基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法技术

本申请公开基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法。该可见光宽带完美吸收器，包括：基底，所述基底自下而上依次层叠设置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层，基于等效光学导纳等于空气的原理，实现了零反射率的效果，高反射金属膜层使得透过率为零，从而使可见光宽带完美吸收器实现覆盖可见光波段的“完美吸收”，该光完美吸收器在可见光波段可以实现超过99％的吸收率，且对于入射角度和光的偏振性不敏感，结构工艺简单、成品率高，适用于大面积制备。备。备。

【技术实现步骤摘要】
基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法


[0001]本专利技术属于光电
，涉及一种用于可见光波段的平面多层陷光结构及制备方法,具体涉及一种基于过渡金属超薄膜的可见光宽带完美吸收器及其制备方法。

技术介绍

[0002]高性能的光学吸收器具有广阔的应用场景，吸收器根据其吸收光的波段不同可以应用于诸多领域，如通讯、探测、太阳能收集、隐身、目标识别等。
[0003]目前常见的吸收器主要有法布里
‑
珀罗谐振腔吸收器以及超材料吸收器，法布里
‑
珀罗谐振腔吸收器是基于金属
‑
电介质
‑
金属(MIM)的谐振腔结构构建的，两个金属反射层由无损介质层间隔开。常规的法布里
‑
珀罗型吸收器至少具有四分之一波长的厚度，这会限制其在较长波长下的应用前景，并且该结构的吸收器具有较大的角度依赖性。尽管可以将顶层高损耗层替换为亚波长大小的图案化结构，这种超材料吸收器可以极大地减小薄膜厚度，但需要光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制。如何有效抑制反射是实现完美吸收光的关键。
[0004]现有的一些宽带吸收器吸收往往只有一种共振波长，吸收带较窄。此外，这些吸收器体系存在一些缺陷，如吸收带窄、吸收效率低、结构复杂、厚度过高和需要光刻技术等。因而设计并实现宽带范围的完美吸收并能够通过简易的制备方式实现大面积批量生产成为了研究热点。

技术实现思路

[0005]为解决吸收带窄、吸收效率低、结构复杂的缺陷，本申请的目的在于：提出一种对入射角度不敏感的可见光波段的宽带完美吸收器，该宽带完美吸收器具有性能好，结构简单，可大面积制备的优点。
[0006]为实现上述目标本申请采用如下的技术方案：
[0007]基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构，平面多层结构自下而上依次配置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；所述的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值。
[0008]所述平面多层结构各层的材料和厚度由文化基因算法确定。
[0009]上述方案的工作原理为：
[0010]本专利技术中高反射金属膜层实现了半无限金属基底的作用，因此光不会穿透高反射金属膜层下方的基底，即吸收器的透射率T＝0；在短波长处，高反射金属膜层吸收了部分光，当波长较长时，入射光完全被过渡金属膜层吸收，而透明电介质中间层和透明电介质顶层在可见光波段基本无吸收；本专利技术中的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值，实现了整个可见光波段的阻抗匹配，降低了多层结构的反射率(最优结构为零反射)，即吸收器的反射率R＝0。由吸收器的吸收率公式A＝1
‑
R
‑
T可知本专利技术中的吸收器实现了完
美吸收的效果。通过对吸收器内部电场的仿真模拟进一步探究其内在机理(见附图3)，可以发现在入射光波长从400nm逐渐增加到800nm的过程中，完美吸收器中高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层各个层级的吸收分布及主要光吸收材料之间的过渡情况。
[0011]在本专利技术中，设计吸收器时使用了文化基因算法来选择材料和确定厚度。文化基因算法是一种基于混合整数规划的适用于多层光学薄膜结构优化的算法。该算法可以通过优化材料种类、层厚度和总层数来对多层薄膜结构进行优化，实现所需的光学性能。因为吸收器的吸收率A＝1
‑
R
‑
T,所以选择足够厚的底部金属层，因此光不会穿透金属层下方的基底。因此，该厚金属底层实际上实现了半无限金属基底的作用。为了实现超宽带近完美吸收，考虑了广泛的材料，包括电介质、金属和半导体。通过同时优化材料成分和层厚度的方法容易得到具有更宽的接近完美吸收的结构。通过这种方式来设计一种在所需波段内宽带吸收的平面多层结构完美吸收器，不仅实现了完美吸收的目标，也提高了设计器件的效率。
[0012]在本专利技术中，想要实现在可见光波段的宽带完美吸收，在尝试过不同的电介质、金属和半导体后，在通过文化基因算法设计多层膜结构的过程中，发现透明电介质和过渡金属的组合在可见光波段具有优异的性能。透明电介质的材料最优选择为MgF2，过渡金属膜层的材料最优选择为Cr，其它的过渡金属材料Ti和Pt本身在宽带内都具有高吸收特性，也可以作为可见光波段完美吸收器中过渡金属膜层的备选材料。
[0013]在本专利技术中，首次利用高反射金属膜层、过渡金属膜层和透明电介质膜层的结合，在可见光波段内，基于整个完美吸收器的等效光学导纳使得完美吸收器的等效导纳接近空气的光学导纳值，实现了整个可见光波段的阻抗匹配，降低了多层结构的反射率，从而使器件实现覆盖可见光波段的“完美吸收”，通常器件在某一波段范围内的平均吸收率超过90％即可被认为是达到了完美吸收，而本专利技术中的可见光完美吸收器在可见光波段可以实现超过99％的平均吸收率，即可被认为是达到了完美吸收的要求。利用紫外/可见/近红外分光光度计对完美吸收器在正入射和不同角度入射时的反射率进行测试，仪器的最大测量范围为8
°
～68
°
，因为仪器本身的设计原因，最小入射角8
°
即被认为是正入射。因为本专利技术中的完美吸收器利用高反射金属膜层实现对于可见光可以认为透射率为零，所以其吸收率可以被认为是A＝1
‑
R，只需测得样品反射率，即可计算出样品的吸收率。
[0014]进一步的，本申请中所述基底厚度为300～3000nm。
[0015]进一步的，本申请中所述基底材料为任意表面平整的硬性基底或柔性基底，过渡金属膜层的厚度不超过10nm。
[0016]进一步的，本申请中所述平面多层结构中高反射金属膜层的厚度为大于80nm,以保证可见光不会透过金属膜层；
[0017]进一步的，本申请中所述平面多层结构中高反射金属膜层的材料为Au或Cr。
[0018]进一步的，本申请中所述平面多层结构中透明电介质中间层和透明电介质顶层的材料为MgF2，厚度为75～90nm。
[0019]进一步的，本申请中所述平面多层结构中过渡金属膜层的材料为Cr,厚度为7～8nm。
[0020]进一步的，当入射光正入射基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，在波长350～850nm处的平均吸收率>99％。
[0021]进一步的，当入射光入射角度从0
°
上升至68
°
时，
[0022]在波长400～800nm处的平均吸收率>90％。
[0023]另一方面，本专利技术提供了基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器的制备方法，基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构，平面多层结构自下而上依次配置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；以平面多层结构的等效光学导纳等于空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构；平面多层结构自下而上依次配置：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；所述的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值。2.根据权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述基底的材料为任意表面平整的硬性基底或柔性基底，所述过渡金属膜层的厚度不超过10nm。3.根据权利要求1所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：还包括：粘附层，其介于高反射金属膜层与透明电介质中间层之间，所述粘附层材质包括：金属Ti。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于，所述高反射金属膜层的材质选自金、铬和铝中的至少一种，且厚度介于80～100nm。5.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，其特征在于：所述过...

【专利技术属性】
技术研发人员：张程，李昊宇，艾帅，李孝峰，孙倜，王钦华，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：