一种可见光宽波段吸收器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种可见光宽波段吸收器及其制作方法，属于集成光电子领域，主要涉及结构‑光场调控技术、光谱技术、纳米加工技术等。该器件主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1。基底3为吸收器结构提供刚性支撑；周期性纳米结构2为增强共振吸收提供条件；高吸收材料介质层1可增强电磁共振能量吸收，在可见光范围内，折射率虚部系数k>4的材料对入射光具有很高的吸收效率；高吸收材料侧壁1‑2可进一步将入射光局域在微纳结构内部，提高吸收效率；通过优化周期性纳米结构的几何尺寸，可以实现对可见光范围内的宽波段完美吸收，吸收率高达90％以上，覆盖整个可见光范围，且具有偏振无关、入射角不敏感等特性。

A Wide Band Visible Absorber and Its Fabrication Method

【技术实现步骤摘要】
一种可见光宽波段吸收器及其制作方法所属领域本专利技术属于集成光电子领域，主要涉及结构-光场调控技术、光谱技术、纳米加工技术等。现有技术由于光吸收具有能量转化和光谱选择的本征属性，基于光吸收特性的可见光宽波段吸收器在诸多领域有着重要应用，既包括信息传感、大气环境监控等感知应用领域，也包括光伏生电、太阳能热水器等能源应用领域。因此，可见光宽波段吸收器正逐渐引起学术界与产业界的广泛关注，提升其光吸收性能，挖掘其光吸收特性的应用潜能，有着重要的研究意义和实用价值。近年来，研究人员设计了各种各样的可见光吸收器结构，比如平面金属/介质结构、金属光栅结构等。然而这些吸收器存在带宽窄、加工困难、入射光偏振依赖性强、吸收效率低等问题。2011年，太原理工大学崔艳霞等人报道了一种基于多尺寸纳米光栅结构的宽波段吸收器[AppliedPhysicsLetters,99,253101,2011]，通过调节各纳米光栅的宽度，便可达到宽波段吸收的效果，然而这种多尺寸的纳米结构增加了设计与加工难度；美国加州理工学院KorayAydin等人报道了一种通过在金属/介质/金属结构顶层加工复杂形状的纳米结构来实现宽波段吸收的超薄等离子体吸收器，但在400nm至700nm波段其吸收效率平均值仅为71％，效率较低[NatureCommunication,2,517,2011]；2012年，美国伊利诺大学香槟分校NicholasX.Fang等人报道了一种基于锯齿形各向异性超材料板的超宽波段吸收器，该吸收器不仅需要多层膜，而且还需要在多层膜上加工微纳结构，设计制作难度大，且对入射光偏振态比较敏感[NanoLetters,12,1443,2012]；2016年，密歇根大学L.J.Guo团队报道了一种基于多层膜的超宽波段吸收器，该吸收器由三种吸收材料层依次叠加串联而成，其吸收效率可达到98％，然而这种吸收器对膜层的厚度非常敏感，在加工时很难保证各层膜的厚度[ACSPhotonics,3,590,2016]。有效的可见光宽波段吸收器必须同时具有足够宽的吸收波段，高的吸收效率，且对入射光偏振不敏感的特性，并且在加工、设计等方面的要求要尽可能低，以减小设计与加工制作成本，因此，继续开发和探索新型的可见光宽波段吸收器是器件发展的需要。
技术实现思路
专利技术目的为了克服多尺寸微纳结构吸收器尺寸复杂、设计加工难度大，光栅结构吸收器偏振依赖性强等问题，本专利技术提出一种基于周期性纳米结构的可见光宽波段吸收器，旨在提高吸收效率、减小偏振态及入射光角度影响。技术方案本专利技术提出的可见光宽波段吸收器结构参阅图1和图2。器件主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1；所述基底3选择硅、玻璃、BOPET聚酯薄膜等；所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列；进一步的，所述周期性纳米结构2形状除圆柱外，也可为方形柱等，其直径(针对圆形纳米柱)或边长(针对方形纳米柱)范围要求为90-130nm，周期范围要求为170-210nm；进一步的，所述周期性纳米结构2的排列形式可为方形阵列排布，也可为三角形阵列排布等；所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、直接沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、以及附着在光刻胶周期性纳米结构2外周的高吸收材料侧壁1-2；进一步的，所述高吸收材料底层1-3和高吸收材料纳米柱1-1的厚度t与光刻胶周期性纳米结构2的厚度h满足：h>t；进一步的，所述可见光高吸收材料层1的材料可选择锗等折射率虚部系数k>4的材料。本专利技术提出的一种可见光宽波段吸收器，其制作方法参阅图3，包括如下步骤：(a)基底3清洗：将基底3放入丙酮溶液中超声清洗，之后用乙醇超声清洗，最后用去离子水清洗，氮气吹干，放在热板上烘干；(b)涂覆光刻胶4：利用旋涂机、纳米辊压设备等在基底3上均匀涂覆一层光刻胶4，涂覆完毕后热烘，使光刻胶4固化；(c)光刻胶周期性纳米结构2制作：针对厘米级小尺寸的可见光宽波段吸收器采用电子束曝光、激光干涉式光刻等方法加工；针对大批量大面积的可见光宽波段吸收器采用纳米辊压等方法进行加工。(d)沉积可见光高吸收材料1：利用电子束蒸镀技术、磁控溅射技术或化学气相沉积技术等对上述基片沉积特定厚度的高吸收材料1，完成宽波段吸收器的制作。有益效果基底3为吸收器结构提供刚性支撑；周期性纳米结构2为增强共振吸收提供条件；高吸收材料介质层1可增强电磁共振能量吸收，在可见光范围内，折射率虚部系数k>4的材料对入射光具有很高的吸收效率；高吸收材料侧壁1-2可进一步将入射光局域在微纳结构内部，提高吸收效率；通过优化周期性纳米结构的几何尺寸，可以实现对可见光范围内的宽波段完美吸收，吸收率高达90％以上，覆盖整个可见光范围，且具有偏振无关、入射角不敏感等特性。其具体的效果总结如下：(1)本专利技术的吸收结构具有吸收效率高的优点，吸收效率在90％以上，覆盖范围为400-800nm可见光全波段；(2)本专利技术的吸收结构具有偏振无关特性；(3)本专利技术设计的吸收结构引入可见光高吸收材料，仅需单一结构尺寸便可实现宽波段吸收，且容许一定的结构尺寸误差，减小了设计及制作的复杂度。(4)本专利技术的吸收结构具有对入射光不敏感特性。附图说明图1为可见光宽波段吸收器的三维示意图图2为可见光宽波段吸收器的截面示意图图3为可见光宽波段吸收器的加工工艺流程图图4为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器的吸收光谱曲线图图5为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器在不同结构尺寸下的吸收光谱图图6为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器结构的侧壁影响分析图图7为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器在0-90度偏振态下的吸收光谱图图8为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器在不同入射角下的吸收光谱图图9为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器的吸收光谱曲线图图10为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器在不同结构尺寸下的吸收光谱图图11为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器结构的侧壁影响分析图图12为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器在0-90度偏振态下的吸收光谱图图13为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器在不同入射角下的吸收光谱图其中1-1.高吸收材料纳米柱；1-2.高吸收材料侧壁；1-3.高吸收材料底层；2.光刻胶周期性纳米结构；3.基底；4.光刻胶；t为高吸收材料层厚度；h为光刻胶厚度；P为周期性纳米结构阵列的周期；D为纳米结构的直径。具体实施方式实施例1：本专利技术实施的基于电子束曝光方法制作的的小尺寸厘米级可见光宽波段吸收器结构参阅图1和图2。器件主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1；所述基底3选择硅基底；所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列；进一步的，所述光刻胶周期性纳米结构2所用光刻胶可选用正胶，也可选用负胶；进一步的，所述周期性纳米结构2选择圆形柱；进一步的，所述周期性纳米结构2的排列形式选择方形阵列排布；所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、直接沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、以及附着在光刻胶周期性纳米结构2外周的高吸收材料侧壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见光宽波段吸收器，其特征在于，主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1；所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列。所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1‑3、直接沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1‑1、以及附着在光刻胶周期性纳米结构2外周的高吸收材料侧壁1‑2；所述高吸收材料底层1‑3和高吸收材料纳米柱1‑1的厚度t与光刻胶周期性纳米结构2的厚度h满足：h>t。

【技术特征摘要】
1.一种可见光宽波段吸收器，其特征在于，主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1；所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列。所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、直接沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、以及附着在光刻胶周期性纳米结构2外周的高吸收材料侧壁1-2；所述高吸收材料底层1-3和高吸收材料纳米柱1-1的厚度t与光刻胶周期性纳米结构2的厚度h满足：h>t。2.一种可见光宽波段吸收器，其特征在于，所述基底3材料为硅、玻璃或BOPET聚酯薄膜。3.一种可见光宽波段吸收器，其特征在于，所述周期性纳米结构2形状为圆柱直径为90-130nm，周期为170-210nm。4.一种可见光宽波段吸收器，其特征在于，所述周期性纳米结构2形状为方形柱，边长为90-130nm，周期为170-210nm。5.一种可见光宽波段吸收器，其特征在于，所述周期性纳米结...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞益挺，赵建村，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61