[發明專利]適用于任意波長的選擇性吸收/發射器件構造方法及系統

有效

• 申請號: 202010475596.6
• 申請日: 2020-05-29
• 公開（公告）號: CN111580268B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 趙長穎;劉夢琦
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種適用于任意波長的選擇性吸收/發射器件構造方法及系統，包括：步驟S1：將亞波長尺度的介電光柵層和高反射基底層構建成設定結構；步驟S2：選擇介電光柵的幾何尺寸，包括寬度w和厚度t，滿足一定倍數關系；步驟S3：將周期沿著x方向，使得入射光為p偏振，入射波矢沿y軸負方向，入射電場E_x沿著x方向，入射磁場H_z沿z方向，其中，p為亞波長尺度光柵結構的周期；步驟S4：設定結構能有效地將電磁輻射能量集中在光柵平面內。本發明解決了現有的吸收(發射)器件依賴于貴金屬材料或者多層膜結構造價和尺度較大的問題。

技術領域

本發明涉及選擇性吸收/發射器件技術領域，具體地，涉及一種適用于任意波長的選擇性吸收/發射器件構造方法及系統。

背景技術

選擇性的發射/吸收器的設計在太陽能電池、熱光伏、輻射制冷、氣體探測等領域都有著廣泛應用。近年來，超材料、超表面等的興起為高性能吸收/發射器件的設計提供了全新的平臺，研究者們的目光集中在光子晶體、多層膜結構、金屬-介電-金屬的MIM結構以及雙曲超材料甚至二維材料上，通過激發磁激子、表面等離激元或表面聲子極化激元從而實現在特定波長下的完美吸收。盡管吸收/發射器的研究已取得了一定的成果，但目前仍面臨著一些問題和挑戰：(1)首先，大部分研究設計得到的高發射/吸收特性依賴于材料自身的光學特性，如表面等離激元和表面聲子極化激元，其受限于特定材料的特定波段；(2)其次，目前吸收/發射器件設計所用材料多集中于如金、銀、鎢等金屬或碳化硅等極性材料，或者六方氮化硼以及石墨烯的新型材料等，這些材料的加工成本較高，與半導體材料如硅、鍺等相比加工工藝尚不是很成熟，因此短時間內很難應用于實際；(3)此外，面對設備尺度日益微型化的需求，所設計的吸收/發射器件的尺寸大小對吸收性能的影響分析還比較少，特別是對于常用的周期性結構，周期的個數以及實際加工中周期的變化都是在設計中需要考慮的因素。高介電常數材料，如硅、鍺等，其因光學損失較低一直未受到吸收/發射器研究者的青睞，但實際上，其高階電磁模態激發能力在高吸收特性方面也具有巨大的潛力，并且其半導體加工工藝相對成熟且易于與現有系統集成，優勢明顯。本發明即是基于常用的介電材料提出一種適用于任意波長的選擇性完美發射/吸收器的設計原則，解決上述技術難題。

專利文獻CN106025051B公開了一種發射輻射的半導體器件及其制造方法，該半導體器件具有芯片連接區(3)，發射輻射的半導體芯片(1)，以及光吸收材料(4)，其中發射輻射的半導體芯片(1)固定在芯片連接區(3)處，芯片連接區(3)在所述芯片連接區沒有被發射輻射的半導體芯片(1)覆蓋的位置處用該光吸收材料(4)覆蓋，以及發射輻射的半導體芯片(1)局部地沒有光吸收材料(4)。該專利在性能上仍然有待提高。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種適用于任意波長的選擇性吸收/發射器件構造方法及系統。

根據本發明提供的一種適用于任意波長的選擇性吸收/發射器件構造方法，其特征在于，包括：

步驟S1：將亞波長尺度的介電光柵層和高反射基底層構建成設定結構；

步驟S2：欲實現目標工作波長λ的高吸收(發射)特性，選擇介電光柵的幾何尺寸，包括寬度w和厚度t，滿足一定倍數關系；

步驟S3：將周期沿著x方向，使得入射光為p偏振，入射波矢沿y軸負方向，入射電場E_x沿著x方向，入射磁場H_z沿z方向，其中，p為亞波長尺度光柵結構的周期；

步驟S4：在滿足上述設計要求后，設定結構能有效地將電磁輻射能量集中在光柵平面內，從而實現在目標波長下高吸收(發射)特性；在本發明提出的有效區域內合理選擇設定光柵尺寸(w，t，p)，獲取適用于任意波長的選擇性吸收/發射器件。

優選地，所述步驟S1包括：