[发明专利]一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法

说明书

本发明公开了一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法，属于太阳能电池、热发射器、光电探测领域。所述复合微结构的元胞由一个直径较小的Ti圆柱和Ti/SiO₂多层膜圆柱级联而成，并有金属基底。通过Ti圆柱周围激发的表面等离子体共振吸收短波长的光波，通过Ti/SiO₂多层膜圆柱之间的空腔产生的等离子体腔共振吸收长波长的光波，通过表面等离子体共振和等离子体腔共振的杂化模式吸收中间波长的光波，在可见光到近红外波段实现超宽带光吸收增强。此外，该吸波器的吸收光谱对入射角变化不敏感，即便入射角发生显著变化，对TM和TE偏振都具备优异的宽带光吸收性能，在光调制器、太阳能电池、光电探测等领域有应用前景。

技术领域

本发明涉及太阳能电池、热发射器、光电探测领域，特别涉及一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法。

背景技术

近年来，超材料吸波器作为一种人工等离子体纳米结构已经成研究的热点。由于其特殊的优势，例如高吸收效率、亚波长尺度的厚度和可调节的电磁共振响应，超材料吸波器在诸多领域的应用优势显现，包括传感器、光电探测器、热发射器、太阳能电池领域等。目前，大多数超材料吸波器普遍采用金属-介质-金属微结构阵列，这类器件的吸收机理主要源于微纳结构的表面等离子体共振效应或磁共振效应，通常需要使用诸如金或银等贵金属，制造成本较高，尽管可以实现较高的光吸收效率，但是吸收带宽普遍较窄，这限制了这类器件在能量收集和光电探测等领域的应用。因此，有必要设计宽带光吸收增强器件以满足这些应用需求。

当前，为了实现超材料器件的宽带光吸收增强效应，通常采取三种方法。第一种是在金属-介质-金属微结构阵列的基础上，在微结构阵列中引入多个谐振单元，也就是将不同几何尺寸或形状的微结构谐振单元集成到亚波长尺度的元胞中(结构的最基本单元)，由于金属-介质-金属微结构中多个共振吸收峰被激发，通过多个共振吸收峰的交叠可以实现宽带吸收增强。例如，将多个不同宽度的金属纳米带、不同尺寸的亚波长方孔阵列、或不同直径的金属纳米盘集成到元胞中，由于多个邻近的谐振单元的共同激发，引起多个光吸收带的叠加，因而可在宽波段内实现光吸收效率的增强。然而，由于元胞尺寸有限，元胞中可以集成的谐振器的数量受限，因此这种方法往往并不能显著拓展吸收带宽。

第二种方法是采用金属-介质多层膜构成的微结构，比如采用金属-介质多层膜交替组成的一维矩形光栅或圆柱阵列等，通过增大多层膜的膜对数，可以获得宽带光吸收增强效应。然而这类方法需要的膜对数多，导致微结构的深度大，且当多层膜微结构的膜对数增大到一定数目以后，继续增大膜对数将不再拓展吸收带宽。

第三种方法是对第二种方法的改进，也就是将金属-介质多层膜微结构做成具有渐变宽度的微结构，比如锯齿形、金字塔形、台阶形、或圆锥形的金属-介质多层膜微结构，利用渐变宽度金属-介质微结构激发的慢光波导模式，拓展光吸收增强的带宽。然而，尽管这类微结构可以进一步拓展光吸收带宽，但是由于需要的膜对数多，微结构的深度大，尤其是其渐变的微结构宽度，显著增大了实际制备的难度。

发明内容

本发明针对上述现有的超材料吸波器中存在的问题，提供了一种采用复合微结构实现超宽带光吸收增强的方法。

本发明的第一个目的是提供一种实现超宽带光吸收的复合微结构，所述结构包括级联的周期性纳米柱阵列，所述纳米柱由金属圆柱和金属-介质多层膜圆柱级联而成。

在本发明的一种实施方式中，所述级联的纳米柱阵列的底部设有金属基底，所述级联的纳米柱阵列的底部设有金属基底，所述复合微结构从上至下依次为金属圆柱、金属-介质多层膜圆柱、金属基底；所述金属圆柱的直径小于金属-介质多层膜圆柱的直径。

在本发明的一种实施方式中，所述金属圆柱和金属-介质多层膜圆柱之间还设置有介质缓冲层。

在本发明的一种实施方式中，所述金属-介质多层膜圆柱由交替的金属和电介质堆叠形成。

在本发明的一种实施方式中，所述微结构为亚波长结构，即级联结构的周期小于入射光波长。