一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种双带可见光宽波段吸收结构，包括：基底；金属层，其设置于基底上；金属光栅层，其设置于金属层上，金属光栅层为一维光栅，金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的光栅单元之间形成光栅凹槽，金属光栅层的周期不大于500nm、占空比在0.1‑0.7之间、高度在100‑500nm之间；金属光栅层中，其介电常数的虚部大于其介电常数的实部的绝对值；填充介质层，其填设于光栅凹槽内。本发明专利技术还提供了一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法。本发明专利技术与现有技术相比，其结构简单，在宽入射角度变化范围(0°‑60°)吸收效率高(最高近100％)，且TM偏振光和TE偏振光皆可实现双带宽吸收。

A dual band wide visible light absorption structure and preparation method thereof

The present invention provides a dual band wide band visible light absorbing structure includes: a substrate; a metal layer, which is arranged on the substrate; the metal grating layer, which is arranged on the metal layer, the metal grating layer for one-dimensional grating, metal grating layer includes a plurality of grating elements, the grating grooves are formed between each two adjacent raster unit the cycle of the metal grating layer is not greater than 500nm, the duty ratio between 0.7 and 0.1 in the height between 100 500nm; the metal grating layer, the absolute value of the imaginary part of the dielectric constant is greater than the dielectric constant; filling dielectric layer, the filling in grating groove. The invention also provides a preparation method of wide band optical absorption band structure. Compared with the prior art, has the advantages of simple structure, changes in the range of wide angle (0 degrees 60 degrees) high absorption efficiency (up to nearly 100%), and TM polarized and TE polarized light can achieve dual band absorption.

【技术实现步骤摘要】
一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法
本专利技术涉及一种光学器件，具体涉及一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法。
技术介绍
宽波段吸收结构主要应用在隐身、热发射、光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域。如在印刷领域，传统的印刷技术使用不同颜色的油墨印刷出图像和色彩，存在易于褪色的问题，且油墨中包含重金属、苯、酮类等对人体有害物质。现有的无油墨印刷技术对实现黑色研究极少，只有在可见光宽波段(波长380-760nm)范围内实现高效率吸收，且吸收特性对入射光的偏振态和入射角不敏感，才可实现黑色。在太阳能电池领域，提高吸收效率的手段主要聚焦在抗反射涂层及高性能吸收方面，传统的介质蛾眼结构作为抗反射结构并不能很好的作用在整个太阳能光谱范围，且其无法作为一个光吸收器件来达到高吸收的特性。现有技术中：申请号为201410810447.5的中国专利申请公开了一种宽波段光全吸收器及其制备方法。该光全吸收器自下而上依次由金属膜层、介质膜层、金属纳米颗粒膜层共三层结构组成。申请号为201510469463.7的中国专利申请还公开了一种可见-近红外波段的超宽带吸收器及其制备方法，吸收器由基底、底部金属吸收层、锗层/金属吸收层交替膜层顶部锗层以及顶部锗层的上面的折射率逐渐减小的三层宽波段减反膜层。近年来，许多具备双带、多带的吸收特性的结构，也被认为可以应用在太阳能吸收中。2015年的SencerAyas等人提出的圆角纳米方形阵列结构[1]。该结构由银光栅、氧化铝、银膜构成，实现双带吸收。2016年，BatuhanMulla等人提出对称式金属谐振结构[2]，由上层金属谐振器、介质二氧化硅和最下层铝膜构成。可实现多带宽角度吸收。上述的这些现有技术所存在的问题是：(1)设计的结构大都过于复杂，制备工艺困难，无法大规模生产；(2)为实现偏振不敏感，设计的结构大都采用二维阵列排布，严重限制了制备工艺；(3)对入射光的入射角敏感，随角度变化，吸收效率退化严重。[1]Ayas，Sencer，GokhanBakan，andAykutluDana.″Roundingcornersofnano-squarepatchesformultispectralplasmonicmetamaterialabsorbers.″Opticsexpress23.9(2015)：11763-11770.[2]Mulla，Batuhan，andCumaliSabah.″MultibandMetamaterialAbsorberDesignBasedonPlasmonicResonancesforSolarEnergyHarvesting.″Plasmonics(2016)：1-9.
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法，其结构简单，在宽入射角度变化范围(0°-60°)吸收效率高(最高近100％)，且TM偏振光和TE偏振光皆可实现双带宽吸收。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种双带可见光宽波段吸收结构，其包括：基底；金属层，其设置于基底上；金属光栅层，其设置于金属层上，金属光栅层为一维光栅，金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的光栅单元之间形成光栅凹槽，金属光栅层的周期不大于500nm，金属光栅层的占空比在0.1-0.7之间，金属光栅层的高度在100-500nm之间；金属光栅层中，其介电常数的虚部大于其介电常数的实部的绝对值；填充介质层，其填设于光栅凹槽内。进一步地，上述基底为透明柔性基底。进一步地，上述透明柔性基底的材质为聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯。进一步地，上述基底的折射率在1.4-1.7之间。进一步地，上述金属层的材质为铝、银、铜、钨、镍、铬或钛。进一步地，上述金属层的厚度大于可见光波段在金属层上的趋肤深度。进一步地，上述金属层的厚度不小于40nm。进一步地，上述金属光栅层的材质为钨、镍、铬或钛。进一步地，上述光栅单元呈条形。进一步地，上述填充介质层的材质为二氧化硅。进一步地，上述填充介质层的高度在100-800nm之间。进一步地，上述填充介质层的折射率在1.4-1.7之间。进一步地，上述填充介质层与光栅单元之间设有开口腔模。一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法，其包括以下步骤：1)准备基底；2)通过物理沉积法将金属层设置于基底上；3)在金属层上旋涂光刻胶；4)通过光刻法或曝光法在光刻胶上制备光栅图形；5)通过离子刻蚀法或物理化学反应法，将光栅图形转移至金属材料中，形成金属光栅层，金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的光栅单元之间形成光栅凹槽；6)通过原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法的一种或几种将介质材料填充至光栅凹槽中。进一步地，上述物理沉积法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法或激光脉冲沉积法中的一种或几种。进一步地，上述光刻法为电子束光刻法、离子束光刻法或紫外光刻法。进一步地，上述曝光法为紫外全息曝光法。一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法，其包括以下步骤：1)在基底上面旋涂光刻胶，通过光刻或者全息拍摄制备光栅结构；2)电铸形成金属光栅结构；3)在金属光栅上镀介质，形成最终结构。一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法，其包括以下步骤：1)在基底上面旋涂光刻胶，通过光刻或者全息拍摄制备光栅结构；2)电铸形成金属光栅结构；3)采用UV压印，将金属光栅结构转移至软膜上，形成介质光栅；4)在介质光栅上镀金属形成吸收结构。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1)本专利技术设计简单，采用一维条状光栅设计，制备工艺成熟；2)可见光范围双带宽吸收效率高，在黑色印刷、太阳能吸收等领域应用广泛；3)本专利技术在宽入射角度变化范围吸收特性好，光在0°-60°范围内变化时，吸收效率变化不大；4)本专利技术针对TM偏振光和TE偏振光均能有宽波段的高吸收效率。附图说明图1为本专利技术的可见光宽波段吸收结构的结构示意图。图2为本专利技术实施例一中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。图3为本专利技术实施例一中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。图4为本专利技术实施例二中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与金属光栅层周期、入射波长的关系图。图5为本专利技术实施例二中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层周期、入射波长的关系图。图6为本专利技术实施例三中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比、入射波长的关系图。图7为本专利技术实施例三中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比、入射波长的关系图。图8为本专利技术实施例四中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与金属光栅层高度、入射波长的关系图。图9为本专利技术实施例四中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层高度、入射波长的关系图。图10为本专利技术实施例五中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与不同金属层材料、入射波长的关系图。图11为本专利技术实施例无中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与不同金属层材料、入射波长的关系图。图12为本专利技术实施例六中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与不同金属光栅层材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，包括：基底；金属层，其设置于所述基底上；金属光栅层，其设置于所述金属层上，所述金属光栅层为一维光栅，所述金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的所述光栅单元之间形成光栅凹槽，所述金属光栅层的周期不大于500nm，所述金属光栅层的占空比在0.1‑0.7之间，所述金属光栅层的高度在100‑500nm之间；所述金属光栅层中，其介电常数的虚部大于其介电常数的实部的绝对值；填充介质层，其填设于所述光栅凹槽内。

【技术特征摘要】
1.一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，包括：基底；金属层，其设置于所述基底上；金属光栅层，其设置于所述金属层上，所述金属光栅层为一维光栅，所述金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的所述光栅单元之间形成光栅凹槽，所述金属光栅层的周期不大于500nm，所述金属光栅层的占空比在0.1-0.7之间，所述金属光栅层的高度在100-500nm之间；所述金属光栅层中，其介电常数的虚部大于其介电常数的实部的绝对值；填充介质层，其填设于所述光栅凹槽内。2.根据权利要求1所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述基底为透明柔性基底。3.根据权利要求2所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述透明柔性基底的材质为聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯。4.根据权利要求1-3任一所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述基底的折射率在1.4-1.7之间。5.根据权利要求1所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述金属层的材质为铝、银、铜、钨、镍、铬或钛。6.根据权利要求1所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述金属层的厚度大于可见光波段在所述金属层上的趋肤深度。7.根据权利要求1或6所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，金属层的厚度不小于40nm。8.根据权利要求1所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述金属光栅层的材质为钨、镍、铬或钛。9.根据权利要求1或8所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述光栅单元呈条形。10.根据权利要求1所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述填充介质层的材质为二氧化硅。11.根据权利要求1或10所述的一种双带可见光宽波段吸收结构，其特征在于，所述填充介质层的高度在100-800nm之间。12.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：周云，罗明辉，陈林森，吴尚亮，叶燕，刘艳花，
申请(专利权)人：苏州苏大维格光电科技股份有限公司，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32