[发明专利]一种用于光电转换的非共面光学纳米天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光电转换的非共面光学纳米天线，属于纳米光学和电磁学技术领域。

背景技术

光学纳米天线是当前新兴的前沿领域，不同于传统天线电流驱动的远场—电流能量相互转换的工作原理，光学纳米天线的应用基于金属纳米颗粒在光波频率下的局域等离子体激元共振增强效应。具有共振增强效应的纳米天线能够极大地提高局域场，有效地收集光能，这使其在提高亚波长波导传输效率和太阳能平板的光电转换效率上有着广阔的应用前景。

目前光学纳米天线的主要形式多为球体、棒状或圆盘结构，结构较为简单，可调参数较少，且近场电能增强效果不理想。同时目前关于纳米天线的研究大多局限于独立的纳米天线本身性能的研究，而未考虑其与具体应用结构的连接问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，为了实现较强的近场电场性能增强效果，并在结构上更好地与转换电路连接兼容，提出了一种用于光电转换的非共面光学纳米天线。本发明将电磁学阵列用于光学纳米天线，其电场增强效果及十倍场增强带宽均能达到单元结构的数倍。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种用于光电转换的非共面纳米光学天线，包括介质板、上层天线臂、下层天线臂。

所述介质板采用二氧化硅，厚度为10nm-200nm，在此厚度范围内，介质板厚度越薄，近场电场增强效果越好。

所述上层天线臂由多个相同的蝴蝶结形单元及其连接引线组成。蝴蝶结形单元为偶极子天线，由两个顶角相对的中心对称的三角形或扇形辐射体组成，能在几何中心处产生增强的局域场。蝴蝶结形单元的材料为金、银、铜或碳纳米管。上层天线臂的所有蝴蝶结形单元位于同一平面，蝴蝶结形单元的排布方式为n行*l列(n和l为正整数)，其辐射体部分相互不接触。每行相邻的蝴蝶结形单元中心连线平行于介质板上下沿，每列相邻的蝴蝶结形单元中心连线平行于介质板左右沿。每个蝴蝶结形单元中心由引线引出，并联在一起，引线另一端汇聚于距介质板竖直对称轴0-250nm处。

所述上层天线臂和下层天线臂为镜像异面结构。上层天线臂和下层天线臂为左右镜像，分别紧贴于介质板上下面，三者紧密连接为一体。下层天线臂的每个蝴蝶结形单元中心由同样的引线引出。下层天线臂的引线汇聚点与上层天线臂的引线汇聚点分别紧贴于介质板上下表面，两点水平间距范围为0～500nm。

上层天线臂和下层天线臂的厚度相同，厚度范围为5～100nm，单个蝴蝶结形单元的水平长度范围为0.1～50um，宽度范围为0.05～25um。

本发明的工作过程为：水平极化的电磁波平行于天线臂中同一行相邻的两蝴蝶结形单元几何中心连线入射，可以在上层天线臂和下层天线臂的引线汇聚点之间得到电场增强效果。

有益效果

本发明提出了新型异面纳米天线结构和阵列布局，具有更好的工艺容差性，可广泛应用于太阳能电池光能转换利用效率的提高。将电磁学阵列应用于光学纳米天线，相比于其他形式的纳米天线，极大提高了近场电场增强效果，展宽了场增强带宽。非共面结构避免了工艺上两电极短路而导致的近场增强骤降问题，改善了工艺容差性，为后续转换电路的连接提供了便利。

附图说明

图1是本发明非共面光学纳米天线的分层结构示意图；

图2是本发明非共面光学纳米天线的俯视图；

图3是本发明非共面光学纳米天线的侧视图；

图4是本发明的优选实施例与蝴蝶结单元的场增强幅度对比图；

图5是本发明优选实施例与共面结构的场增强幅度对比图；

标号说明：1—上层天线臂，2—介质板，3—下层天线臂。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

由图1可以看出，本发明包括上层天线臂1，介质板2，下层天线臂3，上层天线臂1紧贴于介质板2上表面，下层天线臂3紧贴于介质板2下表面。

作为被发明的一种优选实施例，介质板2为长度a＝20um、宽度b＝7.5um、厚度h＝100nm的均匀介质块，介质板材料为介电常数ε_r＝3.75、损耗角正切tanδ＝0.0004的石英SiO₂。