CN113075755A - 一种基于lspr效应的陷光结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其主要由高固有吸收的基底层、增强光捕获能力的中间活性层以及激发LSPR波的圆环阵列吸收层三层结构组成。该结构可对波长300.0～2000.0nm的光谱进行宽范围高效率的吸收，其中吸收效率连续达90％以上带宽为1640nm，在该波长范围内平均吸收效率为95.7％，吸收峰值高达99.7％，并且在以垂直方向为参考轴，入射角倾斜±50°范围内均可保持宽谱高效率的吸收。总的来说，该结构具备制备简易成本低、入射角度不敏感以及宽谱高效吸收等特点，在宽谱吸收器方向具有良好的应用前景。

Description

一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法
(一)技术领域
本发明属于等离激元以及吸收材料领域，具体涉及到一种宽谱吸光结构。
(二)背景技术
LSPR属于等离激元效应的一种，具体来说这是一种纳米粒子表面的自由电子在外部电磁场的作用下，产生的一种集体震荡现象，该种现象可以将外部的能量局域在金属纳米颗粒表面附近的亚波长区域内，与此同时，这种现象的强与弱主要受纳米粒子的形状、尺寸大小以及材料共同影响。由于该原理能够将光局域在某一个结构的表面，使得基于表面等离激元增强效应的超材料吸收器成为人们研究的热点，科研人员通过构建特殊陷光结构，以此来增大吸收光谱的范围以及吸收效率，这极大地促进了宽带吸收体的研究，特别是太阳能电池领域的发展。
就目前的吸收器发展方向，科研人员首先从材料出发，由于传统金属，如金、银，因其高成本且光吸收效率不达人意，人们开始转向耐高温且价格实在的其他金属，如Ti、W等，结合特殊的材料科研人员在结构上展开进一步的研究，由于等离激元的快速发展，人们开始研究设计基于该种效应基础上的特殊物理陷光结构，如专利一种可见光宽波段吸收器及制作方法(中国专利：20191005998.8)设计的圆柱纳米阵列，但其吸收光谱仅覆盖400.0～800.0nm；如专利可见-近红外光波段吸收器(中国专利：202010652336.1)设计的圆锥腔结构也存在吸收波带窄问题，仅覆盖400.0～1100.0nm；又如专利超薄入射角无关偏振方向无关的超快带完美吸收器(中国专利：201711282000.5)，提出了一种空腔结构，但其吸收波带范围仅400.0～750.0nm；又如专利一种超宽带完美吸收器及其制备方法(中国专利：201910674096)，提出了一种纳米盘与椭圆盘共同组成的多层结构，尽管其吸收带宽有所扩展，但与本专利相比主要存在三点不足：其一在研究光谱范围内平均吸收效率较低，且在可见光区域，该专利光损耗较大；其二该专利的吸收效率高度依赖结构之间的加工精度，制备工艺复杂。如今，宽带吸收器已经广泛用于太阳能光伏器件、外红隐身、光热转换等方向。总的来说，宽带吸收器带动了材料、物理学等方向领域的发展。
就目前的研究来看，现有的专利主要还存在吸收波段范围窄，效率低以及结构制备工艺复杂等问题，而本项设计将利用简易的圆环结构从而实现宽范围的高效吸收。
综上所述，如何在一个特定领域实现宽带高效的吸收以及制备工艺简单成为研究人员的一个重要课题，这项设计与发明结构也具有广泛的应用使用价值。
(三)发明内容
本发明的目的是设计一款制备工艺简单成本低，入射角度不敏感且宽谱高效吸收的陷光结构。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，由高固有吸收的基底层、增强光捕获能力的中间活性层以及激发LSPR波的圆环阵列吸收层三层结构组成。圆环阵列吸收层的材料为耐高温过渡金属，典型的选择为：W、TiN等，其丰富的电子跃迁结构满足宽带吸收设计的特性。
所述的高固有吸收的基底层所选材料为耐高温材料W、TiN等，材料的固有损耗加上耐高温特性有利于该陷光结构对光的吸收。
所述的高固有吸收的基底层高度的大小对吸光效率有一定的影响，通过研究表明，其高度h3控制在(160±20)nm之间，可使外部入射的光能够在结构内部完美吸收。
所述的增强光捕获能力的中间活性层由Si02等绝缘体组成。
所述的增强光捕获能力的中间活性层需保证较薄的厚度，有利于光子充分转换为电子等其他形式，从而减小光吸收后的损耗，根据研究其厚度h2控制在(50±10)nm之间有更好的吸收与转换效率。
所述的激发LSPR波的吸收层由圆环阵列组成，阵列间距T控制在(90±10)nm之间。圆环阵列的高度对称以及其特殊的外形特征保证了对入射光的高效吸收。
所述的激发LSPR波的吸收层其材料为耐高温的W、TiN等，由于该种材料具有的内部高损耗和高熔点，且外层电子丰富，在光波激发下易于激发LSPR效应，从而使得入射光能够被有效地吸收并且具备耐高温，抗环境干扰等优异性能。
考虑到加工工艺中的误差，所述的圆环阵列可以由有一定缺角的圆环组成，研究表明，缺角在50°范围以内均对300.0～2000.0nm的光谱表现出高效率吸收。
所述的陷光结构通过研究表明，在以垂直方向为参考轴，入射角倾斜±50°范围内均可保持宽谱高效率的吸收，从而可以填补一些应用场景的缺陷，如对太阳光的吸收。
所述的陷光结构通过研究结果表明该种结构的吸收光性能与圆环阵列的尺寸大小形貌特征有关，因此可以通过改变其尺寸大小、阵列间距T以及圆环缺角的角度从而调控吸收光谱的范围以及效率。
由于所述的陷光结构采用的为耐高温材料，其熔点在2000℃以上，加上传统思路制备成本高，故本发明中设计一种制备成本低，工艺容限大的制备工艺，其具体制备工艺流程如下所述：
(a)基底层清洗：将基底层放入煮沸的洗涤剂或者丙酮溶液中进行超声清洗后再用去离子水清洗，并通入氮气吹干；
(b)活性层生长：利用化学气相沉积法(CVD)工艺在基底层面上生成SiO2活性层，内部包含的近程有序结构和断键形成的孤电子和空穴等结构，使得光波激发LSPR效率增大；
(c)圆环阵列制备：在活性层基础上采用磁控溅射高温金属制备方法制作金属层，之后采用国产90nm光刻工艺进行图案制作，刻蚀过程可以采用半导体刻蚀工艺或利用改进的湿法腐蚀工艺。由于结构尺寸较大，基底层和活性层的加工性好，国产设备即可满足工艺制备。
该制备工艺不仅保证了所设计结构的基本性能，而且也大幅度提高了制备速度，降低了制备成本。
与现有技术相比，本发明能在结构简单易制作的基础上，实现光的宽带吸收，特别是针对太阳能光谱，可广泛利用于太阳能吸收器等其他光吸收结构上。
(四)附图说明
图1为一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法图。它由高固有吸收的基底层(1)、增强光捕获能力的中间活性层(2)以及激发LSPR波的圆环阵列吸收层(3)三层结构组成。
图2为针对太阳能光谱吸收的该陷光结构实施案例图，其中左图为太阳能光谱实际吸收图，右边为对应波长的吸收效率图。
图3为该结构中圆环阵列高度h1为(160±20)nm对应的吸收效率图。
图4为该结构中圆环阵列之间距离T为(90±10)nm时的吸收效率图。
图5为该结构中圆环阵列在以垂直方向为参考轴，入射角倾斜±50°范围内的吸收效率图。
图6为该结构种圆环阵列缺角为10°～30°时的吸收效率图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施案例来进一步阐述本发明。
如图1所示给出的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法图，它由高固有吸收的基底层、增强光捕获能力的中间活性层以及激发LSPR波的圆环阵列吸收层三层结构组成。通过调节阵列结构的不同参数进而可以改变吸收光的波段范围，如针对太阳能光谱，由文献可知太阳光到地球表面波长对应的能量近紫外区域和远红外区域近乎为0，且大部分能量主要集中于300.0～2000.0nm波段范围内，故针对光谱设计特定的参数，使该结构能够满足于太阳能光谱的高效宽谱吸收。
实施案例1：本实施案例的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，通过调整相关参数，如制备中间层厚度h2为5nm，圆环外径r2为80nm，内径r1为66nm，厚度t为14nm，缺角为0°，高度h1为160nm，阵列间距T为80nm，可以得到如图1的针对太阳能光谱的吸收结果图，研究波长300.0～2000.0nm之间，显示出高效吸收，其中，吸收效率连续达90％以上带宽为1640nm，并且在该波长范围内平均吸收效率为95.7％，吸收峰值高达99.7％，入射角度±50°之内吸收效率均保持90％以上。通过实验制备该特殊结构的纳米阵列，将其应用于太阳能吸收板可极大地提高太阳能吸收效率。
实施案例2：本实施案例的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，改变制备参数优化圆环阵列的高度，具体参数如下：高度h1为180nm，中间层厚度h2为5nm，圆环外径r2为80nm，内径r1为66nm，厚度t为14nm，缺角为0°，阵列间距T为80nm，可增强该结构对900.0～2000.0nm的光吸收，使得该结构对该波长范围的平均吸收效率达94.58％，其中吸收峰值高达99.82％，优于其他高度设计。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理的前提下,还可以做出若干变型和改进,这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其特征在于由高固有吸收的基底层、增强光捕获能力的中间活性层以及激发LSPR波的圆环阵列吸收层三层结构组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其特征在于高固有吸收的基底层是由耐高温材料组成，如W、TiN，并且其高度h3控制在(160±20)nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其特征在于增强光捕获能力的中间活性层由Si02等绝缘体组成，其厚度h2控制在(50±10)nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其特征在于激发LSPR波的吸收层由圆环阵列组成，阵列间距T控制在(90±10)nm之间。
5.根据权力要求1所述的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其特征在于圆环阵列可通过改变相关尺寸大小以及圆环的缺角从而调控吸收光谱的范围与效率。
6.根据权利要求1所述的一种基于LSPR效应的陷光结构及其制备方法，其制备工艺流程如下所述：
(a)基底层清洗：将基底层放入煮沸的洗涤剂或者丙酮溶液中进行超声清洗后再用去离子水清洗，并通入氮气吹干；
(b)活性层生长：利用化学气相沉积法(CVD)工艺生成SiO2活性层；
(c)圆环阵列制备：在活性层基础上采用磁控溅射高温金属制备方法做金属层，之后采用国产90nm光刻工艺进行图案制作，刻蚀过程可以采用半导体刻蚀工艺，或利用改进的湿法腐蚀工艺。
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