CN115662494A

CN115662494A - 一种柱状宽带超材料吸收器及其制备方法

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Publication number: CN115662494A
Application number: CN202211112320.7A
Authority: CN
Inventors: 余鹏; 甘霖; 王保清; 马翠苹; 唐婷婷
Original assignee: Chengdu University of Information Technology
Current assignee: Chengdu University of Information Technology
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明提供一种柱状宽带超材料吸收器及其制备方法，所述吸收器包括基底层、位于所述基底层上方的金属层，其特征在于，还包括位于所述金属层上方的纳米柱层；所述纳米柱层由周期性的纳米柱组成，所述纳米柱上有数个同轴的纳米圆环，用于和纳米柱作用，产生法布里‑珀罗谐振，激发间隙表面等离激元。本发明的柱状宽带超材料吸收器在0.2至7μm范围平均吸收率大于91％，且可大面积制备。

Description

一种柱状宽带超材料吸收器及其制备方法

技术领域

本发明属于吸波材料技术领域，尤其涉及一种柱状超材料吸收器及其制备方法。

背景技术

超材料是由人工设计的亚波长单元结构，可被用作构筑吸收器。超材料吸收器可分为宽带和窄带。宽带的超材料吸收器可以在一定带宽内保持高光吸收，它们对于光伏、光电探测器、太阳能蒸汽产生和机械共振操纵等应用至关重要。

现有技术用于产生宽带光吸收采用的材料包括：金属光栅、纳米颗粒、光子晶体和碳基材料。现有技术用于产生宽带光吸收采用的方法包括：(1)耦合多尺寸金属谐振器，通过不同谐振波长的电磁波来实现宽带吸收，但将多个金属谐振器集成在一个单元中会大大增加结构的尺寸(Advanced Optical Materials 2019,7,1800995)。此外，工作在可见光到近红外波段的吸收器大多只能通过电子束曝光制备，制作成本高。(2)在垂直方向上堆垛多层金属-电介质-金属也可实现宽带的光吸收。中国发明专利CN104733056B提供一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，实现了在波长范围284～1524nm平均吸收率超过92％。然而，这种吸收器的制造要求很高。不同尺寸结构的多层堆叠增加了其周期和厚度，大幅提高了制作成本。(3)将不同纳米粒子嵌入电介质基质中实现宽带吸收。CN102928898A提供一种宽带的吸收器，包括：一衬底；在所述衬底上沉积的厚度不小于100纳米的第一金属膜层；在所述第一金属膜层上排列的混合有不同尺寸和/或不同材料的单层介质球阵列；在所述单层介质球阵列上沉积的第二金属膜层；最终实现1.1-2.1μm的宽带吸收。然而，纳米粒子在恶劣环境中的团聚；比如在温度超过80℃时，纳米粒子开始变形从而使吸收器性能下降。

由此可见，现有技术在制备宽带吸收器时，很难兼顾带宽和制作成本的问题——也就是在低制造成本时，同时保持宽带吸收，特别是从可见光到中红外波段。其次，超宽带的吸收也很难实现。

发明内容

本发明目的在于提供一种柱状宽带超材料吸收器及其制备方法，以解决制备宽带超材料吸收器时，很难兼顾带宽和制作成本的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种柱状宽带超材料吸收器及其制备方法的具体技术方案如下：

首先，本发明提供一种柱状宽带超材料吸收器，包括基底层、位于所述基底层上方的金属层，其特征在于，还包括位于金属层上方的纳米柱层；所述纳米柱层由周期性的纳米柱组成，所述纳米柱上有数个同轴的纳米圆环，用于和纳米柱作用，产生法布里-珀罗谐振，激发间隙表面等离激元。

进一步，所述金属层和纳米圆环的材料为Ti、Cr、Ni和Pd中的任意一种。

进一步，所述纳米柱层的材料为Si、TiO₂、ZnO₂和Cu₂O中的任意一种。

优选地，所述纳米圆环的数量为4至12个。

优选地，所述纳米柱的半径为75nm、周期为250nm、材料为Ti；所述纳米圆环的半径为100nm、间距为30nm、高度为45nm。

进一步，所述纳米柱层上还有一层耐火电介质。

优选地，所述耐火电介质为Al₂O₃、宏观排列的碳纳米管、SiC和石墨烯的任意一种。

本发明还提供了一种柱状宽带超材料吸收器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在基底层上沉积一层具有一定间距的聚苯乙烯球，然后蒸镀一层金属薄膜，然后去除聚苯乙烯球，产生金属纳米孔薄膜阵列；

S2、通过金属辅助化学蚀刻制备纳米柱层；

S3、在所述纳米柱层上制备一层氧化物层，将覆盖有氧化物层的纳米柱层嵌入聚合物薄膜，然后去除氧化物层以形成通孔；

S4、在所述通孔中交替沉积牺牲层和纳米圆环；

S5、最后，去除所述聚合物薄膜和牺牲层，得到柱状宽带超材料吸收器。

进一步，所述步骤S1所述的蒸镀一层金属薄膜的方式为磁控溅射、电子束蒸镀和热蒸镀中的任意一种方式。

进一步，所述一种柱状宽带超材料吸收器的制备方法，还包扩在所述柱状宽带超材料吸收器上沉积一层耐火电介质。

本发明的柱状宽带超材料吸收器具有以下优点：吸收器在0.2至7μm范围平均吸收大于91％；吸收器的性能显示出对入射角和偏振角变化的鲁棒性；且可大面积制备，避免了常规的电子束曝光等昂贵的微纳加工方法。

附图说明

图1为本发明的柱状宽带超材料吸收器的立体结构示意图；

图2为本发明的柱状宽带超材料吸收器的主视图和俯视图；

图3为本发明的柱状宽带超材料吸收器在8个典型波长的电场强度和坡印廷矢量图；

图4为本发明的柱状宽带超材料吸收器随着n变化的平均吸收率图；

图5本发明的柱状宽带超材料吸收器的实施例1的吸收率图；

图6为本发明的柱状宽带超材料吸收器的参数定义图；

图7为本发明的柱状宽带超材料吸收器的实施例2的吸收率图；

图8为本发明的柱状宽带超材料吸收器的实施例3的吸收率图；

图9为本发明的柱状宽带超材料吸收器的实施例4的吸收率图。

图中标记说明：1、基底层；2、金属层；3、纳米柱层；4、纳米圆环。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种柱状宽带超材料吸收器及其制备方法做进一步详细的描述。

如图1和图2所示，本发明的柱状宽带超材料吸收器，包括基底层(1)、位于所述基底层上方的金属层(2)，金属层上方的纳米柱层(3)；所述纳米柱层由周期性的纳米柱组成，所述纳米柱上有数个同轴的纳米圆环(4)。

纳米柱为电介质材料，优选高折射材料如Si、TiO₂、ZnO₂和Cu₂O等。

金属层和纳米圆环可选的材料为Ti、Cr、Ni和Pd中的任意一种，且纳米柱上的纳米圆环的材料可以是不同的。

在这种结构中，电场分布主要局限于金属-电介质界面和两个相邻纳米圆环之间的间隙。由于单个金属-电介质界面可以产生单独的表面等离激元(SPP)，因此将两个(或更多)金属-电介质界面彼此靠近会引入耦合SPP模式，称为间隙SPP(G-SPP)。这种G-SPP模式可以减慢SPP模式，并且可以在任何波长处实现纳米级电场局域。因此，柱状宽带超材料吸收器可以被认为是几个对称MDM(金属-电介质-金属)结构的组合。纳米柱上方的坡印廷矢量向下穿过系统顶部，几乎不受纳米圆环的影响，直到坡印廷矢量在底部卷曲。在底部时候，坡印廷矢量被基板反射到纳米圆环谐振器中。在这种多层结构的情况下，上层的共振再次被下层的反射波激发，如图3所示。图3展示了柱状宽带超材料吸收器在8个典型波长的电场强度和坡印廷矢量。因此，这种吸收器可以产生倍增效应来限制光，这导致上层纳米圆环的电场强度远高于下层的电场强度，从而增加光的吸收。此外，吸收器能将光限制在吸收器内部的某个位置，纳米柱的内部可以看作是一个类似法布里-珀罗(FP)的谐振腔。传播的G-SPP中的相长干涉导致该腔中某些波长的驻波共振，导致剩余的能量在这里消散在纳米圆环中。

优选地，所述纳米圆环的数量为4至12个。如图4所示，当纳米柱上圆环的数量n为4至12个时，其0.2至7μm范围平均吸收大于70％；特别地，当圆环数量为7个或8个时，其平均吸收大于90％。

优选地，当所述纳米柱的半径为75nm、周期为250nm、材料为Ti时；所述纳米圆环的半径为100nm、间距为30nm、高度为45nm时候，吸收器在0.2至7μm范围平均吸收为91％，如图5的实线所示。

进一步，所述纳米柱层上还有一层耐火电介质，所述耐火介质可提高吸收器的工作温度，特别是应用于热光伏等在高温下工作的器件；其次，可改善吸收器的吸收率；第三，可以防止金属在高温过程被氧化。所述耐火电介质可以为Al₂O₃、宏观排列的碳纳米管、SiC和石墨烯的任意一种。如图5的虚线所示，当采用Al₂O₃包裹吸收器时，其吸收性能获得了改善。

本发明还提供了上述柱状宽带超材料吸收器的制备方法，包括以下步骤：

S2、通过金属辅助化学蚀刻制备纳米柱层；

S4、在所述通孔中交替沉积牺牲层和纳米圆环；

S5、去除所述聚合物薄膜和牺牲层，得到柱状宽带超材料吸收器。

进一步，所述柱状宽带超材料吸收器的制备方法，还包扩在所述柱状宽带超材料吸收器上沉积一层耐火电介质。可通过电子束蒸发、磁控溅射或者原子层沉积一层5-20nm的层耐火电介质。

实施例1

实施例1提供的柱状宽带超材料吸收器，包括基底层Si、位于所述基底层上方的金属层Ti(300nm)；金属层上包含有周期为p＝220nm的纳米柱、纳米柱的材料为TiO₂、半径r₁＝75nm；所述纳米柱上有n＝8的同轴纳米圆环，纳米圆环的材料为Ti，半径r₂＝100nm，纳米圆环的高度h₂＝45nm，最靠近金属层的纳米圆环与金属层的距离为h₁＝0nm，圆环之间的距离h₃＝25nm，纳米柱最上面的圆环距纳米柱的顶部距离h₄＝360nm，参数的定义如图6所示。此外，在所述吸收器上包裹有一层8nm的Al₂O₃。他们各自的吸收率如图5所示。

实施例2

实施例2提供的柱状宽带超材料吸收器，包括基底层Si、位于所述基底层上方的金属层Ti(300nm)；金属层上包含有周期为p＝270nm的纳米柱、纳米柱的材料为TiO₂、半径r₁＝75nm；所述纳米柱上有n＝5的同轴纳米圆环，纳米圆环的材料为Ti，半径r₂＝115nm，纳米圆环的高度h₂＝50nm，最靠近金属层的纳米圆环与金属层的距离为h₁＝0nm，圆环之间的距离h₃＝5nm，纳米柱最上面的圆环距纳米柱的顶部距离h₄＝185nm。此外，在所述吸收器上包裹有一层8nm的Al₂O₃。它们各自的吸收率如图7所示。

实施例3

实施例3提供的柱状宽带超材料吸收器，包括基底层Si、位于所述基底层上方的金属层Cr(300nm)；金属层上包含有周期为p＝220nm的纳米柱、纳米柱的材料为ZnO₂、半径r₁＝75nm；所述纳米柱上有n＝3的同轴纳米圆环，纳米圆环的材料为Ti，半径r₂＝100nm，纳米圆环的高度h₂＝70nm，最靠近金属层的纳米圆环与金属层的距离为h₁＝0nm，圆环之间的距离h₃＝25nm，纳米柱最上面的圆环距纳米柱的顶部距离h₄＝245nm。此外，在所述吸收器上包裹有一层8nm的Al₂O₃。他们各自的吸收率如图8所示。

实施例4

实施例4提供的柱状宽带超材料吸收器，包括基底层Si、位于所述基底层上方的金属层Pd(300nm)；金属层上包含有周期为p＝250nm的纳米柱、纳米柱的材料为Cu₂O、半径r₁＝75nm；所述纳米柱上有n＝3的同轴纳米圆环，纳米圆环的材料为Ti，半径r₂＝100nm，纳米圆环的高度h₂＝45nm，最靠近金属层的纳米圆环与金属层的距离为h₁＝0nm，圆环之间的距离h₃＝30nm，纳米柱最上面的圆环距纳米柱的顶部距离h₄＝110nm。此外，在所述吸收器上包裹有一层8nm的Al₂O₃。他们各自的吸收率如图9所示。实施例4在0.2至2μ的波长范围内，平均吸收率约为96％，而在2.5至7μm范围内则下降到10％。这种设计可以在太阳能热光伏系统(STPV)中显著提高太阳能收集效率，减少热辐射损失，提高STPV的性能。因此，本发明的吸收器在STPV中具有广阔的应用前景。具体的，可用于热光伏系统，包括本发明的柱状宽带超材料吸收器、聚光器、太阳电池组件和散热片；其中，柱状宽带超材料吸收器用于吸收0.2至2μ的波长范围内太阳光并实现热辐射。

实施例5

实施例5提供一种柱状宽带超材料吸收器的制备方法。首先，在Si基底层上沉积一层间距250nm的聚苯乙烯球。可通过胶体光刻实现：胶体光刻是一种低成本技术，可将聚苯乙烯球在平面上大规模自组装。它与物理蒸发技术相结合，可用于生成大规模金属纳米孔阵列。然后通过电子束蒸发蒸镀一层Ti金属薄膜，然后去除聚苯乙烯球，产生Ti纳米孔薄膜阵列；将所述的Ti纳米孔薄膜阵列通过金属辅助化学蚀刻制备纳米柱层；在所述纳米柱层上通过电子束蒸发制备一层TiO₂，将覆盖有TiO₂的纳米柱层嵌入聚合物薄膜(可以是聚碳酸酯)，然后去TiO₂层以形成通孔。在所述通孔中交替沉积牺牲层(可以是聚苯胺)和Ti纳米圆环，采用的方式可以是电沉积或真空蒸镀。最后，去除所述聚合物薄膜和牺牲层，得到柱状宽带超材料吸收器。特别的，可以选择性的在所述柱状宽带超材料吸收器沉积一层8nm的耐火电介质Al₂O₃，以改善吸收器的性能。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims

1.一种柱状宽带超材料吸收器，包括基底层、位于所述基底层上方的金属层，其特征在于，还包括位于所述金属层上方的纳米柱层；所述纳米柱层由周期性的纳米柱组成，所述纳米柱上有数个同轴的纳米圆环，用于和所述纳米柱作用，产生法布里-珀罗谐振，激发间隙表面等离激元。

2.根据权利要求1所述的柱状宽带超材料吸收器，其特征在于，所述金属层和纳米圆环的材料为Ti、Cr、Ni和Pd中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的柱状宽带超材料吸收器，其特征在于，所述纳米柱层的材料为Si、TiO₂、ZnO₂和Cu₂O中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的柱状宽带超材料吸收器，其特征在于，所述纳米圆环的数量为4至12个。

5.根据权利要求1所述的柱状宽带超材料吸收器，其特征在于，所述纳米柱的半径为75nm、周期为250nm、材料为Ti；所述纳米圆环的半径为100nm、间距为30nm、高度为45nm。

6.根据权利要求1所述的柱状宽带超材料吸收器，其特征在于，所述纳米柱层上还有一层耐火电介质。

7.根据权利要求6所述的柱状宽带超材料吸收器，其特征在于，所述耐火电介质为Al₂O₃、宏观排列的碳纳米管、SiC和石墨烯中的任意一种。

8.一种柱状宽带超材料吸收器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、通过金属辅助化学蚀刻制备纳米柱层；

S4、在所述通孔中交替沉积牺牲层和纳米圆环；

9.根据权利要求8所述的柱状宽带超材料吸收器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1所述的蒸镀一层金属薄膜的方式为磁控溅射、电子束蒸镀和热蒸镀中的任意一种方式。

10.根据权利要求9所述的柱状宽带超材料吸收器的制备方法，其特征在于，还包扩在所述柱状宽带超材料吸收器上沉积一层耐火电介质。