一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器，包括SiO2衬底，SiO2衬底上设有直径为d的纳米孔阵列，各纳米孔中设有直径为d的纳米柱；纳米孔包括光刻胶层、TiN层、TiO2层和MgF2层，纳米柱包括TiN层、TiO2层和MgF2层，光刻胶层、TiN层、TiO2层MgF2层的高度依次为h1、h2、h3、h4，且满足h1<h2<h3<h4。本结构实现了从UV到NIR波段的超宽带超表面完美吸收器，在300nm至1500nm的波段范围内，实验中偏振无关的平均吸收率为0.90，且在710nm波长处实现了4％的IPCE，在400nm到1500nm波段范围内的平均IPCE为2.86％。围内的平均IPCE为2.86％。围内的平均IPCE为2.86％。

【技术实现步骤摘要】
一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器


[0001]本专利技术涉及一种完美吸收器(MBPA)。

技术介绍

[0002]完美吸收器是一种能够在指定波段将光波完全吸收的器件。工作在紫外(UV)到红外(IR)波段的完美吸收器被广泛应用于结构色生成、高灵敏度检测、太阳能转换、高响应光电检测。特别是等离子金属中的吸收可有效产生热电子，而热电子可以通过金属与半导体形成的肖特基结收集。能量大于肖特基势垒高度的热电子可以注入半导体导带产生光电流，打破了经典半导体光电探测器的带隙限制。除了光电探测，等离子体金属中产生的热电子在光催化、纳米成像和折射率传感等领域也引起了广泛关注。一个例子是金属
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二氧化钛(TiO2)系统，它可以激发强表面等离子体(SPs)共振，大大提高热电子收集和光电转换的效率。Tian等人将TiO2纳米孔与金(Au)或(Ag)纳米粒子掺杂，激发了SPs共振。在可见光入射下，热电子在金属纳米颗粒中被激发。测得的吸收和光电转换效率与理论值非常吻合。Fang等人在TiO2薄膜中嵌入Au纳米天线以激发SPs共振。与没有Au纳米天线的结构相比，光吸收明显提高，光响应提高2至10倍。然而，由金属纳米结构(尤其是贵金属)激发的SPs共振通常只在特定波长或非常窄的带宽吸收光并产生热电子。此外，贵金属的肖特基势垒高，阻碍低能热电子的收集。此外，通常使用的贵金属价格昂贵且稀少，这是大面积实际应用的一个难题。此外，在大多数情况下，对于热电子发射过程，只有一小部分热电子位于动量空间的逃逸锥内，能完成转移过程，导致入射光子到电子的转换效率(IPCE)较低。因此，将电场集中在金属/半导体界面以确保热电子在肖特基结附近产生并被低能肖特基势垒收集的宽带完美吸收器具有重要意义。
[0003]大多数异质结构都是用贵金属设计的，因为金属
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半导体结构可以通过激发等离子体共振来增强光伏和光催化。然而，与金属
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半导体体系相比，金属氮化物
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半导体体系因其低能界面势垒、耐高温、抗氧化和更好的宽带吸收性能等优点而受到越来越多的关注，Naldoni等人证明了，在500nm到1200nm的波段内，与Au颗粒
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TiO2系统相比，氮化钛(TiN)颗粒
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TiO2系统的效率可以提高两倍以上。G
ü
sken等人也证明了TiN
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硅(Si)系统的光电转换效率也远高于金属
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Si系统。可见，TiN等金属氮化物相对于贵金属具有独特的优势，在热电子光催化体系中具有巨大的潜力。然而，对金属氮化物
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半导体体系的研究仍然有限，大多集中在平板或纳米颗粒结构上。目前仍需要宽带和完美吸收器件以进一步提高光转换效率。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器，在可见光到近红外波段的宽光谱带上提高光转换效率。
[0005]技术方案：一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器，包括SiO2衬底，所述SiO2衬底上设有直径为d的纳米孔阵列，各纳米孔中设有直径为d的纳米柱；在所
述SiO2衬底上，所述纳米孔由下至上依次包括高度为h1的光刻胶层、高度为h2的TiN层、高度为h3的TiO2层和高度为h4的MgF2层，所述纳米柱由下至上依次包括高度为h2的TiN层、高度为h3的TiO2层和高度为h4的MgF2层，且满足h1<h2<h3<h4。
[0006]进一步的，d＝220nm，h1＝70nm，h2＝82nm，h3＝88nm，h4＝130nm。
[0007]进一步的，所述纳米孔阵列的周期p＝250nm。
[0008]有益效果：本专利技术的一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器，实现了从UV到NIR波段的超宽带超表面完美吸收器。在300nm至1500nm的波段内实现了理论值0.921和实验值0.900的平均吸收率。电场集中在非常靠近材料TiN和TiO2界面的区域，因而更适合热电子的传输。此外，通过将TiN层嵌入到TiO2中形成三维肖特基势垒，增加了热电子动量空间以实现热电子注入。根据密度泛函理论(DFT)的电子态密度(EDOS)计算的初始热电子能量分布表明，大多数热电子的能量高于肖特基势垒的高度。计算该器件用于TiN
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TiO2热电子光电转换系统的效率，在710nm波长处IPCE为4％，高于TiN/TiO2核壳纳米粒子系统中的1.5％，在400nm到1500nm波段范围内的平均IPCE为2.86％。
附图说明
[0009]图1为本专利技术MBPA的立体结构示意图；
[0010]图2为图1中MBPA的单位单元的剖面结构示意图；
[0011]图3为本专利技术MBPA优化结构的吸收光谱理论值曲线；
[0012]图4为本专利技术MBPA去掉MgF2层和TiO2层的吸收光谱层；
[0013]图5为本专利技术MBPA去掉MgF2层的吸收光谱层；
[0014]图6为本专利技术MBPA的吸收光谱；
[0015]图7为本专利技术MBPA沿z＝76nm在710nm波长处切割的x
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y平面的电场俯视图；
[0016]图8为本专利技术MBPA的制造工艺流程图；
[0017]图9为本专利技术PMMA的扫描电子显微镜(SEM)照片；
[0018]图10为电场在710nm波长处的的侧视图；
[0019]图11为热电子产生率在710nm波长处的的侧视图；
[0020]图12为热电子传输概率在710nm波长处的的侧视图；
[0021]图13为TiN材料中的态密度；
[0022]图14为不同能量光入射下的热电子初始能量分布图；
[0023]图15为Φ
B
＝0.1eV预测的IPCE；
[0024]图16为Φ
B
＝0.1eV预测的光响应。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0026]如图1、图2所示，一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器，包括SiO2衬底，SiO2衬底上设有直径为d的纳米孔阵列，各纳米孔中设有直径为d的纳米柱。其中，在SiO2衬底上，纳米孔由下至上依次包括高度为h1的光刻胶(PMMA)层、高度为h2的TiN层、高度为h3的TiO2层和高度为h4的MgF2层，纳米柱由下至上依次包括高度为h2的TiN层、高度为h3的TiO2层和高度为h4的MgF2层，且满足h1<h2<h3<h4。
[0027]如图1、图2所示，由于纳米柱相较于纳米孔少去了底部的PMMA层，即在整个器件顶部呈现了高度为h1且直径为d的圆孔阵列，且周期为p。结构中，参数需满足h1<h2<h3<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于热电子光转换的宽带偏振无关超表面完美吸收器，其特征在于，包括SiO2衬底，所述SiO2衬底上设有直径为d的纳米孔阵列，各纳米孔中设有直径为d的纳米柱；在所述SiO2衬底上，所述纳米孔由下至上依次包括高度为h1的光刻胶层、高度为h2的TiN层、高度为h3的TiO2层和高度为h4的MgF2层，所述纳米柱由下至上依次包括高度为h2的TiN层、高度为h3的TiO2层和高度为h4...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱沁宇，张程，李孝峰，王钦华，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：