一种选择吸收滤光结构制造技术

一种选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，所述金属层的介电常数的虚部需大于介电常数的实部的绝对值。该滤光结构具有较高的吸收效率，且对入射光的角度和偏振态不敏感。同时制备工艺简单，易于实现。该结构可应用在太阳能电池中捕获更多的能量，也能为无油墨印刷中实现黑色提供解决方案，改变必须使用颜料才能实现黑色印刷的传统观念。

【技术实现步骤摘要】
一种选择吸收滤光结构
本专利技术涉及一种光学滤光元件，具体涉及一种选择吸收滤光结构，可应用于光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域。
技术介绍
选择吸收主要应用在隐身、热发射、光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域。如：（1）在印刷领域，传统的印刷技术是在纸张、塑料等材料表面通过不同颜色的油墨印刷出图像和色彩。存在的问题是：易于褪色，且油墨中包括芳香烃、重金属、苯、酮类等有害物质，在油墨的生产和印刷的过程中，对操作人员和环境的危害性很高。现有的设计主要集中于设计微纳米结构实现品红色、青色和黄色，对实现黑色的结构讨论很少。若想实现黑色，必须实现对宽波段（波长400～700nm范围）光的高效率吸收，且吸收特性对入射光的偏振态和入射角不敏感。（2）在太阳能电池领域，通过选择吸收，可以增强太阳光能量的捕获。人们采用打孔的金属膜、光栅结构和人工电磁介质材料等实现选择吸收。MarcusDiem等在PhysicsReviewB79,033101,2009中采用金属光栅-介质-金属膜三层结构实现了太赫兹波段宽角度窄带选择吸收。仇旻等针对可见光波段设计了基于金属光栅-介质-金属膜结构的窄带吸收器，该结构在特定波长（如583nm）实现选择吸收。2008年Landy[1]等实现了一种基于人工电磁介质材料的电磁谐振吸收器，通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数，能够与入射电磁波的电磁分量产生耦合，使得特定频率的电磁波既不产生反射也不产生透射，从而实现窄带选择吸收。专利“一种宽波段的近选择吸收结构”（200910243544.X）中提出采用金属球粒子-介质-金属膜三层结构，通过优化粒子的直径d及分布周期p，实现了吸收带宽的扩展，实现了可见光波段范围内的宽波段选择吸收。现有的技术存在的问题是：（1）设计的结构大都工作在单一波长，其它波长处吸收效率明显下降，但是对用于隐身、热发射以及能量转换来说宽带吸收更有使用价值；（2）对入射光的偏振态敏感，且在宽角度入射角变化范围吸收效率退化严重；（3）当前的选择吸收器主要针对微波段和太赫兹波段，主要应用在探测中，限制了在其它领域的应用。随着微纳米加工技术的发展，对可见光波段的吸收器的设计与制备将逐渐成为研究的热点。HonghuiShen等在太阳能电池中采用两层银光栅复合结构实现了400～600nm波段对入射角度不敏感的吸收。MehdiKeshavarzHedayati[2]等采用金属层和纳米混合物实现了从紫外到400～600nm波段几乎100%的吸收。这两种结构虽然实现了宽波段宽入射角变化范围选择吸收，但是制备工艺复杂。参考文献:[1]LandyNI,SajuyigbeS,MockJJ,SmithDR,PadillaWJ2008,Phys.Rev.Lett.,100,207402[2]MehdiKeshavarzHedayati,MojtabaJavaherirahim,BabakMozoonietc.,“DesignofaPerfectBlackAbsorberatVisibleFrequenciesUsingPlasmonicMetamaterials”,AdvancedMaterials,23,5410-5414,2011。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术的目的是提供一种针对可见光波段的宽带选择吸收滤光结构，在宽入射角度变化范围吸收效率高（大于75%，最高可达90%），且对入射光的偏振态不敏感。根据本专利技术的目的提出的一种选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，其中所述金属层的介电常数的虚部需大于介电常数的实部的绝对值。优选的，所述基底为透明柔性材料。优选的，所述金属层的材质为镍、铬或钛。优选的，所述介质微纳单元的排列为周期性或者准周期性排列。优选的，所述介质微纳单元的排列为周期性排列时，排列方式可以是四边形或蜂窝形，微纳单元的形状可以是纳米正方形柱子、纳米圆形柱子、纳米三角形柱子、纳米椭圆形柱子中的一种。优选的，所述介质微纳单元的周期小于400nm。本专利技术针对可见光波段，设计出一种宽波段选择吸收滤光结构，在宽入射角度变化范围吸收效率高（大于75%），且对入射光的偏振态不敏感。该结构由基底、介质光栅和金属膜构成，由于整个结构在宽波段范围内的等效阻抗与真空阻抗匹配，反射电磁被抑制，且由于金属层的厚度较厚，电磁波也无法透射，从而形成宽带选择吸收。该结构只需在基底上制备介质光栅，再镀金属膜即可实现，制备工艺简单，易于实现。该结构可应用在太阳能电池中捕获更多的能量，也能为无油墨印刷中实现黑色提供解决方案，改变必须使用颜料才能实现黑色印刷的传统观念。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术设计的选择吸收滤光结构的剖面结构示意图。图2A-2C为本专利技术实施例中选择吸收滤光结构的四边形排列的纳米正方形柱子、四边形排列的纳米圆形柱子和蜂窝形排列的纳米圆形柱子示意图。图3为本专利技术实施例一中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。图4为本专利技术实施例一中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。图5为本专利技术实施例二中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。图6为本专利技术实施例二中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。图7为本专利技术实施例三中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。图8为本专利技术实施例三中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。图9为本专利技术实施例四中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱与入射波长、周期的关系图。图10为本专利技术实施例四中选择吸收滤光结构的TE光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。图11为金属镍在可见光波段的介电常数关系图。图12为金属铬在可见光波段的介电常数关系图。图13为本专利技术第五实施方式中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱图。图14为本专利技术第六实施方式中选择吸收滤光结构的TM光的吸收光谱图。图15为金属铝在可见光波段的介电常数关系图。图16为比较例中选择吸收滤光结构的吸收光谱、反射光谱和透射光谱图。具体实施方式本专利技术提出的选择吸收滤光结构的剖面结构如图1所示，包括基底110、介质微纳单元120和金属层130。该基底110为柔性透明材料，比如聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚丙烯（BOPP）等。在基底110为柔性材料的情况下，可以使用卷对卷纳米压印的方式，方便整个滤光结构的制作。介质微纳单元的排列为周期性或者准周期性排列，介质微纳单元的排列为周期性排列时，排列方式可以是四边形、蜂窝形等，微纳单元的形状可以是纳米正方形柱子（光栅）、纳米圆形柱子、纳米三角形柱子、纳米椭圆形柱子等。例如：四边形排列的纳米正方形柱子参见图2A，四边形排列的纳米圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，其特征在于：所述金属层的介电常数的虚部需大于介电常数的实部的绝对值。

【技术特征摘要】
1.一种针对可见光波段的宽带选择吸收滤光结构，包括：基底，位于基底上的介质微纳单元，位于介质微纳单元上的金属层，金属层全覆盖在介质微纳单元上，即介质微纳单元的脊部、槽部以及侧壁上都覆盖有金属层，其特征在于：所述介质微纳单元的排列为周期性或者准周期性排列，所述介质微纳单元的周期小于400nm，所述介质微纳单元的占空比为0.4，所述介质微纳单元厚度为100nm，所述金属层的厚度小于介质微纳单元槽宽的一半，且所述金属层处于可见光波段时的介电常数...

【专利技术属性】
技术研发人员：周云，陈林森，申溯，叶燕，
申请(专利权)人：苏州大学，苏州苏大维格光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：