CN113341488A

CN113341488A - 基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法

Info

Publication number: CN113341488A
Application number: CN202110602203.8A
Authority: CN
Inventors: 张程; 李昊宇; 艾帅; 李孝峰; 孙倜; 王钦华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-09-03
Also published as: WO2022253082A1

Abstract

本申请公开基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法。该可见光宽带完美吸收器，包括：基底，所述基底自下而上依次层叠设置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层，基于等效光学导纳等于空气的原理，实现了零反射率的效果，高反射金属膜层使得透过率为零，从而使可见光宽带完美吸收器实现覆盖可见光波段的“完美吸收”，该光完美吸收器在可见光波段可以实现超过99％的吸收率，且对于入射角度和光的偏振性不敏感，结构工艺简单、成品率高，适用于大面积制备。

Description

基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种用于可见光波段的平面多层陷光结构及制备方法,具体涉及一种基于过渡金属超薄膜的可见光宽带完美吸收器及其制备方法。

背景技术

高性能的光学吸收器具有广阔的应用场景，吸收器根据其吸收光的波段不同可以应用于诸多领域，如通讯、探测、太阳能收集、隐身、目标识别等。

目前常见的吸收器主要有法布里-珀罗谐振腔吸收器以及超材料吸收器，法布里-珀罗谐振腔吸收器是基于金属-电介质-金属(MIM)的谐振腔结构构建的，两个金属反射层由无损介质层间隔开。常规的法布里-珀罗型吸收器至少具有四分之一波长的厚度，这会限制其在较长波长下的应用前景，并且该结构的吸收器具有较大的角度依赖性。尽管可以将顶层高损耗层替换为亚波长大小的图案化结构，这种超材料吸收器可以极大地减小薄膜厚度，但需要光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制。如何有效抑制反射是实现完美吸收光的关键。

现有的一些宽带吸收器吸收往往只有一种共振波长，吸收带较窄。此外，这些吸收器体系存在一些缺陷，如吸收带窄、吸收效率低、结构复杂、厚度过高和需要光刻技术等。因而设计并实现宽带范围的完美吸收并能够通过简易的制备方式实现大面积批量生产成为了研究热点。

发明内容

为解决吸收带窄、吸收效率低、结构复杂的缺陷，本申请的目的在于：提出一种对入射角度不敏感的可见光波段的宽带完美吸收器，该宽带完美吸收器具有性能好，结构简单，可大面积制备的优点。

为实现上述目标本申请采用如下的技术方案：

基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构，平面多层结构自下而上依次配置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；所述的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值。

所述平面多层结构各层的材料和厚度由文化基因算法确定。

上述方案的工作原理为：

本发明中高反射金属膜层实现了半无限金属基底的作用，因此光不会穿透高反射金属膜层下方的基底，即吸收器的透射率T＝0；在短波长处，高反射金属膜层吸收了部分光，当波长较长时，入射光完全被过渡金属膜层吸收，而透明电介质中间层和透明电介质顶层在可见光波段基本无吸收；本发明中的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值，实现了整个可见光波段的阻抗匹配，降低了多层结构的反射率(最优结构为零反射)，即吸收器的反射率R＝0。由吸收器的吸收率公式A＝1-R-T可知本发明中的吸收器实现了完美吸收的效果。通过对吸收器内部电场的仿真模拟进一步探究其内在机理(见附图3)，可以发现在入射光波长从400nm逐渐增加到800nm的过程中，完美吸收器中高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层各个层级的吸收分布及主要光吸收材料之间的过渡情况。

在本发明中，设计吸收器时使用了文化基因算法来选择材料和确定厚度。文化基因算法是一种基于混合整数规划的适用于多层光学薄膜结构优化的算法。该算法可以通过优化材料种类、层厚度和总层数来对多层薄膜结构进行优化，实现所需的光学性能。因为吸收器的吸收率A＝1-R-T,所以选择足够厚的底部金属层，因此光不会穿透金属层下方的基底。因此，该厚金属底层实际上实现了半无限金属基底的作用。为了实现超宽带近完美吸收，考虑了广泛的材料，包括电介质、金属和半导体。通过同时优化材料成分和层厚度的方法容易得到具有更宽的接近完美吸收的结构。通过这种方式来设计一种在所需波段内宽带吸收的平面多层结构完美吸收器，不仅实现了完美吸收的目标，也提高了设计器件的效率。

在本发明中，想要实现在可见光波段的宽带完美吸收，在尝试过不同的电介质、金属和半导体后，在通过文化基因算法设计多层膜结构的过程中，发现透明电介质和过渡金属的组合在可见光波段具有优异的性能。透明电介质的材料最优选择为MgF₂，过渡金属膜层的材料最优选择为Cr，其它的过渡金属材料Ti和Pt本身在宽带内都具有高吸收特性，也可以作为可见光波段完美吸收器中过渡金属膜层的备选材料。

在本发明中，首次利用高反射金属膜层、过渡金属膜层和透明电介质膜层的结合，在可见光波段内，基于整个完美吸收器的等效光学导纳使得完美吸收器的等效导纳接近空气的光学导纳值，实现了整个可见光波段的阻抗匹配，降低了多层结构的反射率，从而使器件实现覆盖可见光波段的“完美吸收”，通常器件在某一波段范围内的平均吸收率超过90％即可被认为是达到了完美吸收，而本发明中的可见光完美吸收器在可见光波段可以实现超过99％的平均吸收率，即可被认为是达到了完美吸收的要求。利用紫外/可见/近红外分光光度计对完美吸收器在正入射和不同角度入射时的反射率进行测试，仪器的最大测量范围为8°～68°，因为仪器本身的设计原因，最小入射角8°即被认为是正入射。因为本发明中的完美吸收器利用高反射金属膜层实现对于可见光可以认为透射率为零，所以其吸收率可以被认为是A＝1-R，只需测得样品反射率，即可计算出样品的吸收率。

进一步的，本申请中所述基底厚度为300～3000nm。

进一步的，本申请中所述基底材料为任意表面平整的硬性基底或柔性基底，过渡金属膜层的厚度不超过10nm。

进一步的，本申请中所述平面多层结构中高反射金属膜层的厚度为大于80nm,以保证可见光不会透过金属膜层；

进一步的，本申请中所述平面多层结构中高反射金属膜层的材料为Au或Cr。

进一步的，本申请中所述平面多层结构中透明电介质中间层和透明电介质顶层的材料为MgF₂，厚度为75～90nm。

进一步的，本申请中所述平面多层结构中过渡金属膜层的材料为Cr,厚度为7～8nm。

进一步的，当入射光正入射基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，在波长350～850nm处的平均吸收率>99％。

进一步的，当入射光入射角度从0°上升至68°时，

在波长400～800nm处的平均吸收率>90％。

另一方面，本发明提供了基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器的制备方法，基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构，平面多层结构自下而上依次配置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；以平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值为优化目标，利用文化基因算法来设计平面多层结构中各层的材料和厚度；利用真空镀膜的方式，在基底表面沉积平面多层结构。

在利用文化基因算法确定其结构和厚度时，首先确定一种高反射金属作为高反射金属膜层，再选择一种过渡金属材料和一种电介质材料，然后通过文化基因算法计算出所需材料的层数和厚度。

具体依次执行如下步骤：

1)在基底上先沉积高反射金属膜层；

2)基于离子束溅射的方式在高反射金属膜层上沉积透明电介质中间层；

3)在透明电介质中间层上沉积过渡金属膜层；

4)在过渡金属膜层上沉积透明电介质顶层。

进一步的，当高反射金属膜层或过渡金属膜层材料含Cr时，

镀膜方法为离子束溅射时，离子束溅射的参数包括：靶材为Cr靶，离子能量为600eV，离子束流为60mA，溅射时通入氩气，腔内压强为0.02P；

当透明电介质中间层和透明电介质顶层材料为MgF₂时，真空镀膜方法为离子束溅射时，离子束溅射的参数包括：靶材为MgF₂靶，离子能量为800eV，离子束流为70mA，中和电流为90mA，溅射时通入氩气，腔内压强为0.02Pa。

有益效果：

(1)与传统的完美吸收器相比，此种完美吸收器不仅在性能上超过了传统完美吸收器，而且结构简单，不需要用到复杂的光刻技术，器件面积只取决于真空镀膜时的腔室大小，具有可大面积制备的实用价值。

(2)利用平面多层薄膜结构作为完美吸收器件，对偏振不敏感，对入射角度不敏感。

(3)基底可以采用任意表面平整的材料，即具有制备出柔性的完美吸收器的潜在价值。

附图说明

图1为可见光波段完美吸收器的结构剖面图，

图2为仿真出的完美吸收器内部结构分别在入射光波长为400nm、600nm、800nm时的吸收分布曲线，说明了吸收器内部的吸收机理；

图3为完美吸收器在垂直入射可见光时的实验吸收光谱图，证明了吸收器在波长350～850nm处的平均吸收率>99％(此图例中高反射金属膜层材料为Au)；

图4为完美吸收器随着入射光角度变化的实验吸收光谱图，证明了当入射光入射角度从0°上升至68°时，吸收器在波长400～800nm处的平均吸收率>90％。

其中：图1中：1、基底；2、高反射金属膜层；3、透明电介质中间层；4、过渡金属膜层；5、透明电介质顶层；

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其包括基底，该基底的自下而上依次配置有高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；所述的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值。这种基于平面多层结构的宽带完美吸收器，其光谱满足：1)300nm-850nm的完美吸收；2)对入射角度偏振角度不敏感；在高反射金属膜层和过渡金属膜层的材料的设计中，基于阻抗匹配的原则，两种金属材料要在很宽的波段内实现阻抗匹配以抑制光的反射，从而实现宽带完美吸收；高反射金属膜层的厚度要大于80nm，这样以阻止可见光透过，过渡金属膜层、透明电介质中间层和透明电介质顶层的厚度在制备时通过文化基因算法优化得到。

实施例1：

结合图1所示为本申请实施例的宽带完美吸收器，其由平面多层结构组成。

该平面多层结构依次为基底1、高反射金属膜层2、透明电介质中间层3、过渡金属膜层4及透明电介质顶层5。当设计吸收器时，在文化基因算法中，将高反射金属膜层材料选定为Au，所要得到的反射率目标值设为0，多层结构的层数设为3，所选定的透明电介质材料为MgF₂，所选定的过渡金属材料为Cr，算法给出的最优解为79nm厚的MgF₂透明电介质中间层、7.6nm厚的Cr过渡金属膜层、84nm厚的MgF₂透明电介质顶层。

在实际制备时，基底1采用500nm厚的抛光Si片。在抛光Si片基底上自下而上依次沉积80nm厚的Au高反射金属膜层、79nm厚的MgF₂透明电介质中间层、7.6nm厚的Cr过渡金属膜层、84nm厚的MgF₂透明电介质顶层。该宽带完美吸收器对偏振不敏感，对入射角度不敏感，结构简单，不需要用到复杂的光刻技术，具有可大面积制备的实用价值。利用紫外/可见/近红外分光光度计分别对完美吸收器在正入射和不同角度入射时的反射率进行测试，仪器的最大测量范围为8°～68°，因为仪器本身的设计原因，最小入射角8°即被认为是正入射。当入射光正入射基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，在波长350～850nm处的平均吸收率>99％。当入射光入射角度从0°上升至68°时，在波长400～800nm处的平均吸收率>90％。

接下来描述上述的完美吸收器的制备方法，过程如下：

1)在基底上沉积粘附层，在粘附层上沉积Au高反射金属膜层，该工序中，选取一块经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗后的抛光Si片，或SiO₂玻璃，或抛光Al片，或PET塑料作为基底，运用热蒸发技术，先沉积5nm的金属Ti作为粘附层，再沉积Au高反射金属膜层，其厚度为大于80nm(石英晶振振荡测厚仪监测膜厚)；沉积真空度为5×10^-4Pa；较佳的，高反射金属膜层厚度介于80～100nm。

2)然后使用离子束溅射技术在高反射金属膜层上沉积MgF₂透明电介质中间层，其厚度为78nm。薄膜沉积前先进行5min预溅射,沉积真空度为5×10^-4Pa，离子束溅射的参数包括：靶材为MgF₂靶，离子能量为800eV，离子束流为70mA，中和电流为90mA，溅射时通入氩气，腔内压强为0.02Pa；

3)在透明电介质中间层上沉积过渡金属膜层，该工序中，沉积的Cr过渡金属膜层的厚度为7～8nm，较佳的，利用离子束溅射技术沉积。沉积本底真空度为5×10^-4Pa，离子束溅射的参数包括：靶材为Cr靶，离子能量为600eV，离子束流为60mA，溅射时通入氩气，腔内压强为0.02Pa；

4)在Cr过渡金属膜层过渡金属膜层上沉积MgF₂透明电介质顶层，其厚度84nm。

在上述沉积过程中严格控制溅射工艺，包括:溅射压强，本底真空度，离子能量，中和电流以确保每次沉积的厚度均匀度一致。最终制得的宽带完美吸收器的吸收谱见图2(图2描述入射光波长为400nm、600nm、800nm时的吸收分布曲线)，随入射光角度变化而变化的吸收谱见图4。因分光光度计本身的设计原因，所能测量的最小入射角为8°。当入射光正入射基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，在波长350～850nm处的平均吸收率>9％。当入射光入射角度从0°上升至68°时，在波长400～800nm处的平均吸收率>90％

实施例2

该平面多层结构依次为基底1、高反射金属膜层2、透明电介质中间层3、过渡金属膜层4及透明电介质顶层5。在文化基因算法中，将高反射金属膜层材料选定为Cr，所要得到的反射率目标值设为0，多层结构的层数设为3，所选定的透明电介质材料为MgF₂，所选定的过渡金属材料为Cr，算法给出的最优解为89nm厚的MgF₂透明电介质中间层、6.9nm厚的Cr过渡金属膜层、87nm厚的MgF₂透明电介质顶层。

为本申请实施方式的这种宽带完美吸收器，其结构参见图1所示，与实施例1相同，不同之处在于Au高反射金属膜层的材料更改为Cr，透明电介质中间层和透明电介质顶层的厚度分别更改为89nm和87nm。该宽带完美吸收器其余步骤的制备方法参见实施例1，吸收谱见图3。

实施例3：

提供另外一种过渡金属Cr的制备方法，在制备时将步骤1和步骤3中Cr高反射金属膜层和Cr过渡金属膜层的制备方法由离子束溅射改变为磁控溅射，溅射参数为靶材为Cr靶，沉积本底真空度5×10^-4Pa，溅射功率为150W,溅射时通入氩气，腔内压强为1.1Pa，转盘加热到400℃；

因为此种制备方法需要加热基底，而PET塑料不耐高温，所以作为基底的材料为SiO₂玻璃基底层，或抛光Si片，或抛光Al片中的至少一种。该宽带完美吸收器其余步骤的制备方法参见实施例1。

以上仅为本申请的优选实施例，当然，本申请还可以有其他多种实施例，在不背离本申请精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本申请做出各种相应的改变和变形，比如改变尺寸、形状或者改变材料等，但这些相应的改变和变形都应属于本申请的保护范围。

Claims

1.基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构；

平面多层结构自下而上依次配置：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；

所述的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值。

2.根据权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，

所述基底的材料为任意表面平整的硬性基底或柔性基底，

所述过渡金属膜层的厚度不超过10nm。

3.根据权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：还包括：

粘附层，其介于高反射金属膜层与透明电介质中间层之间，所述粘附层材质包括：金属Ti。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，

所述高反射金属膜层的材质选自金、铬和铝中的至少一种，且厚度介于80～100nm。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：

所述过渡金属膜层选自铬、钛及铂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：

所述透明电介质中间层和透明电介质顶层为透明电介质材料，其材质分别选自氟化镁和氧化硅中的一种。

7.根据权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：

当入射光正入射基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，在波长350～850nm处的平均吸收率>99％。

8.根据权利要求7中所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：当入射光入射角度从0°上升至68°时，

在波长400～800nm处的平均吸收率>90％。

9.一种如权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器的制备方法，其特征在于：

以平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值为优化目标，

利用文化基因算法来设计平面多层结构中各层的材料和厚度；

利用真空镀膜的方式，在基底表面沉积平面多层结构。