基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器制造技术

本发明专利技术公开了基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，属于超材料领域。所述吸收器自下而上依次由衬底、金属膜层和半导体超表面结构层组成，所述超表面结构层由半导体颗粒阵列和半导体膜层组成。本发明专利技术通过合理设计半导体超表面结构的几何尺寸和晶格周期，可以完全吸收入射到结构表面的电磁波。这种基于半导体超表面的吸收器具有结构简单、近红外波段吸收，并且有三个吸收峰的特点，此外结构中采用的半导体材料作为电磁波吸收功能层不仅克服了传统金属共振单元单一尺寸只能产生单一共振吸收峰的局限而且也便于拓展此类吸收器在光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集以及电磁能量吸收等领域的应用前景。

Three band near infrared absorber based on semiconductor ultra surface structure

The invention discloses a three band near infrared absorber based on a semiconductor ultra surface structure, which belongs to the field of metamaterials. The absorber is composed of a substrate, a metal film layer and a semiconductor super surface structure layer sequentially from the bottom to top, wherein the super surface structure layer is composed of a semiconductor particle array and a semiconductor film layer. By reasonably designing the geometrical size and the lattice period of the semiconductor super surface structure, the electromagnetic wave incident on the surface of the structure can be absorbed completely. The surface of the semiconductor absorber has the advantages of simple structure, based on the near infrared absorption, and three absorption peaks, in addition the semiconductor material is adopted in the structure as a function of electromagnetic wave absorption layer not only overcomes the traditional metal resonance unit single size only have a single resonance absorption peak limitations but also facilitate the expansion of such absorber in photoelectric detection photoelectric conversion of photogenerated electrons and hot electrons for application and collection and absorption of electromagnetic energy field.

【技术实现步骤摘要】
基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器
本专利技术涉及超材料、纳米光子学和光电材料等领域，具体涉及一种基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器。
技术介绍
电磁波频谱中，通常把红外波段划分为近红外（0.76μm~2.5μm）、中红外（2.5μm~25μm）和远红外（25μm~1000μm）三个频段。近红外光谱区与有机分子中含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点。此外，近红外频段在光电探测和光敏器件等领域也具有非常广阔的应用。光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。目前，红外光电探测器系列就包括了Ge探测器、InGaAs探测器、InAs探测器、PbS探测器、PbSe探测器、InSb探测器、HgCdTe探测器等众多光电探测器。因此，结合半导体材料进行近红外频段的光吸收研究具有非常重要的现实意义。电磁超材料（Metamaterial）是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料，材料在关键物理尺度上的结构为有序阵列设计。迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”和“超磁性材料”等。电磁超表面（Metasurface）是近一两年人工电磁超材料研究的最新发展方向和研究热点之一，它是一种由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活且有效调控。可实现负折射、极化旋转、汇聚成像和传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性和对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、红外光电检测器件、光电子功能器件等诸多领域具有重要的应用前景。超材料电磁波吸收器最先由美国波士顿学院的Landy课题组于2008年提出并在微波频段获得验证（《PhysicalReviewLetters》第100卷，第207402页(2008)）。通过利用双面包覆有金属的介质基板构成面型双层结构，上层为开口谐振环（Split-RingResonators），底层为切口金属线（Cut-Wire），两者构成谐振环结构，使得入射到该吸收器结构上的电磁波在其中形成共振并吸收消耗，从而达到完美吸收的目的，在11.5GHz附近实现了近88%的吸收效率。但此种结构只能吸收单一偏振的电磁波，且中间介质绝缘膜层为低介电材料。此后，国内外研究人员提出了更多的金属-介质-金属层状共振超材料结构，实现了偏振无关、多吸收峰和宽频带等性能。但是这些研究主要集中在微波、太赫兹及可见光波段，而工作在近红外频段的吸收器鲜有报道。近红外频段吸收器可以作为光电探测器/发射器的吸收单元，或作为涂层材料以减小电磁波的杂散发射，然而几乎所有现存的近红外吸收器只有一个吸收频带。然而在选择性红外滤波器、多路检测阵列以及生物化学中的分子和离子检测技术等应用中，要求吸收器具有多频段吸收的特性。目前，超材料吸收器往往使用两种及以上的不同尺寸的结构阵列或在一个共振单元内构建不同尺寸大小的亚单元结构体系，每个尺寸阵列或尺寸单元都有各自的共振频率，不同共振频率在频谱上叠加就可以实现双频段或多频段吸收。但是这种吸收器结构设计复杂，可重复性差。这使得目前大部分近红外吸收器在红外光电检测器件、光电子功能器件等方面的应用受到限制，因此我们急需一种基于结构简单比如单一共振体系的多频带、强吸收的近红外吸收器。此外，几乎现有所有的电磁波吸收器包括近红外频段的吸收器超材料结构中都不含半导体材料，比如，在不同吸收频段的吸收器，其超材料结构中的介质或绝缘膜层都是常见的二氧化硅、氧化铝以及氟化镁等低介电介质（《AdvancedMaterials》，第24卷，第OP98页；《LaserPhotonicsReviews》，第8卷，第495页）。而半导体材料以及基于半导体材料的吸收器才能真正有效地实现光生电子以及其他光电响应，可以说基于半导体材料的吸收器是实现电磁波吸收器在光电功能器件和集成等领域应用的必要条件。因此，我们急需一种基于半导体材料的近红外吸收器。近期，利用半导体颗粒构建共振单元可以形成类似于金属超材料共振特性的光学行为（《Science》，第354卷，第aag2472页）。比如，通过利用硅的微纳米尺度球结构构建了二维阵列的超表面（《NatureCommunication》，第3卷，第664页），实验验证了此类体系很强的电和磁共振响应。然而，如何突破现有电磁波吸收器在半导体材料缺失方面的结构缺陷和构建基于半导体材料电磁共振特性的吸收器是当前国内外研究者所面临的科学和技术瓶颈。
技术实现思路
针对上述超材料吸收器的不足，本专利技术的目的是为了提供一种工作在近红外频段的基于半导体超表面结构的三频带吸收器，旨在引入半导体材料、利用半导体电磁共振特性，简化吸收单元结构和增加吸收峰数目。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，它包括衬底、金属膜层、半导体膜层、半导体颗粒，其特征在于：自下而上依次设置衬底、金属膜层、半导体膜层和半导体颗粒，所述半导体膜层和半导体颗粒组成半导体超表面结构层；其中所述半导体膜层下表面与金属膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述若干半导体颗粒和半导体膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层、半导体超表面结构层配合形成具有三频带近红外吸收特性的结构，通过调节半导体超表面结构的几何参数和单元晶格的周期以及半导体材料属性，调控近红外频段吸收频谱范围，增加吸收峰数目。所述半导体颗粒组成的周期性阵列图案设置在半导体膜层上表面。所述半导体超表面结构层的材料为单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟或锗等。所述金属膜层的材料为银、铝、铜或金等金属材料。所述半导体颗粒的结构为立方体形和长方体形等结构。所述半导体膜层厚度处于10-100nm范围。所述衬底的材料为玻璃、硅片、柔性材料比如聚二甲基硅氧烷以及聚合物等材料。所述吸收器单元晶格的周期为0.5~2.5μm。所述半导体颗粒的图案形状大小相同，半导体颗粒的尺寸大小包括长宽高范围为0.35~2.2μm。所述吸收器结构可通过物理沉积法包括离子溅射法和磁控溅射法以及刻蚀技术包括激光刻蚀技术等。本专利技术的三频带近红外吸收器具有如下优点：1、通过采用半导体颗粒阵列以及半导体膜层构成的半导体超表面结构作为近红外光的吸收层，有效避免了基于金属颗粒构建超材料吸收器所无法克服的金属内在欧姆损耗和自由电子集体震荡等热效应的不良干扰。2、通过采用半导体颗粒构建周期性阵列结构，基于结构本身高对称性，极大地降低了对入射波的入射偏振角度的敏感性，从而实现了任意偏振角度的三频带电磁波完美吸收。3、通过利用半导体颗粒本身能提供不同的共振模式，从而实现在不同频段产生共振吸收，产生多频带吸收。4、相对于现有的超材料吸收器，本专利技术的吸收峰值点发生在近红外频段；5、结构简单，易于制备和实现集成；6、基于单一尺寸的半导体颗粒共振单元，产生三个窄带频谱吸收特性，在红外探测、红外成像以及热辐射器等领域具有广泛的应用前景；7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，它包括衬底、金属膜层、半导体膜层、半导体颗粒，其特征在于：自下而上依次设置衬底、金属膜层、半导体膜层和半导体颗粒，所述半导体膜层和半导体颗粒组成半导体超表面结构层；其中所述半导体膜层下表面与金属膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述若干半导体颗粒和半导体膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层、半导体超表面结构层配合形成具有三频带近红外吸收特性的结构，通过调节半导体超表面结构的几何参数和单元晶格的周期以及半导体材料属性，调控近红外频段吸收频谱范围，增加吸收峰数目。

【技术特征摘要】
1.一种基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，它包括衬底、金属膜层、半导体膜层、半导体颗粒，其特征在于：自下而上依次设置衬底、金属膜层、半导体膜层和半导体颗粒，所述半导体膜层和半导体颗粒组成半导体超表面结构层；其中所述半导体膜层下表面与金属膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述若干半导体颗粒和半导体膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层、半导体超表面结构层配合形成具有三频带近红外吸收特性的结构，通过调节半导体超表面结构的几何参数和单元晶格的周期以及半导体材料属性，调控近红外频段吸收频谱范围，增加吸收峰数目。2.根据权利要求1所述的基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，其特征在于：所述半导体颗粒组成的周期性阵列图案设置在半导体膜层上表面。3.根据权利要求1所述的基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，其特征在于：所述半导体超表面结构层的材料为单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟或锗等。4.根据权利要求1所述的基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正奇，刘桂强，刘晓山，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：江西,36