[发明专利]一种基于硅基衬底的纳米整流天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于硅基衬底的纳米整流天线，属于光电子学和纳米科学技术领域。

背景技术

将辐射光转化成电能的装置主要有传统光伏器件、纳米整流天线和热功率器件等。由可接收光的纳米天线和金属-绝缘体-金属(MIM)二极管组成的纳米整流天线制作成本低、结构简单，且能够实现红外光波段的整流，因而具有十分广阔的应用前景。目前实验报道的整流天线的光电转换效率很低，只有0.1～1％，另外，对于整流天线的转化效率的理论研究还不够完善，因此从研制高效纳米整流天线具有十分重要的意义。

整流天线充分应用了光的波动性原理，即入射电磁波辐射源的电场能够在导体中产生一个随时间变化的高频交流电(AC)，通过天线实现对太阳光的高效耦合作用向传输线输出交流电，经过MIM隧道结后经整流而产生直流电流(DC)，直流电极与外接负载相连接后，即可实现能量转移。但由于在高频下电磁波的趋肤效应等因素会导致产生的交流电在传输线上出现较大的损耗，而导致最终得到的整流天线的效率较低，因此从理论上设计一个较好的具有光电响应的整流天线，并在定量计算其光电转换效率的基础上，探索不同响应波段的转化效率是一个较为突出的难题。

根据现有的理论计算背景，设计这种纳米整流天线需要克服的主要难点有：1.推导出一套准确的、可用于计算光电转化效率的理论公式；2.在整流天线的设计上要使整流器与天线系统匹配；3.将天线置于不同衬底时，需探索衬底对整流天线的光电行为和转换效率的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于硅基衬底的纳米整流天线，克服现有整流天线实验中光电转换效率较低的问题、以及完善将整流天线置于不同衬底时对转换效率影响的理论研究。

本发明的技术方案是：一种基于硅基衬底的纳米整流天线，包括左臂、右臂、整流器以及衬底；所述左臂与右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整流器，且三者一体成型；

所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形；所述纳米天线左臂材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一种；所述纳米天线右臂材质选取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一种；所述整流器中的绝缘体材料选取NiO、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、V₂O₅、V₂O₃、CoO、Al₂O₃、CuO、SiO₂、钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐中的任意一种；左臂外沿至右臂外沿的距离为1～10μm，左臂内沿至右臂内沿的距离为50～500nm，左臂辐射体与右臂辐射体在靠近交叉点处的张角均为15～120°，纳米天线厚度为50～300nm，所述整流器中的绝缘体厚度为2～15nm；所述整流器中的绝缘体与金属层的接触面积为100nm²～1μm²；

将上述纳米天线置于衬底上；所述衬底面积为1μm²～1cm²；材料选取空气、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氧化锌中的任意一种。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是综合现有理论计算方法，采用三维电磁场数值计算方法，设计了一种基于衬底选择的纳米整流天线，并获得了较好的光电性能。本发明采用的是金属-绝缘体-金属二极管结构的一体化整流天线，相对于现有理论上的设计思想和实验上的制备方法，主要的改进有三点：

一是整流天线的结构。首先天线的形状设计为蝴蝶结，主要是由于蝴蝶结天线相对其它天线结构具有最大的尖端效应，这样能激发出更强的局域场；其次是将MIM二极管精确地连接到纳米天线中，并精确控制各个尺寸参数，形成完整的整流天线一体化结构，这种模型建立方式不同于传统的理论方法。

二是理论计算使用的方法。本发明使用的方法是三维电磁场数值计算方法，优先选择有限元方法，该方法不仅能计算天线间隙处的局域场增强，更重要的是，可以通过自定义函数的形式，实现对目标函数的编码进行程序输出。

三是整流天线的效率计算。首先给出了理论公式的推导，并且发现整流天线的光电转换效率随着衬底折射率增加而增大，该设计方法有望用于指导实验，制备出具有高效率的纳米整流天线。