一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料制造技术

本发明专利技术属于电磁功能材料技术领域，具体提供一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，用以克服现有太赫兹波吸收器件吸收带宽窄、制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂的缺陷；本发明专利技术太赫兹波宽带吸收材料包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。通过该硅纳米针阵列结构制作的太赫兹波吸收材料，结构简单，在0.2THz～1.2THz范围内，对太赫兹波的吸收率高达90％；采用简易金属辅助的化学刻蚀方法制备，制备工艺简单，成本低廉。

A broadband terahertz wave absorbing material based on silicon nano needle

The invention belongs to the technical field of electromagnetic functional materials, in particular to a broadband terahertz wave absorbing materials based on silicon nano needle, in order to overcome the existing THz absorption device of absorption bandwidth, complex production process, poor device stability, high cost of preparation defects; the invention of broadband terahertz wave absorbing material includes two parts of nano silicon needle the array and the silicon substrate, the silicon nano needle array is uniformly distributed with a plurality of silicon nano needle on silicon substrate, the silicon nano needle is vertically arranged on the surface of a silicon substrate; the nano silicon needle array and the silicon substrate for the same material, adopt n type or P type heavily doped silicon and its resistivity less than or equal to 0.1. Cm. The nano silicon needle array by terahertz wave absorbing structure fabrication materials, simple structure, in the 0.2THz ~ 1.2THz range, the terahertz absorption rate of up to 90%; using metal assisted chemical etching method of simple preparation, simple preparation process, low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料
本专利技术属于电磁功能材料
，涉及电磁波吸收结构，具体涉及一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波，其波长跨度为30μm～3mm。该频段是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，具有很多优越的特性，在国防军事，卫星通信，医疗诊断等方面显示出了巨大的应用潜力。因此，太赫兹领域的相关研究对国民经济和国家安全有重大的实际意义。太赫兹波吸收材料在太赫兹波能量捕获、探测、隐身以及构建高性能的太赫兹应用系统方面均有重要应用价值，是国际上研究的一个热点。然而，由于绝大多数自然物质对太赫兹波缺乏有效的电磁响应，因此太赫兹吸收往往依靠复杂的人工电磁结构，如人工电磁超材料和光子晶体。例如，申请号为200910216064.4，专利技术名称为“一种太赫兹波平面吸收材料”的中国专利，公开了一种具有两个窄带吸收频段，且每个吸收峰均具有80％以上吸收强度的超结构太赫兹波吸收材料，其结构包括衬底、金属反射层、介质层和人工电磁媒质层等多层结构；两个强吸收频段可以提供不同频段的选择吸收和探测，同时可以吸收更大频谱范围的太赫兹辐射，提高了太赫兹波平面吸收材料的性能和效率；但是基于超材料的太赫兹吸收器件，总体上吸收带宽比较窄。又如，2015年，文献“YanPeng，Ultra-broadbandterahertzperfectabsorberbyexcitingmulti-orderdiffractionsinadouble-layeredgratingstructure，OpticsExpress2032，2015”公开了一种基于双层Si基周期结构的宽带太赫兹波吸收器；这种结构是利用Si衬底制备出周期性的光子晶体结构，每个周期是有两个大小不同的方块堆叠而成，该吸收器在0.59THz～2.58THz的频带内存在三个吸收峰，分别是由空隙共振，一阶和二阶光栅衍射造成的，这三个吸收峰的叠加使得器件在较宽的频带内对太赫兹波的吸收率达到90％。但由于太赫兹波的频率较高，特征尺寸均在微米量级，因此太赫兹器件通常无法使用机械加工的方法进行加工，必须借助复杂的微细加工技术；而以上基于超材料和光子晶体的太赫兹波吸收器，为了提高吸收率和拓展吸收带宽，需要设计极为复杂的多层结构或者嵌套结构，导致其制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂，在很大程度上限制了其实际应用范围。急需研究结构简单，制备方便、成本低廉且具有宽带吸收特性的太赫兹波吸收材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于硅纳米针(SiliconNano-tip，SiNT)的宽带太赫兹波吸收材料，用以克服现有太赫兹波吸收器件吸收带宽窄、制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂的缺陷；本专利技术提供一种特殊设计的硅纳米针阵列结构，作为太赫兹波吸收材料，结构简单，在0.2THz～1.2THz范围内，对太赫兹波的吸收率高达90％；采用简易金属辅助的化学刻蚀(Metal-AssistedChemicalEtching，MACE)方法制备，制备工艺简单，成本低廉；能够应用于太赫兹波辐射热测定器，太赫兹隐身技术，太赫兹成像和光谱技术，以及太赫兹热发射器的极有潜力的新型吸收材料。同时，该材料对可见光也具有很高的吸收率，可同时应用于可见光和太赫兹波段。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，其特征在于，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。进一步的，所述硅纳米针呈上细下粗的垂直针状结构，硅纳米针的直径≤100nm、高度≥5μm，硅纳米针的填充率(fillingratio)为50％～80％。进一步的，所述硅衬底的厚度为≥300μm。上述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，在0.2THz～1.2THz的频带内对太赫兹波的吸收率≥90％，对300nm～880nm的可见光同样具有90％以上的吸收效率，因此可同时应用于可见光和太赫兹波段。从工作原理上讲：当太赫兹波入射到硅片上时，反射率约为30％，70％的太赫兹波进入硅片，被硅片内部的载流子(电子或空穴)所吸收。本专利技术提出的硅纳米针阵列，由于其上细下粗的垂直针状结构能够显著降低太赫兹波在界面上的反射，使其反射率低于10％，使得90％及以上的太赫兹波进入吸收材料内部而被完全吸收，因此吸收率能够达到90％以上；其具体吸收过程如图1所示：当太赫兹波①垂直于硅衬底表面入射到硅纳米针上时，被纳米针内部的载流子所吸收，而部分反射的太赫兹波②入射到硅衬底上，经过纳米针之间的Si衬底反射后又有一部分能量被载流子吸收，而反射太赫兹波③仍然在纳米针阵列内部传播；经过相邻纳米针的第三次反射后，太赫兹波④反射出纳米针阵列；实际上，由于入射光绝大多数情况下是以一定角度入射，这使得太赫兹波通常会经过3次以上的反射，能量几乎全部被吸收，反射波④的能量微乎其微。因此，纳米针在很大程度上将反射的太赫兹波局限于纳米针阵列内部，使得反射率大大降低，显著提高太赫兹波的吸收率。根据以上原理所知，本专利技术中，硅纳米针的高度、填充率是影响太赫兹波吸收效率的重要因素。与其他现有的太赫兹波吸收材料相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，具有宽带强吸收特性，在0.2THz～1.2THz的频带内对太赫兹波的吸收率≥90％；2、本专利技术提供的一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，同时对300nm～880nm的激光也具有90％以上的强吸收特性，因此可同时应用于可见光和太赫兹波段；3、本专利技术提供的一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，相比于现有的基于超材料和光子晶体的太赫兹波吸收器，具有结构简单、制备工艺简单，成本低廉，易于实现等诸多优势；还可制成与CMOS兼容的大尺寸器件，适合于大规模工业化生产和应用。附图说明图1是本专利技术实施例中太赫兹波垂直于硅衬底表面入射到硅纳米针上的示意图，其中，101表示入射的太赫兹波，102表示硅纳米针阵列，103表示载流子，104表示硅衬底；①、②、③、④表示的是太赫兹波在硅纳米针阵列内部的传播路径。图2是本专利技术实施例中硅纳米针阵列的扫描电子显微镜(SEM)断面图。图3是本专利技术实施例中所使用的重掺杂硅片和本实施例所制备的硅纳米针样品的紫外-可见光-红外光谱测试曲线，其中以BaSO4的反射曲线作为基准线。图4是本专利技术实施例中所使用的重掺杂硅片和本实施例所制备的硅纳米针样品在0.2THz到1.2THz范围内的反射谱。图5是本专利技术实施例中所使用的重掺杂硅片和本实施例所制备的硅纳米针样品在0.2THz到1.2THz范围内的吸收谱。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明，本专利技术并不局限于该实施例。本实施例所提供的基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，其结构如图1、图2所示，包括硅纳米针阵列和重掺杂硅衬底两部分。下面以长度为15μm的n型硅纳米针阵列说明上述吸收材料的制备过程：步骤一：首先将重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，其特征在于，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，其特征在于，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。2.按权利要求书1所述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，其特征在于，所述硅纳米针呈上细下粗的垂直针状结构，硅纳米针的直径≤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：文岐业，史中伟，刘浩天，陈智，文天龙，杨青慧，张怀武，涂翔宇，刘洋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51