CN115236776A - 具有亚波长结构的超宽带吸波器及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有亚波长结构的超宽带吸波器，其包括：衬底；位于所述衬底之上的反射层；位于所述反射层之上的第一吸收层；位于所述第一吸收层之上的第二吸收层；其中，所述第一吸收层为薄膜结构，并且所述第二吸收层具有由锗锑碲合金形成的亚波长结构。本发明还提供制备本发明的吸波器的方法。本发明还提供本发明的具有亚波长结构的超宽带吸波器或者本发明的方法制得的具有亚波长结构的超宽带吸波器在光电器件中的应用。本发明的吸波器既具有高的光吸收效率又具有宽的吸收带。本发明的吸波器不依赖入射电磁波的偏振状态，对于TE波、TM波以及非偏振光，均能实现完美吸收。本发明的吸波器对于大角度入射的电磁波，也能保持较高的吸收率。

Description

具有亚波长结构的超宽带吸波器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于微纳加工领域。具体地，本发明涉及具有亚波长结构的超宽带吸波器及其制备方法和应用。
背景技术
理想的电磁波吸波器对于某一波段的电磁波有着近乎完美的吸收能力，电磁波吸波器也可称为黑体吸波器，其在太阳能光伏、电磁隐身、光探测、光催化和光调制器等方面显示出了极高的应用价值。超表面是具有亚波长厚度的人工微纳结构，可以改变入射电磁波的振幅、相位以及偏振态等性质。
近年来，超表面因其强大的光场调控能力而受到人们的关注，成为制备新型电磁波完美吸波器的理想候选方案。然而，受限于现有的微纳加工方法以及材料选择的局限性，目前的超表面完美吸波器面临光吸收效率与吸收带宽无法同时获得的困难。Landy N I,Sajuyigbe S,Mock J J,et al.Perfect metamaterial absorber[J].Physical reviewletters,2008,100(20):207402，以及Liu X,Starr T,Starr A F,et al.Infraredspatial and frequency selective metamaterial with near-unity absorbance[J].Physical review letters,2010,104(20):207403等文献报道的超材料完美吸波器分别在吉赫兹与红外波段实现了完美吸收，但因吸收带范围较窄，限制了其实际应用。Lin H,Sturmberg B C P,Lin K T,et al.A 90-nm-thick graphene metamaterial for strongand extremely broadband absorption of unpolarized light[J].Nature Photonics,2019,13(4):270-276等文献报道的超材料完美吸波器实现了宽波段完美吸收，但其平均吸收率低于90％，光吸收效率有待提高。
因此，目前急需一种既具有高的光吸收效率又具有宽的吸收带的吸波器。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有亚波长结构的超宽带吸波器，其既具有高的光吸收效率又具有宽的吸收带。本发明的另一目的在于提供制备本发明的吸波器的方法。本发明的又一目的在于提供本发明的吸波器在光电器件中的应用。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
在本发明的上下文中，术语“亚波长结构的尺寸”是指亚波长结构上两点之间连线的距离，如最大尺寸为亚波长结构上的最远两点之间的连线距离。
术语“四重旋转对称性的图案”是指亚波长结构单元绕垂直于样品表面且通过结构单元中心的对称轴旋转90°后与原结构重合的图案。
第一方面，本发明提供一种具有亚波长结构的超宽带吸波器，其包括：
衬底；
位于所述衬底之上的反射层；
位于所述反射层之上的第一吸收层；
位于所述第一吸收层之上的第二吸收层；
其中，所述第一吸收层为薄膜结构，并且所述第二吸收层具有由锗锑碲合金形成的亚波长结构。
本申请的发明人出乎意料地发现，当由锗锑碲合金形成本发明的亚波长结构时，可以同时实现高吸收率与宽吸收波段。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述亚波长结构为凸起的微纳结构，且所述微纳结构的横截面具有四重旋转对称性的图案。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述图案选自圆形、方形和十字交叉图形中的一种或几种。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述亚波长结构的周期为100纳米-1000纳米，优选600-800纳米，更优选750纳米。
本发明对亚波长结构的周期没有特别的限定，一般为100纳米-1000纳米。当亚波长结构的周期小于100纳米时，因线宽过窄而难以加工；而当亚波长结构的周期大于1000纳米时，结构单元特征尺寸大于可见光波长，超出超表面调控光场能力范围，导致吸收率降低。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述亚波长结构的厚度为50纳米-300纳米，优选130纳米-170纳米。
本发明对亚波长结构的厚度没有特别的限定，一般为50纳米-300纳米。当亚波长结构的厚度小于50纳米时，造成吸收效率过低；而当亚波长结构的厚度大于300纳米时，造成样品制备过程中溶脱困难。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述亚波长结构的尺寸为50纳米-900纳米。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述衬底选自硅、石英和PDMS中的一种或几种。在本发明的具体实施方案中，支撑衬底可以通过商业途径获得，其为置于其上的结构提供支撑。衬底可以为硅、石英等刚性衬底，也可以是PDMS等柔性衬底。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述衬底的厚度为200微米-1000微米，更优选500微米。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述反射层由铬、银和铝中的一种或几种形成。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述反射层的厚度为20纳米-150纳米。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述第一吸收层由二氧化硅、氮化硅、二氧化钛和锗锑碲中的一种或几种形成。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述第一吸收层的厚度为50纳米-350纳米。
优选地，在本发明所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器中，所述第一吸收层的层数为1-10，其中每层的厚度可以相同，也可以不同。
第二方面，本发明提供一种制备本发明的具有亚波长结构的超宽带吸波器的方法，其包括如下步骤：
(1)在衬底上形成反射层；
(2)在所述反射层之上形成第一吸收层；
(3)在所述第一吸收层之上形成第二吸收层；
其中，所述第一吸收层为薄膜结构，并且所述第二吸收层具有由锗锑碲合金形成的亚波长结构。
第三方面，本发明提供本发明的具有亚波长结构的超宽带吸波器或者本发明的方法制得的具有亚波长结构的超宽带吸波器在光电器件中的应用。
在本发明的具体实施方案中，亚波长结构为具有亚波长特征尺寸的四重旋转对称的锗锑碲微纳结构，可以通过光刻及图形转移方法获得，是产生电磁波吸收的主要贡献者。
在本发明的具体实施方案中，由反射层和第一吸收层而构成的多层膜结构为由不同材料的薄膜构成的多层膜，利用自下而上的加工方法获得，所述自下而上的加工方法包含电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积等物理气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积等化学气相沉积方法，也包括旋涂、喷涂等薄膜涂覆方法。上述制备方法详情可参见：顾长志，微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用[M]，科学出版社，2013。
在本发明的具体实施方案中，锗锑碲形成的亚波长结构通过光刻及图形转移方法获得。所述光刻方法包括电子束光刻、激光直写等直写曝光方法，也包括深紫外光刻等模板曝光方法及其后续的显影、定影过程。所述图形转移可以是电子束沉积、磁控溅射沉积及其后续的图形剥离方法，也可以是反应离子刻蚀、离子束刻蚀等刻蚀方法。上述制备方法详情可参见：顾长志，微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用[M]，科学出版社，2013。
在本发明的具体实施方案中，本发明提供一种本发明的吸波器的应用方式。具体地，可以将本发明的吸波器放置在需要电磁波吸收的位置。然后，将电磁波施加到完美吸波器上。通过完美吸波器的锗锑碲亚波长结构与多层膜结构的配合实现对光的完美吸收。
本发明具有以下有益效果：
传统的电磁波吸波器由常规金属材料以及介质材料构成，难以同时实现高吸收率与宽吸收波段。本发明引入了锗锑碲合金材料，并形成具有四重旋转对称的亚波长微纳结构。锗锑碲相比于常规材料具有更高的损耗值，因此本发明的吸波器吸收波段的范围广，涵盖了从紫外波段至红外波段的超宽吸收带；并且，吸收率高，在保持宽波段的同时，还能保持极高的吸收率，平均吸收率超过90％。
本发明的吸波器不依赖入射电磁波的偏振状态，对于TE波、TM波以及非偏振光，均能实现完美吸收。本发明的吸波器对于大角度入射的电磁波，也能保持较高的吸收率。本发明的吸波器在太阳能光伏、电磁隐身、光探测、光催化和光调制器等方面具有极高的应用价值。
此外，本发明的吸波器制备过程简单，耗时短，材料成本低廉，并且可大面积制备。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出根据本发明的一个具体实施方案的吸波器的结构示意图；
图2示出根据本发明的实施例1的吸波器的切面扫描电子显微镜图；
图3示出根据本发明的实施例1的吸波器的扫描电子显微镜形貌图；
图4示出根据本发明的实施例1的吸波器的吸收率测试图；
图5示出根据本发明的一个具体实施方案的吸波器的应用示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
在以下实施例中，测试吸收率光谱的仪器型号为HR2000+ES、PG 2000和NIR 1700。
实施例1
如图1所示，本实施例的吸波器共包含五层结构，自下而上分别为硅片衬底、30纳米铬层、170纳米锗锑碲层、50纳米二氧化硅层、130纳米锗锑碲亚波长结构层。具体制备方法为：
采用电子束蒸发技术，其中电子枪加速功率为10千瓦，沉积速率为3纳米/分钟，在衬底表面沉积一层铬薄膜。然后，采用磁控溅射沉积技术，在铬薄膜之上沉积一层锗锑碲薄膜，其中沉积功率为100瓦，沉积速率为6纳米/分钟。然后，采用等离子体增强化学气相沉积技术，其中沉积功率为350瓦，沉积速率为25.8纳米/分钟，在锗锑碲薄膜之上生长一层二氧化硅薄膜。之后，采用涂胶机在二氧化硅薄膜之上旋涂一层光刻胶，并通过电子束曝光技术曝光出相应的图形，其中电子束曝光时电子枪加速电压为100千伏。最后，采用磁控溅射沉积技术沉积锗锑碲并融脱，其中磁控溅射沉积锗锑碲时沉积功率为100瓦，沉积速率为6纳米/分钟，从而得到期望的图形结构。
图2为基于锗锑碲合金亚波长结构的超宽带吸波器的多层膜结构的切面扫描电子显微镜图。图2示出了自下而上多层膜结构依次为铬层、锗锑碲层、二氧化硅层。
图3为基于锗锑碲合金亚波长结构的超宽带吸波器的扫描电子显微镜形貌图。图3示出了吸波器结构的均一性以及图案的形状。图3还示出了本实例的亚波长结构具有约750纳米的周期。
图4为基于锗锑碲合金亚波长结构的超宽带吸波器的吸收率测试图，其中下图为不同波段范围内吸收率平均值的图。如图4所示，紫外波段的平均吸收率为95.6％，可见波段的平均吸收率值也较高，高于87％；380纳米-550纳米范围内平均吸收率高达97.7％；而550纳米-780纳米范围内的平均吸收率为91.4％；在近红外波段，吸收率有所下降；780纳米-1000纳米范围内平均吸收率为87％。在整个测量的波段范围内(250纳米-1000纳米)，吸收率的平均值为92.7％，证明了本发明的超表面超宽带吸波器能够实现对紫外至近红外波段电磁波的近完美吸收。
图5示出基于锗锑碲合金亚波长结构的超宽带完美吸波器的应用示意图。如图5所示，将实施例1的吸波器放置在需要电磁波吸收的位置，然后将电磁波施加到完美吸波器上。通过吸波器的锗锑碲亚波长结构与多层膜结构的配合获得对光的完美吸收。

Claims (10)

1.一种具有亚波长结构的超宽带吸波器，其包括：
衬底；
位于所述衬底之上的反射层；
位于所述反射层之上的第一吸收层；
位于所述第一吸收层之上的第二吸收层；
其中，所述第一吸收层为薄膜结构，并且所述第二吸收层具有由锗锑碲合金形成的亚波长结构。
2.根据权利要求1所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述亚波长结构为凸起的微纳结构，且所述微纳结构的横截面具有四重旋转对称性的图案。
3.根据权利要求2所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述图案选自圆形、方形和十字交叉图形中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述亚波长结构的周期为100纳米-1000纳米，优选600-800纳米，更优选750纳米。
5.根据权利要求1所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述亚波长结构的厚度为50纳米-300纳米，优选130纳米-170纳米。
6.根据权利要求1所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述亚波长结构的尺寸范围为50纳米-900纳米。
7.根据权利要求1所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述衬底选自硅、石英和PDMS中的一种或几种；
优选地，所述衬底的厚度为200微米-1000微米，更优选500微米。
8.根据权利要求1所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器，其中，所述反射层由铬、银和铝中的一种或几种形成；
优选地，所述反射层的厚度为20纳米-150纳米；
优选地，所述第一吸收层由二氧化硅、氮化硅、二氧化钛和锗锑碲中的一种或几种形成；
优选地，所述第一吸收层的厚度为50纳米-350纳米；
优选地，所述第一吸收层的层数为1-10。
9.一种制备权利要求1-8中任一项所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器的方法，其包括如下步骤：
(1)在衬底上形成反射层；
(2)在所述反射层之上形成第一吸收层；
(3)在所述第一吸收层之上形成第二吸收层；
其中，所述第一吸收层为薄膜结构，并且所述第二吸收层具有由锗锑碲合金形成的亚波长结构。
10.权利要求1-8中任一项所述的具有亚波长结构的超宽带吸波器或者权利要求9所述的方法制得的具有亚波长结构的超宽带吸波器在光电器件中的应用。
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