一种纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器制造技术

技术编号：40027909 阅读：10 留言：0更新日期：2024-01-16 17:47

本发明专利技术公开了一种纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，各纳米锥单元包括生长在SiO<subgt;2</subgt;衬底上的InP锥体，InP锥体内部嵌套三层堆叠结构，由下往上依次为Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;矩体、Cr矩体和Au锥体。对结构参数进行优化后，波长从紫外到近红外，在吸收带200‑820nm中实现了0.979的平均吸收，并且吸收从820nm波长处的0.95急剧下降到1880nm波长处的0.1，在非吸收带1880‑4000nm波段内的平均吸收仅为0.035，其中消光比为9.78dB，消光差为0.85，截止斜率为0.234 nm<supgt;‑1</supgt;。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学超材料吸收器，具体涉及一种完美吸收器。

技术介绍

1、超材料的机械、光学、热学、声学和电子性能等方面都显示了天然材料所不能实现的超自然物理行为。如可调刚度或者泊松比、操控电磁波或者弹性波、拓扑与可编程等形式，这些显著的优势推动了超材料作为新的研究领域的发展并成为一个全新的研究方向[1]。理想的光学超材料吸收器（pomma）利用固有损耗，借助于适当的结构设计，可以在一定的波长范围内实现近乎一致的吸收[2]。完美吸收器就是一个理想化的光学装置，它不仅能够消除透射，而且能够消除反射，也就是说该吸收器能够吸收所有入射光。

2、很多应用场合都要求吸收带与非吸收带间存在显著的吸收截止现象。截止吸收效率可用消光比er=10*log(aa/an)db来表示，其中aa是吸收带中最小的吸收，an是非吸收带中最大的吸收；消光差ed=aa-an；截止斜率cs=(aa-an)/(λa-λn)，λa是吸收带中最大波长/最小波长，λn是非吸收带中最小波长/最大波长。理想的er、ed和cs都应该尽可能大一些。在宽带吸收体的研究方面，上述工作已取得巨大进展，但是未考虑到截止效率的影响，而截止斜率对应用是非常重要的。

3、[1]jiang s, liu x, liu j, ye d, duan y, li k, yin z, huang y.flexible metamaterial electronics. adv mater. 2022 dec;34(52):e2200070.

4、[2]z. vafa

技术实现思路

1、专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，在紫外至近红外区间有较高吸收且在任意长度大于截止波长的区间内吸收率几乎为零。

2、技术方案：一种纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，各纳米锥单元包括：生长在sio2衬底上的inp锥体，所述inp锥体内部嵌套有堆叠结构，由下往上依次为cr矩体和au锥体。

3、进一步的，所述述inp锥体内部，位于cr矩体下方还设有si3n4矩体。

4、进一步的，所述inp锥体为四棱锥，四棱锥的底边长与纳米锥阵列的周期均为p，四棱锥的高度为h4；所述cr矩体的底边长为a2，高度为h2；所述au锥体为四棱锥，底边长为a3，高度为h3；其中a2=65nm，a3=36nm，h2=250nm，h3=117nm，h4=590nm，p=300nm。

5、进一步的，所述si3n4矩体的底边长为a1，高度为h1；其中a1=184nm，h1=70nm。

6、有益效果：根据光学吸收的原理，结构对不同波长的光的吸收率与结构本身的尺寸相关，通常越大的结构对应的峰值吸收率出现在越长的波长。本专利技术的一种纳米锥阵列结构的长波截止完美吸收器，外层inp结构从上至下逐渐变大，因而对于该外层结构而言，其不同高度处结构尺寸不同，所对应的吸收率峰值波长就不同，从而尽可能地提升了吸收带宽。而对于更长波长的入射光，结构尺寸有限，不足以形成有效吸收，因而在非吸收带实现了低吸收率。内部的金与铬结构分别形成阵列，由于其形状、参数、材料特性均不同，分别会在不同波段形成强共振从而形成吸收带，从而进一步加强整体结构的吸收。同时，这两种阵列本身的尺寸较小，在波长过大时由于结构尺寸远小于入射波长，因而无法产生共振，因此无法产生强吸收，有利于长波段非吸收带的形成。

7、氮化硅结构在本吸收器中并未起到明显作用，这里使用氮化硅结构是因为其常出现在金属-半导体光电转换系统中。考虑到该结构将来可能应用于光电转换体系，本专利技术提前加入了氮化硅并验证了在氮化硅作用下吸收率依然保持在高水平，为后续将该结构应用在光电转换体系中做好准备。

8、本专利技术的一种纳米锥阵列结构的长波截止完美吸收器，经过参数优化后，其在200-820nm波段内实现了0.979的平均吸收，而在非吸收带1880-4000nm波段内的平均吸收仅为0.035，展现出了卓越的性能表现。本专利技术所提出的吸收器中er为9.78db，ed为0.85，cs为0.234nm-1。

9、与传统的全反射型吸收器相比，这种新型的光学元件可以使其对入射光波长范围更加灵活地进行选择，从而达到更好的性能要求。本专利技术所提出的吸收器为太阳热吸收器的理想设计提供了一种高效的途径，这在可再生能源领域，如太阳热光电和太阳热能应用方面具有至关重要的应用。

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【技术保护点】

1.一种纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，各纳米锥单元包括：生长在SiO2衬底上的InP锥体，所述InP锥体内部嵌套有堆叠结构，由下往上依次为Cr矩体和Au锥体。

2.根据权利要求1所述的纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，所述述InP锥体内部，位于Cr矩体下方还设有Si3N4矩体。

3.根据权利要求1或2所述的纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，所述InP锥体为四棱锥，四棱锥的底边长与纳米锥阵列的周期均为P，四棱锥的高度为h4；所述Cr矩体的底边长为a2，高度为h2；所述Au锥体为四棱锥，底边长为a3，高度为h3；其中a2=65nm，a3=36nm，h2=250nm，h3=117nm，h4=590nm，P=300nm。

4.根据权利要求3所述的纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，所述Si3N4矩体的底边长为a1，高度为h1；其中a1=184nm，h1=70nm。

【技术特征摘要】

1.一种纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，各纳米锥单元包括：生长在sio2衬底上的inp锥体，所述inp锥体内部嵌套有堆叠结构，由下往上依次为cr矩体和au锥体。

2.根据权利要求1所述的纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，所述述inp锥体内部，位于cr矩体下方还设有si3n4矩体。

3.根据权利要求1或2所述的纳米锥阵列结构长波截止完美吸收器，其特征在于，所述inp锥体为四棱...

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

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