[发明专利]适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法及系统

说明书

本发明提供了一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法及系统，包括：步骤S1：将亚波长尺度的介电光栅层和高反射基底层构建成设定结构；步骤S2：选择介电光栅的几何尺寸，包括宽度w和厚度t，满足一定倍数关系；步骤S3：将周期沿着x方向，使得入射光为p偏振，入射波矢沿y轴负方向，入射电场E_x沿着x方向，入射磁场H_z沿z方向，其中，p为亚波长尺度光栅结构的周期；步骤S4：设定结构能有效地将电磁辐射能量集中在光栅平面内。本发明解决了现有的吸收(发射)器件依赖于贵金属材料或者多层膜结构造价和尺度较大的问题。

技术领域

本发明涉及选择性吸收/发射器件技术领域，具体地，涉及一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法及系统。

背景技术

选择性的发射/吸收器的设计在太阳能电池、热光伏、辐射制冷、气体探测等领域都有着广泛应用。近年来，超材料、超表面等的兴起为高性能吸收/发射器件的设计提供了全新的平台，研究者们的目光集中在光子晶体、多层膜结构、金属-介电-金属的MIM结构以及双曲超材料甚至二维材料上，通过激发磁激子、表面等离激元或表面声子极化激元从而实现在特定波长下的完美吸收。尽管吸收/发射器的研究已取得了一定的成果，但目前仍面临着一些问题和挑战：(1)首先，大部分研究设计得到的高发射/吸收特性依赖于材料自身的光学特性，如表面等离激元和表面声子极化激元，其受限于特定材料的特定波段；(2)其次，目前吸收/发射器件设计所用材料多集中于如金、银、钨等金属或碳化硅等极性材料，或者六方氮化硼以及石墨烯的新型材料等，这些材料的加工成本较高，与半导体材料如硅、锗等相比加工工艺尚不是很成熟，因此短时间内很难应用于实际；(3)此外，面对设备尺度日益微型化的需求，所设计的吸收/发射器件的尺寸大小对吸收性能的影响分析还比较少，特别是对于常用的周期性结构，周期的个数以及实际加工中周期的变化都是在设计中需要考虑的因素。高介电常数材料，如硅、锗等，其因光学损失较低一直未受到吸收/发射器研究者的青睐，但实际上，其高阶电磁模态激发能力在高吸收特性方面也具有巨大的潜力，并且其半导体加工工艺相对成熟且易于与现有系统集成，优势明显。本发明即是基于常用的介电材料提出一种适用于任意波长的选择性完美发射/吸收器的设计原则，解决上述技术难题。

专利文献CN106025051B公开了一种发射辐射的半导体器件及其制造方法，该半导体器件具有芯片连接区(3)，发射辐射的半导体芯片(1)，以及光吸收材料(4)，其中发射辐射的半导体芯片(1)固定在芯片连接区(3)处，芯片连接区(3)在所述芯片连接区没有被发射辐射的半导体芯片(1)覆盖的位置处用该光吸收材料(4)覆盖，以及发射辐射的半导体芯片(1)局部地没有光吸收材料(4)。该专利在性能上仍然有待提高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法及系统。

根据本发明提供的一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法，其特征在于，包括：

步骤S1：将亚波长尺度的介电光栅层和高反射基底层构建成设定结构；

步骤S2：欲实现目标工作波长λ的高吸收(发射)特性，选择介电光栅的几何尺寸，包括宽度w和厚度t，满足一定倍数关系；

步骤S3：将周期沿着x方向，使得入射光为p偏振，入射波矢沿y轴负方向，入射电场E_x沿着x方向，入射磁场H_z沿z方向，其中，p为亚波长尺度光栅结构的周期；

步骤S4：在满足上述设计要求后，设定结构能有效地将电磁辐射能量集中在光栅平面内，从而实现在目标波长下高吸收(发射)特性；在本发明提出的有效区域内合理选择设定光栅尺寸(w，t，p)，获取适用于任意波长的选择性吸收/发射器件。

优选地，所述步骤S1包括：