[发明专利]一种可见光宽波段吸收器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种可见光宽波段吸收器及其制作方法，属于集成光电子领域，主要涉及结构‑光场调控技术、光谱技术、纳米加工技术等。该器件主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1。基底3为吸收器结构提供刚性支撑；周期性纳米结构2为增强共振吸收提供条件；高吸收材料介质层1可增强电磁共振能量吸收，在可见光范围内，折射率虚部系数k>4的材料对入射光具有很高的吸收效率；高吸收材料侧壁1‑2可进一步将入射光局域在微纳结构内部，提高吸收效率；通过优化周期性纳米结构的几何尺寸，可以实现对可见光范围内的宽波段完美吸收，吸收率高达90％以上，覆盖整个可见光范围，且具有偏振无关、入射角不敏感等特性。

所属领域

本发明属于集成光电子领域，主要涉及结构-光场调控技术、光谱技术、纳米加工技术等。

现有技术

由于光吸收具有能量转化和光谱选择的本征属性，基于光吸收特性的可见光宽波段吸收器在诸多领域有着重要应用，既包括信息传感、大气环境监控等感知应用领域，也包括光伏生电、太阳能热水器等能源应用领域。因此，可见光宽波段吸收器正逐渐引起学术界与产业界的广泛关注，提升其光吸收性能，挖掘其光吸收特性的应用潜能，有着重要的研究意义和实用价值。

近年来，研究人员设计了各种各样的可见光吸收器结构，比如平面金属/介质结构、金属光栅结构等。然而这些吸收器存在带宽窄、加工困难、入射光偏振依赖性强、吸收效率低等问题。2011年，太原理工大学崔艳霞等人报道了一种基于多尺寸纳米光栅结构的宽波段吸收器[Applied Physics Letters,99,253101,2011]，通过调节各纳米光栅的宽度，便可达到宽波段吸收的效果，然而这种多尺寸的纳米结构增加了设计与加工难度；美国加州理工学院Koray Aydin等人报道了一种通过在金属/介质/金属结构顶层加工复杂形状的纳米结构来实现宽波段吸收的超薄等离子体吸收器，但在400nm至700nm波段其吸收效率平均值仅为71％，效率较低[Nature Communication,2,517,2011]；2012年，美国伊利诺大学香槟分校Nicholas X.Fang等人报道了一种基于锯齿形各向异性超材料板的超宽波段吸收器，该吸收器不仅需要多层膜，而且还需要在多层膜上加工微纳结构，设计制作难度大，且对入射光偏振态比较敏感[Nano Letters,12,1443,2012]；2016年，密歇根大学L.J.Guo团队报道了一种基于多层膜的超宽波段吸收器，该吸收器由三种吸收材料层依次叠加串联而成，其吸收效率可达到98％，然而这种吸收器对膜层的厚度非常敏感，在加工时很难保证各层膜的厚度[ACS Photonics,3,590,2016]。有效的可见光宽波段吸收器必须同时具有足够宽的吸收波段，高的吸收效率，且对入射光偏振不敏感的特性，并且在加工、设计等方面的要求要尽可能低，以减小设计与加工制作成本，因此，继续开发和探索新型的可见光宽波段吸收器是器件发展的需要。

发明内容

发明目的

为了克服多尺寸微纳结构吸收器尺寸复杂、设计加工难度大，光栅结构吸收器偏振依赖性强等问题，本发明提出一种基于周期性纳米结构的可见光宽波段吸收器，旨在提高吸收效率、减小偏振态及入射光角度影响。

技术方案

本发明提出的可见光宽波段吸收器结构参阅图1和图2。器件主要包括基底3，置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2，以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1；

所述基底3选择硅、玻璃、BOPET聚酯薄膜等；

所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列；

进一步的，所述周期性纳米结构2形状除圆柱外，也可为方形柱等，其直径(针对圆形纳米柱)或边长(针对方形纳米柱)范围要求为90-130nm，周期范围要求为170-210nm；

进一步的，所述周期性纳米结构2的排列形式可为方形阵列排布，也可为三角形阵列排布等；