的介电函数，从而调控吸收器在近红外波段的吸收带宽及吸收效率，且结构厚度明显降低，避免使用复杂的光刻加工技术，使生产周期显著缩短，生产成本显著下降，便于大规模、批量化制备。

Description

可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法
技术领域
本发明涉及多层吸收结构的设计及优化，更具体地，涉及一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法。
背景技术
光吸收是光(电磁波)通过材料时，与材料发生相互作用，电磁辐射能量被部分转化为其他能量形式的物理过程。通常将光按频率由低到高排列，可以分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线和伽马射线等。调控材料在近红外的吸收性能在目标识别、热光伏电池、储能、感应元器件、隐身等方面都有很重要的应用。
光的吸收过程满足A＝1-R-T，其中R为反射系数、T为透射系数。可以通过多层结构设计达到临界耦合条件实现材料的高吸收性能。基于金属-电介质-金属(MIM)的F-P谐振腔结构，一般要求中间介质膜的厚度至少为四分之一波长，对于红外及更长的波段，要求膜层的厚度增加，制备困难。尽管可以将顶层金属替换为亚波长大小的图案化结构，这种超材料或者超表面结构可以极大地减小薄膜厚度，但需要更精细光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制。
通常吸收结构受到结构参数、材料参数和排列方式的限制，这些参数一旦确定，其吸收性能很难再发生改变。在现代的能源、通信、军事等应用场景中，需要材料的吸收对于多变的环境做出适时的响应与调节，可调红外吸收已成为一个重要研究方向。如果在多层吸收结构中，引入一种可调光学材料，使得该材料能在外场作用下(温度、磁场、电场、应力等)光学性质发生可逆变化，则能够形成智能可调的吸收结构。VO2作为一种热致相变材料，在温度68℃附近发生从低温半导体单斜相向高温金属金红石相的转变，同时相变中间态中金属纳米团簇的出现，可视为一种自然、无序的超材料。
发明内容
本发明提供了一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器，该吸收器的厚度相较于传统的吸收器更薄，吸收范围更宽，且解决了现有的吸收器不能对其吸收率调节的问题。
第一方面，所述吸收器包括衬底、位于衬底上的背反射层、位于背反射层上的介质层，以及位于介质层上的二氧化钒层；所述吸收器的膜层厚度小于工作波长的四分之一。
所述吸收器的膜层厚度是指除去衬底外的，包括背反射层、介质层和二氧化钒层的所有膜层厚度。优选地，所述吸收器的膜层总厚度小于200～600nm。进一步地，所述吸收器的膜层总厚度为380～530nm。
本发明通过优选基底利用吸收薄膜的强干涉效应以及二氧化钒薄膜的相变特性，构建了可调控超薄多层的吸收结构，实现了高效率、吸收广角度的近红外波段超宽带可调吸收，在性能上完全超越了传统的吸收器。本发明的吸收器是超薄的多层薄膜结构，相比于传统的四分之一波长厚度吸收器以及近年提出的超材料吸收器，该吸收器可通过外场控制二氧化钒薄膜的介电函数，从而调控吸收器在近红外波段的吸收带宽及吸收效率，且结构厚度明显降低，避免使用复杂的光刻加工技术，使生产周期显著缩短，生产成本显著下降，便于大规模、批量化制备。
较佳地，在无在外场激励下，吸收器在1.6～2.4μm处的平均吸收率高达95％，1.2～1.5μm处的平均吸收率为74％；在外场激励作用下，吸收器的吸收强度分布波长有所调整，在1.2～1.5μm处的平均吸收率≥90％，在1.6～2.4μm处平均吸收率为78％。
较佳地，所述介质层厚度为50～80nm。
较佳地，所述二氧化钒层厚度为30～50nm。
较佳地，所述衬底材料包括熔融石英、蓝宝石和单晶硅中至少一种。
较佳地，所述背反射层材料包括贵金属、AZO、ITO中至少一种，所述背反射层厚度大于100nm。
较佳地，所述介质层材料包括Al2O3、SiO2中至少一种。
较佳地，所述二氧化钒层采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜、或溶胶-凝胶镀膜的方法获得。
本发明的近红外超薄宽带完美吸收器，相比于传统的吸收器，它的厚度相较于传统的吸收器更薄，吸收范围更宽，具有较好的入射角度不敏感性，且解决了现有吸收器不能对其吸收率调节的问题。因此本发明的近红外超薄宽带完美吸收器吸收性能上完全超越传统的吸收器。由于本发明的近红外超薄宽带完美吸收器结构是超薄的多层薄膜结构，相比于传统的宽带吸收器以及近年提出的超材料吸收器，结构更加简单。正由于其超薄的多层薄膜结构，本发明的近红外超薄宽带完美吸收器可以避免复杂的光刻技术，从而使得生产周期显著缩短，生产成本显著下降，从而便于大规模、批量化生产制备。
本发明基于吸收薄膜的强干涉效应，从而构建厚度远小于λ/4波长情况下也能实现超薄完美吸收的吸收器，具有高效率、可调、角度不敏感的近红外超薄宽带近完美吸收性能。本发明近红外超薄宽带完美吸收器结构简单，无需复杂的光刻技术，成本低，适于大面积批量化生产，从而使得近红外超薄宽带完美吸收器的制备成本大大降低。本发明有望在目标识别、热光伏电池、储能、感应元器件、隐身等方面广泛应用，为我国科学技术和国防建设等领域作出贡献。
本发明还提供了一种基于上述可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的调控方法，包括以下步骤：
(1)通过外场改变二氧化钒层使其处于绝缘相来提高吸收器的吸收率；
(2)通过外场改变二氧化钒层使其处于金属相来调控吸收器的吸收率及带宽。
本发明通过改变二氧化钒薄膜的介电函数实现吸收器近红外波段吸收率的调控。
本发明还提供了一种上述可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据吸收器带宽要求和吸收率要求，通过优化设计得出各层薄膜的厚度，确定符合要求的膜系；
(2)在衬底上依次沉积各层薄膜，得到近红外超薄宽带完美吸收器。
本发明可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的制备方法，制备简单，成本低廉，易于大规模生产、批量化制备。
附图说明
图1为本发明实施例制备的近红外超薄宽带完美吸收器的结构示意图；
图2为本发明实施例制备的用于吸收器的ITO/Al2O3/VO2薄膜结构的吸收光谱图；
图3为本发明实施例制备的近红外超薄宽带完美吸收器的制备流程图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器由衬底1、位于衬底上的背反射层2、位于背反射层之上的介质层3和位于介质层之上的二氧化钒层4组成。该近红外超薄宽带完美吸收器比传统吸收器更薄，膜层厚度不到工作波长的四分之一，单层薄膜尺寸在纳米级别。
衬底1没有材料限制，可以选为且不限于熔融石英、蓝宝石、硅。进一步优选为熔融石英。
位于衬底之上的背反射层2材料可以选为且不限于贵金属、ITO或者AZO。进一步优选为ITO，ITO薄膜在红外波段具有很小吸收，同时具有很高的反射特性，可提高多层结构的吸收效率。
上述背反射层的厚度为100nm以上，进一步优选为200～500nm。更进一步优选为300～400nm。厚度为100nm以上可以阻挡入射光进入背反射层并使光反射进入二氧化钒层，避免了光的透过，极大地增加了吸收。
位于背反射层之上的介质层3材料可以选为且不限于Al2O3或SiO2，进一步优选为Al2O3，Al2O3具有很好的红外透过率和环境稳定性。所述介质层厚度为50～80nm，进一步优选为60～80nm，更进一步优选为65～75nm。
位于被反射层之上的二氧化钒层4，其厚度为30～50nm，进一步优选为30～40nm，更进一步优选为35～40nm。所述二氧化钒层可以采用且不限于真空蒸发镀膜、溅射镀膜、或溶胶-凝胶镀膜的方法获得。
其中，由于整个结构中，只有位于顶层的二氧化钒层有很好的红外吸收特性，其厚度决定了吸收峰的位置，所以可通过改变顶层二氧化钒层的厚度来改变吸收峰的位置。该发明可作为现有可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的一个补充，具有潜在的应用价值。
本发明还提供一种基于上述可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的调控方法，包括以下步骤：
(1)通过外场改变二氧化钒层使其处于绝缘相来提高吸收器的吸收率；
(2)通过外场改变二氧化钒层使其处于金属相来调控吸收器的吸收率及带宽。
上述外场包括但不限于温度、光照、磁场、电场、应力等。例如，可以通过改变温场来控制二氧化钒的相变。
二氧化钒具有可通过热、光、或者电场等外场改变来控制相变的特性，且具有相变温度可调控、相变速度快和相变前后电导率变化大的优点，因此在红外探测领域应用前景具大。其中，二氧化钒为3d过渡金属氧化物，具有在外场激励下发生MIT相变的特性，从绝缘(I)相变成为金属(M)相后，其介电函数会发生巨大的变化。这使得采用二氧化钒的吸收器在可以通过外场激励达到对吸收峰位置以及吸收率的控制，而这种激励可以为热、光和电，使其应用范围更加广泛。
本发明还提供一种上述可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的制备方法。
首先，根据所要求的吸收器带宽要求和吸收率要求，通过优化设计得出各层薄膜的厚度，确定符合要求的膜系。该步骤可以通过现有的仿真软件实现。
所述可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的宽带高吸收是基于干涉堆叠多层膜吸收理论设计的，通过膜系设计使得多层薄膜结构主反射光和部分反射光的相位差为π，因此主反射光和部分反射光在空气/二氧化钒层界面发生相消干涉，从而实现高吸收，又因薄膜厚度很薄，因此吸收器具有较好的角度相容性。
然后，在衬底上依次沉积ITO、Al2O3、VO2，得到近红外超薄宽带完美吸收器。例如可以采用真空镀膜沉积各膜层。一些实施方式中，在沉积膜层前，将衬底分别放入丙酮、乙醇以及去离子水中超声清洗，最后用氮气将衬底吹干。每次超声时间可以为5～25min，进一步优选为5～15min，更进一步优选为10min。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
本发明实施例提供的可调控的近红外超薄宽带完美吸收器由熔融石英衬底、位于熔融石英衬底上的ITO层、位于ITO层之上的Al2O3介质层，以及位于Al2O3介质层之上的二氧化钒层组成。其中，熔融石英衬底购于南通振华光电有限公司，厚度为0.5μm。
图3示出本发明实施例提供的可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的制备方法，包括以下步骤：(1)根据所要求的吸收器带宽要求和吸收率要求，通过优化设计得出各层薄膜的厚度，确定符合要求的膜系；其中ITO层的厚度为350nm，Al2O3介质层的厚度为70nm，二氧化钒层的厚度为35nm；(2)将熔融石英衬底放入丙酮中超声10分钟，然后放入乙醇中超声10分钟，再用去离子水清洗10分钟，最后用氮气将衬底吹干；(3)依次沉积ITO薄膜、Al2O3薄膜和VO2薄膜，其中，ITO薄膜的制备过程采用直流磁控溅射的方式，靶材为ITO靶，溅射功率为120W，溅射时Ar气流量为100sccm，溅射时间为20min；Al2O3薄膜制备采用使用原子层淀积(ALD)方法，使用三甲基铝与水作为前驱体，沉积过程反应腔室的温度为175℃，沉积速率为
Figure BDA0002197831090000051
循环次数为645；VO2薄膜沉积采用射频磁控溅射的方法，设置Ar气流量为100sccm，反应室的压强设为0.5Pa，射频功率为300W，O2流量通过PEM系统控制，正式溅射时间为40min，得到近红外超薄宽带完美吸收器。
本发明实施例制备的近红外超薄宽带完美吸收器样品的吸收光谱如图2所示，二氧化钒介电函数与吸收器吸收率更详细的变化关系为：当无外场作用下(温度处于室温)，二氧化钒处于绝缘相，其介电函数的实部ε1和虚部ε2在红外波段靠近零点，吸收器在1.6～2.4μm处的平均吸收率达到95％(图2无外场时最高吸收达97.6％)，1.2～1.5μm处的平均吸收率仅为74％；在外场激励作用下(温度处于80℃)，二氧化钒处于金属相，在红外波段，介电函数的实部ε1降低变为负值，介电函数的虚部ε2增大且随波长增加而线性增大，吸收器在1.6～2.4μm处的吸收强度降低，平均吸收率仅有78％，而1.2～1.5μm范围的平均吸收率大于90％。
本发明实施例提供的可调控的近红外超薄宽带完美吸收器的控制方法通过改变温度场控制二氧化钒的相变得以实现，具体包括以下步骤：(1)通过调整温场温度至室温改变二氧化钒层使其处于绝缘相来提高吸收器的吸收率；(2)通过调整温场温度至80℃改变二氧化钒层使其处于金属相来调控吸收器的吸收率及带宽。
当二氧化钒层从绝缘相变成金属相，也即二氧化钒层发生MIT相变，吸收器的吸收率随着二氧化钒层介电函数的改变也发生变化，实现了在特定频率下调控吸收器吸收率的工作。

Claims (9)

1.一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述吸收器包括衬底、位于衬底上的背反射层、位于背反射层上的介质层，以及位于介质层上的二氧化钒层；所述吸收器的膜层总厚度小于工作波长的四分之一。
2.根据权利要求1所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，在无在外场激励下，吸收器在1.6～2.4μm处的平均吸收率高达95%，1.2～1.5μm处的平均吸收率为74%；在外场激励作用下，吸收器的吸收强度分布波长有所调整，在1.2～1.5μm处的平均吸收率≥90%，在1.6～2.4μm处平均吸收率为78%。
3.根据权利要求1或2所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述介质层厚度为50～80 nm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述二氧化钒层厚度为30～50nm。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述衬底材料包括熔融石英、蓝宝石和单晶硅中至少一种。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述背反射层材料包括贵金属、AZO、ITO中至少一种，所述背反射层厚度100～500 nm。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述介质层材料包括Al2O3、SiO2中至少一种。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的近红外超薄宽带完美吸收器，其特征在于，所述二氧化钒层采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜、或溶胶-凝胶镀膜的方法获得。
9.一种权利要求1～8中任一项所述的近红外超薄宽带完美吸收器的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过外场改变二氧化钒层使其处于绝缘相来提高吸收器的吸收率；
（2）通过外场改变二氧化钒层使其处于金属相来调控吸收器的吸收率及带宽。
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