CN114910988B - 一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器 - Google Patents

一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，在基底上依次设有锗层和硅光栅，在硅光栅上设有周期排列的铁纳米方柱阵列。在硅光栅的各行硅结构上表面，沿光栅长度方向，铁纳米方柱的高度成波浪状排列，且相邻两个铁纳米方柱高度差为dh；相邻两行硅结构上的铁纳米方柱的高度排列步调相反。本发明的完美吸收器采用的材料为成本低廉的Fe、Ge、Si，结构相对简单，并将吸收波段进一步扩大，实现了从紫外波段到近红外波段非常高的吸收。在采用理想参数情况下，实现在200nm‑2200nm波段平均96.8％的吸收率，其中490nm‑510nm达到99.96％的吸收峰值。

Description

一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器
技术领域
本发明设计一种超材料吸收器，具体涉及一种完美吸收器。
背景技术
完美吸收器是一种能够在指定波段将光波完全吸收的器件。随着纳米加工技术的发展，人们提出了各种可以在各个波段高效吸收的超材料吸收器，而决定吸收器性能的关键是材料顶部的形状、高度、厚度等几何参数的组合，究其原因是不同形状、特性的材料间激发的米氏共振将光能在结构中完全损失从而实现吸收的效果。相较于传统的使用材料内在性质的吸收器如黑漆、金属氧化物等材料，基于米氏共振的超材料吸收器具有吸收效率高，工作波带宽、特性可调节等不可替代的优越工作特性。
最常见的吸收器结构通常由数层叠加而成，BingXing Zhang等人在2011年设计出一种可调谐近红外双波段等离子吸收体，把金(Au)纳米椭圆盘阵列放在薄SiO2介质和Au薄膜上，在双波段实现了近乎99％的吸收率，调谐范围可达700nm。Peng Yu等人利用基于在硅衬底上生长的中心刻有正方形的金属方块，将最上层结构塑造成中心对称的四个三角形金属片，并在中红外区600nm-1500nm实现了98％的平均吸收率。HuiXuan Gao等人理论提出了一种椭圆形钛纳米片阵列结构，将SiO2和钛(Ti)依次堆积成四层的“三明治”结构(SiO2–Ti–SiO2–Ti)，并将上层Ti塑造成椭圆形交错阵列，实现了从可见光550nm到近红外2200nm波段90％以上的平均吸收率，但碍于结构过于复杂，且中间有镂空部分，加工难度过大。Sajan Shrestha等人在2018年利用氧化铟锡(ITO)制成的非对称法布里-珀罗腔实现了红外波段的完美吸收，在4μm到16μm波段实现了大于80％的平均吸收率。同年Dewang Huo等人提出了一种周期性圆形氮化钛(TiN)纳米锥图案的完美吸收器在400nm-1500nm平均99.6％的宽带完美吸收,并且有很高的耐热性能，但是纳米锥以现在的加工工艺很难实现量产，限制了此结构的进一步应用。Ran Wang等人在2022年理论提出了一种在金衬底上依次生长二氧化硅和金圆纳米柱的结构，并实现了400nm-700nm可见光范围内95.7％的理想平均吸收率。Yicheng Wang等人也在2022年提出一种四边形截锥构成的完美吸收器，在二氧化硅衬底上生长了四边形截锥形状的钛(Ti)并在其上方附着一个砷化镓(GaAs)方块，并把结构翻转在最底部镀上铜(Cu)膜，最终实现了在300nm-1200nm波段实现了97.1％的平均吸收率。
上述结构普遍存在频繁使用诸如金、银、铜等高价贵金属，层数累积过密导致加工难度大，有效波段过窄、偏振敏感等问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，在不采用贵金属的基础上，实现从紫外波段到近红外波段的高吸收。
技术方案：一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，包括基底，在基底上设有锗层，在所述锗层上设有硅光栅，在所述硅光栅上设有周期排列的铁纳米方柱阵列；在所述硅光栅的各行硅结构上表面，沿光栅长度方向，铁纳米方柱的高度成波浪状排列，且相邻两个铁纳米方柱高度差为dh；相邻两行硅结构上的铁纳米方柱的高度排列步调相反，即其中一行中最高的铁纳米方柱正对另一行中最低的铁纳米方柱。
进一步的，所述铁纳米方柱的边长d为45nm-65nm；最低柱高d0为40-120nm；相邻两个铁纳米方柱的高度差dh为80nm-160nm；沿光栅长度方上相邻铁纳米方柱的水平距离dx为10nm-25nm；两行铁纳米方柱之间的沟道宽度dy为30nm-70nm；所述硅光栅的高度d2为50nm-90nm；所述锗层厚度d1为20nm-120nm。
进一步的，所述铁纳米方柱的边长d＝53nm；最低柱高d0＝75nm；相邻两个铁纳米方柱的高度差dh＝122nm；沿光栅长度方上相邻铁纳米方柱的水平距离dx＝16nm；两行铁纳米方柱之间的沟道宽度dy＝49nm；所述硅光栅的高度d2等于所述锗层厚度d1，均为70nm。
有益效果：本发明的多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，采用的材料为成本低廉的Fe、Ge、Si，结构相对简单，并将吸收波段进一步扩大，实现了从紫外波段到近红外波段非常高的吸收。在采用理想参数情况下，实现在200nm-2200nm波段平均96.8％的吸收率，其中495nm达到99.98％的吸收峰值。
附图说明
图1为本发明完美吸收器的立体图；
图2为本发明完美吸收器的Y轴正方向视图；
图3为本发明完美吸收器的X轴正方向视图；
图4为本发明完美吸收器的吸收率曲线；
图5为参数d对本发明完美吸收器吸收率的影响；
图6为参数dh对本发明完美吸收器吸收率的影响；
图7为参数d0对本发明完美吸收器吸收率的影响；
图8为参数dx对本发明完美吸收器吸收率的影响；
图9为参数dy对本发明完美吸收器吸收率的影响；
图10为参数d2对本发明完美吸收器吸收率的影响；
图11为参数d1对本发明完美吸收器吸收率的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，包括基底，在基底上设有锗(Ge)层，在锗层上设有硅光栅，在硅光栅上设有周期排列的铁纳米方柱阵列。具体的，在硅光栅的各行硅结构上表面，沿光栅长度方向，均匀间隔设置高度成波浪状排列的铁纳米方柱，且相邻两个铁纳米方柱高度差为dh。并且，相邻两行硅结构上的铁纳米方柱的高度排列步调相反，即其中一行中最高的铁纳米方柱正对另一行中最低的铁纳米方柱。
如图1至图3所示，建立直角坐标系，以光栅长度方向为X轴，Z轴与铁纳米方柱高度方向平行，相邻两行硅结构上，其中一行为中心铁纳米方柱最低，柱高向两侧依次沿Z轴正增加，另一行则相反，为中心铁纳米方柱最高，两侧柱依次高度降低。具体参数为：每个铁纳米方柱的边长为d，相邻铁纳米方柱之间沿X轴和Y轴的距离分别为dx和dy。最短的铁纳米方柱高度为d0，沿X轴相邻的铁纳米方柱高度差为dh，底部锗层的厚度和硅光栅的高度分别为d1、d2。最终参数优化为d＝53nm，dx＝16nm，dy＝49nm，d0＝75nm，dh＝122nm，d1＝70nm，d2＝70nm。
使用有限差分时域(FDTD，Lumerical FDTD Solutions，Canada)方法模拟了以上完美吸收器的吸收性能。在模拟中，设置光沿着X轴偏振，并沿着Z轴方向从铁纳米方柱阵列的顶部入射。由于底部使用足够厚度的金属Ge，可以近似为不透光，结构的吸收率A可以通过A＝1-R来计算，其中R是反射率，并且可以从模拟直接获得。如图4所示的完美吸收器的性能，其在200nm-2200nm波段实现了平均96.8％的吸收率，并在490nm-510nm达到吸收峰值99.63％。
为了进一步探究各参数对性能的具体影响，使用控制变量法观察各变量对吸收性能造成的变化，在确保性能的同时，为实际生产制造时提供可接受的有效范围。
在其他仿真参数不变的情况下，即d＝53nm，dx＝16nm，dy＝49nm，d0＝75nm，dh＝122nm，d1＝d2＝70nm，改变铁纳米方柱的边长d，结构对入射光的吸收率变化过程如图5所示，从图中可以得知，在保持其他参数不变，铁纳米方柱的边长d变化时对吸收率的影响。在边长d变短后，除开紫外波段吸收率略微上升外，可见光波段以及近红外波段500nm-2200nm范围吸收率下降明显，但随着边长增加，1400nm-2200nm波段吸收率略微提高，但在700nm-1200nm波段吸收率明显下降，综合考虑d取53nm性能最为平衡，平均吸收率也最高。当d＝45nm时吸收率降为95.28％，d＝65nm时吸收率为96.24％，比起原定设计值时96.64％的吸收率虽然有所下降，但是仍在可接受范围内，最后给出d的理想值为53nm，有效范围为45nm-65nm。
在确定铁纳米方柱的边长d范围后，保持其他数据不变，尝试改变相邻两个铁纳米方柱高度差dh，性能变化如图6所示。可以发现当高度差dh增加时，吸收器性能在600-2000nm波段吸收率略微增加，但低频波段和2000nm-2200nm吸收率下降显著，dh＝140nm和160nm时总体吸收率分别为96.9％和97.09％。当高度差减小时则与增加时情况相反，平均吸收率在dh＝80nm和dh＝100nm时分别下降到96.71％和96.45％。综合在整个200nm-2000nm波段吸收率以及整体结构的总高度，dh＝122nm时表现最为平衡。最后给出dh的有效加工范围为80nm-160nm。
改变铁纳米方柱阵列中最低柱的高度d0，观察其对性能的影响，如图7所示可以发现最低柱高d0在紫外波段对性能影响较小，但在1600nm-2200nm的长波段，柱高d0越高吸收率越低，而当d0>90nm时，吸收率已经下降比较明显。在500nm-1000nm波段性能又会和最低柱高呈正相关，因此为兼顾整个波段的性能表现，选择75nm作为最低柱柱高，d0有效制造范围为40nm-120nm。
依然使用控制变量的方法，给出相邻铁纳米方柱在X轴方向上相隔距离dx的有效范围，其性能变化如图8所示。可以发现当dx＝16nm时，基本在全波段性能都比取其他值时优秀，但是当dx在10nm-25nm范围内变化时，平均吸收率依然保持在95％以上，因此dx的有效制造范围为10nm-25nm。
接下来依然保持其他参数为预设最佳值，改变相邻铁纳米方柱之间沿Y轴的距离dy，即硅光栅沟道的宽度dy，观察其不同参数对性能的影响。从图9发现无论沟道变宽还是变窄，1200nm-2200nm波段吸收率都有所下降，但是整体的平均吸收率都在可接受范围内。而在200nm-2200nm波段，窄沟道在紫外波段吸收高于宽沟道，但在49nm时两部分性能最为平衡。沟道宽度的有效制造范围为30nm-70nm。
然后保持其他参数为最佳值，改变硅光栅的高度d2，观察不同参数对性能的影响，如图10所示，通过观察可以发现光栅高度d2变化对200nm-500nm波段的性能影响较小，高度d2和500nm-1100nm、1800nm-2200nm两个波段的性能呈正相关，与1100nm-1800nm波段性能呈负相关，因此选择70nm可以保证在各个波段的吸收率较为均一，d2的有效范围为50nm-90nm。
最后保持其他参数不变，改变最底层Ge的厚度d1观察其对性能的影响，从图11可知，当d1小于70nm时性能略微下降，对吸收的影响较小，尤其是当d1大于等于70nm时，变化可以忽略不计。因此d1的有效制造范围为20nm-120nm。
综上所示，本发明设计的多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器相关参数采用最优值时，即d＝53nm，dx＝16nm，dh＝122nm，d0＝75nm，dy＝49nm，d1＝d2＝70nm，实现在200nm-2200nm波段实现了96.8％的平均吸收率，并在495nm处达到99.98％的吸收峰值。同时也给出可以实际加工制作时超宽带完美吸收器的有效范围，即，d为45nm-65nm；d0为40-120nm；dx为10nm-25nm；dh为80nm-160nm，dy为30nm-70nm；d1为20nm-120nm；d2为50nm-90nm。
本发明的多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器使用材料价格低廉，工作带宽宽，吸收效率高，且总体可接受有效范围大，性能可通过调节参数来实现在不同波段的侧重，在各个方面都有十分可观的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，其特征在于，包括基底，在基底上设有锗层，在所述锗层上设有硅光栅，在所述硅光栅上设有周期排列的铁纳米方柱阵列；在所述硅光栅的各行硅结构上表面，沿光栅长度方向，铁纳米方柱的高度成波浪状排列，且相邻两个铁纳米方柱高度差为dh；相邻两行硅结构上的铁纳米方柱的高度排列步调相反，即其中一行中最高的铁纳米方柱正对另一行中最低的铁纳米方柱；
所述铁纳米方柱的边长d=53nm；最低柱高d 0 =75nm；相邻两个铁纳米方柱的高度差dh=122nm；沿光栅长度方上相邻铁纳米方柱的水平距离dx=16nm；两行铁纳米方柱之间的沟道宽度dy=49nm；所述硅光栅的高度d 2 等于所述锗层厚度d 1 ，均为70nm。
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