[發(fā)明專利]一種寬波段光全吸收器及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410810447.5
• 申請(qǐng)日: 2014-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104656170A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉正奇;劉桂強(qiáng);邵輝柏;劉曉山;黃珊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B5/00
• 分類號(hào): G02B5/00
• 代理公司: 無(wú)
• 代理人: 無(wú)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)、材料和能源等多個(gè)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬-介質(zhì)材料的寬波段光譜多帶光全吸收器及其制備方法。

背景技術(shù)

寬波段光全吸收器是實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能光譜吸收與寬頻帶光電探測(cè)的一個(gè)必備元件，它可以實(shí)現(xiàn)在特定波段或超寬波段光譜范圍內(nèi)的光波能量的吸收，其原理一般是等離激元共振、介質(zhì)導(dǎo)波模式和光譜相位耦合或相干等現(xiàn)象引起光波的共振吸收或捕獲現(xiàn)象。

表面等離激元的概念是金屬自由電子在外加光波照射下引起的集體振蕩，導(dǎo)致電磁場(chǎng)局域在金屬表面并產(chǎn)生電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，從而形成表面等離激元（Surface?plasmons）。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)表面的周圍介質(zhì)折射率發(fā)生變化時(shí)，在光波場(chǎng)激發(fā)下的表面等離激元共振（Surface?plasmon?resonance,?SPR）會(huì)呈現(xiàn)明顯的光譜響應(yīng)，因而，基于SPR的金屬結(jié)構(gòu)可以作為能源、光電探測(cè)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的核心元器件。

傳統(tǒng)的基于SPR的光全吸收器是利用特定結(jié)構(gòu)尺寸的超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)在單一工作波長(zhǎng)的光全吸收，此類體系基于的是金屬納米結(jié)構(gòu)與底層金屬膜層之間的磁共振與金屬納米結(jié)構(gòu)本身的電共振模式之間的疊加耦合，從而獲得在同一波長(zhǎng)處的光波能量中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)能量的吸收進(jìn)而實(shí)現(xiàn)此一波長(zhǎng)處的共振光全吸收?[200910243544.X;?200580016934.3]。由于此類結(jié)構(gòu)是基于電共振與磁共振模式的耦合，因而體系只能在一個(gè)特定波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)光全吸收。今年來(lái)，為了獲得寬波段的光全吸收器，此類結(jié)構(gòu)體系通過(guò)構(gòu)建多個(gè)亞共振單元在同一個(gè)結(jié)構(gòu)單胞內(nèi)從而有效獲得基于各個(gè)亞共振單元提供的單一波長(zhǎng)共振吸收在光譜上的疊加展寬的寬帶光全吸收效應(yīng)。然而，此類體系所需的高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸要求導(dǎo)致其制備技術(shù)往往過(guò)于復(fù)雜。所采用的技術(shù)包括電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕等非常高精密的儀器手段，這直接導(dǎo)致此類寬波段光全吸收器在獲取大面積和低成本的結(jié)構(gòu)制備上具有非常大的困難，更導(dǎo)致其無(wú)法有效獲得在工藝生產(chǎn)上的應(yīng)用。此外，為了獲得在可見(jiàn)光頻帶的光全吸收器，基于此類體系的結(jié)構(gòu)制備需要進(jìn)一步精確在納米級(jí)別的結(jié)構(gòu)刻蝕與組合，從而導(dǎo)致技術(shù)難度更大可操作性更低。

傳統(tǒng)的基于介質(zhì)膜層或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光全吸收器是利用此類體系的光學(xué)模式實(shí)現(xiàn)符合一定波長(zhǎng)的光波耦合和捕獲進(jìn)而受限于介質(zhì)膜層或波導(dǎo)膜層?[201210146948.9]。然而單一的平整介質(zhì)膜層或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)往往只能提供特定波長(zhǎng)的耦合，因而難以獲得寬波段的光吸收。近期，有研究通過(guò)加工介質(zhì)膜層或介質(zhì)球體結(jié)構(gòu)，從而獲得在空間維度上具備的介電常數(shù)的分布特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)復(fù)合的介質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中獲得多個(gè)頻帶的光吸收的疊加。然而，此類體系的寬波段光全吸收僅僅局限于介質(zhì)體系中的光吸收，難以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能吸收或光電轉(zhuǎn)換與探測(cè)所需的金屬電極以及光電子產(chǎn)生與收集的必備的結(jié)構(gòu)特性。因此，這里寬波段光全吸收體系依然局限于光波的抗反射特性。

因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有寬波段光全吸收并僅僅依賴于簡(jiǎn)單易操作且可以大面積工藝生產(chǎn)的金屬-介質(zhì)復(fù)合體系對(duì)于解決現(xiàn)有過(guò)于復(fù)雜光全吸收結(jié)構(gòu)或不利于太陽(yáng)能吸收特性的純介質(zhì)結(jié)構(gòu)所面臨的難題將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了提供一種具有寬波段光全吸收的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)體系的制備方法。

本發(fā)明的寬波段光全吸收器，它包括自下而上的平整無(wú)縫金屬膜基底、介質(zhì)膜層和金屬納米顆粒膜層。所述金屬膜層和介質(zhì)膜層可采用物理或化學(xué)沉積方法在玻璃或硅襯底上沉積得到。所述的金屬納米顆粒膜層可以通過(guò)控制物理沉積法的沉積速率以及沉積時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是基于通過(guò)濺射和離子束刻蝕靶材進(jìn)行金屬膜層沉積過(guò)程中會(huì)在金屬膜層厚度很薄（厚度小于10?納米）時(shí)，會(huì)逐步呈現(xiàn)微小納米顆粒到大尺寸納米顆粒并過(guò)渡到團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。這些體系可以自然而然地構(gòu)成金屬納米結(jié)構(gòu)。

所述的金屬膜層以及金屬納米陣列的成分包括金、銀、鉑、銅、鋁中的一種或幾種混合物。所述的金屬膜層基底和介質(zhì)膜層的厚度在>50納米和介質(zhì)膜層的厚度為10-200納米之間。所述的金屬納米顆粒膜層厚度在0-15?nm范圍，納米顆粒大小處于5-200?nm范圍，相鄰金屬納米顆粒大小間距處于0-20?nm范圍。

本發(fā)明所述的具有寬波段光全吸收的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)體系的制備方法包括以下步驟：

（1）通過(guò)物理或化學(xué)沉積法在平整襯底表面沉積金屬膜層；

（2）在步驟（1）中所得的金屬膜層上通過(guò)物理或化學(xué)沉積法在平整襯底表面沉積介質(zhì)膜層；

（3）利用物理沉積方法包括氬離子濺射或磁控濺射等方法在步驟（2）中獲得的結(jié)構(gòu)上沉積特定厚度的金屬膜層即金屬納米顆粒膜層結(jié)構(gòu)。