[发明专利]一种超薄太阳光黑硅吸波器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种超薄太阳光黑硅吸波器及其制备方法。该超薄太阳光黑硅吸波器包括基底层和超表面结构层，超表面结构层连接于基底层上表面；基底层和超表面结构层的材料均为硅，超表面结构层的厚度为120～200纳米，超表面结构层含有若干大小不一、无规则的凹陷空腔；其中，大小不一、无规则是指凹陷空腔的面积从10平方纳米到500平方纳米变化、凹陷空腔的深度从10纳米到280纳米变化，相邻凹陷空腔的间隔从10纳米到100纳米变化。超表面结构层具有一系列不规则的空腔，形成了在不同波长范围内具有不同谐振模式的模型。在280～2500nm的全太阳辐射光谱范围内，实现了近完全抗反射吸收(效率为97％)。

技术领域

本发明涉及硅材料，具体涉及黑硅吸波器及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，太阳能的有效利用受到了人们的广泛关注。超宽带的光完美吸收器是实现太阳能光谱高效吸收与宽频带光电探测的一个必备器件之一，它可以实现从可见光到近红外波段范围内对太阳光高效的吸收，其原理一般是表面等离激元共振、法布里-珀罗谐振腔和光谱相位耦合、或相干等现象引起光波的共振诱导光的吸收或者捕获现象。

近年来，人们设计了各种各样的吸波结构，例如，平面金属/介质结构、反射金属光栅结构、超材料结构和基于表面等离激元的结构。基于等离激元超构材料体系实现全吸收的方案有很多，金属颗粒-介质层-金属层超构材料体系是实现超吸收的典型结构之一。与传统方法相比，该体系具有亚波长特性，一般体系的整体厚度只有工作波长的几百分之一。此外，这些吸收器体系存在一些缺陷，如吸收带窄，吸收效率低，结构复杂和需要使用贵金属材料等。另外超材料结构和表面等离激元的新型吸波结构凭借近乎完美的吸收效率、随角度偏振不敏感、结构单元小、质量轻等特性，在设计选择性热发射器，生物传感器和太阳能收集系统等领域具有很大的潜在应用价值。所以，设计热稳定性好，工作波段宽，低成本的高效宽谱吸波结构仍是该领域的一大挑战。

超材料电磁波吸收器是最先由美国波士顿学院的Landy课题组于2008年提出并在微波频段获得验证(《Physical Review Letter》第100卷，第207402页(2008))。通过利用双面包覆有金属的介质基板构成面型双层结构，上层为开口谐振环，底层为切口金属线，两者构成谐振环结构，使得入射到该吸收器结构上的电磁波在其中形成共振并吸收消耗，从而达到完美吸收的目的，在11.5GHz附件实现了近88％的吸收效率。但此种结构只能吸收单一偏振的电磁波，且中间介质绝缘膜层为低介电材料。此后，国内外的研究人员提出了更多的金属-介质-金属层状共振超材料结构。但实现多频带或者宽频带的超材料电磁波吸收器往往结构设计复杂，可重复性差。这使得目前大部分电磁波吸收器在光电检测器件、光电子功能器件等方面的应用受到了限制。

因此，设计并实现完美吸收并仅仅依赖于简单易操作且可以大面积工艺生产的金属-介质复合体系，对太阳能吸收器所面临的难题将具有非常重要的现实意义和应用价值。

发明内容

为了解决电磁波吸收器工作频带较窄、结构设计复杂和制造成本高的问题，本发明提供一种超薄太阳光黑硅吸波器及其制备方法。

本发明提供的一种超薄太阳光黑硅吸波器，包括基底层和超表面结构层，超表面结构层连接于基底层上表面；基底层和超表面结构层的材料均为硅，超表面结构层的厚度为120～200纳米，超表面结构层含有若干大小不一、无规则的凹陷空腔；其中，大小不一、无规则是指凹陷空腔的面积从10平方纳米到500平方纳米变化、凹陷空腔的深度从10纳米到280纳米变化，相邻凹陷空腔的间隔从10纳米到100纳米变化。超表面结构层包含许多凹陷空腔，凹陷空腔大小不一，而且排列的间距是无规律的。电磁波入射到超表面结构层，由于其中不规则凹陷空腔的作用，在不同波长范围内具有不同谐振模式。