申请/专利权人：江西师范大学

申请日：2019-07-25

公开（公告）日：2019-10-29

公开（公告）号：CN110389398A

主分类号：G02B5/00(20060101)

分类号：G02B5/00(20060101);G02B1/00(20060101)

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2021.07.16#实质审查的生效;2019.10.29#公开

摘要：本发明提供了一种超宽带完美吸收器及其制备方法。该超宽带完美吸收器，自下而上依次由平整的金属膜、椭圆形的电介质纳米盘和椭圆形的金属纳米盘的三层结构组成。其底部金属膜超过150纳米抑制光的传输，金属电介质椭圆形纳米盘的长轴、短轴和高度可调；其中的金属可以是钛、镍、铬、钨等耐火金属。本发明的超宽带完美吸收器制备工艺简单成熟，可实现可见光到近红外波段完美吸收，具有热稳定性，偏正独立，大角度入射不敏感的特点。

主权项：1.一种超宽带完美吸收器，其特征在于：包括自下而上的依次连接的平整的金属膜、若干椭圆形电介质纳米盘和若干椭圆形金属纳米盘；所述椭圆形电介质纳米盘按照正方形网格排列，每个椭圆形电介质纳米盘的长轴对应正方形网格的一条边；所述椭圆形金属纳米盘与所述椭圆形电介质纳米盘重叠，且每个椭圆形金属纳米盘对应一个椭圆形电介质纳米盘。

全文数据：一种超宽带完美吸收器及其制备方法技术领域本发明涉及光学、材料学和能源领域，具体涉及一种超宽带完美吸收器及其制备方法。背景技术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。太阳能是地球上最重要的清洁能源之一。自2008年Landy等人首次报道超材料可以用于对电磁波有效地吸收以来。许多不同类型的完美吸收器被提出，单频带、双频带，多频带和宽带吸收器。超材料吸收器主要由金属-介质-金属三层结构组成。底部金属层是防止电磁传输即透射率为0，顶部金属结构是匹配吸收器阻抗抑制反射即反射率接近为0。从而吸收率A＝1-R-T其中A代表吸收率，R代表反射率，T代表透射率，公式可得吸收率接近100％的完美吸收。现有的一些宽带吸收器吸收往往只有一种共振波长，吸收带较窄。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。因此，设计并实现从可见光到近红外波段范围的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。发明内容为了解决背景技术中提到的吸收器的缺陷，本发明的目的在于提供一种超宽带完美吸收器及其制备方法。本发明实现了从可见光到近红外光谱范围达到完美吸收的效果，现对本发明做进一步阐述。本发明的一种超宽带完美吸收器，包括自下而上的依次连接的平整的金属膜、若干椭圆形电介质纳米盘和若干椭圆形金属纳米盘；所述椭圆形电介质纳米盘按照正方形网格排列，每个椭圆形电介质纳米盘的长轴对应正方形网格的一条边；所述椭圆形金属纳米盘与所述椭圆形电介质纳米盘重叠，且每个椭圆形金属纳米盘对应一个椭圆形电介质纳米盘。进一步地，所述平整的金属膜的厚度超过150纳米，所述平整的金属膜的金属材料为钛、镍、铬或钨。进一步地，所述椭圆形电介质纳米盘厚度为20-220纳米，所述椭圆形电介质纳米盘的材料为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。进一步地，所述椭圆形金属纳米盘厚度为5-150纳米，所述椭圆形金属纳米盘的材料为钛、镍、铬或钨。进一步地，所述椭圆形电介质纳米盘与椭圆形金属纳米盘的长轴与短轴参数保持一致，长半轴长为100-300纳米，短半轴长为1-100纳米。进一步地，相邻的所述椭圆形电介质纳米盘之间保持不重叠，相邻的所述椭圆形金属纳米盘之间保持不重叠。也就是说，所述椭圆形电介质纳米盘的长轴长度小于正方形网格的边长，所述椭圆形金属纳米盘的长轴长度小于正方形网格的边长。上述的超宽带完美吸收器的制备方法，包括以下步骤：1提供平整的洁净的衬底；2通过沉积方法在衬底上沉积特定的厚度金属膜层；3在步骤2所获得的金属膜层的基础上利用沉积方法沉积特定厚度的电介质膜层；4在步骤3所获得的电介质膜层上利用沉积方法沉积特定厚度的金属膜层；5利用无掩摸电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀技术对步骤4所获得的金属膜层和步骤3所获得的电介质膜层进行刻蚀，获得若干椭圆形电介质纳米盘和若干椭圆形金属纳米盘；6利用无水乙醇、丙酮清洗，获得超宽带完美吸收器。进一步地，所述衬底为石英、玻璃、硅片或有机膜。进一步地，所述沉积方法为磁控溅射法、真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、激光脉冲沉积法、化学镀方法、原子层沉积法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。本发明的有益效果：1、整个完美吸收器所用到的和用于代替的材料都具备耐高温的效果，二氧化硅、氧化铝、氟化镁、钛、镍、铬、钨的熔点分别是1650℃、2054℃、1248℃、1668℃、1445℃、1907℃、3422℃，因此完美吸收器具有耐高温的热稳定性，可以有效避免以往常见的基于贵金属颗粒阵列或多元金属共振阵列复合结构等体系组成的完美光吸收器所无法克服的内在金属欧姆损耗、热效应和热不稳定性等问题；2、通过使用耐火金属材料具备的强电磁共振模式与宽波段的共振吸收特性，实现了可见光到近红外波段的完美吸收；3、基于四个半椭圆形金属电介质纳米盘周期排列的特性，能产生多个频率范围的等离激元共振模式，进而获得宽波段的电磁波完美吸收特性；4、所采用的金属材料为地球蕴藏丰富的耐火材料，成本低廉，在太阳电池、热辐射、隐身、红外成像等领域都具有广泛的应用前景；5、实现更为高效的太阳能吸波响应，在入射光即太阳光的照射下，对456-1832纳米的太阳光波段可以达到94.6％以上的平均吸波效率，从而实现对太阳光的完全抗反射和太阳能的高效吸收；6、本发明的超宽带完美吸收器结构简单，易于制备，简化实验制备流程，节省人力物力，易于实际推广生产，具有很高的实用价值。附图说明以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。图1是本发明超宽带完美吸收器的结构示意图。图2是本发明实施例1的超宽带完美吸收器的吸收光谱图。图3是本发明超宽带完美吸收器顶层为椭圆形钛纳米盘，其厚度h为35、55、75纳米对应的吸收光谱图。图4是本发明超宽带完美吸收器中间层为椭圆形二氧化硅纳米盘，其厚度t为70、90、110纳米对应的吸收光谱图。图5是本发明超宽带完美吸收器椭圆形纳米盘，其长半轴长度R为150、170、190纳米对应的吸收光谱图。图6是本发明超宽带完美吸收器椭圆形纳米盘，其短半轴长度r为45、65、85纳米对应的吸收光谱图。具体实施方式如图1所示，本发明的超宽带光完美吸收器包括平整的金属膜、若干椭圆形电介质纳米盘和若干椭圆形金属纳米盘；所述椭圆形电介质纳米盘按照正方形网格排列，每个椭圆形电介质纳米盘的长轴对应正方形网格的一条边；所述椭圆形金属纳米盘与所述椭圆形电介质纳米盘重叠，且每个椭圆形金属纳米盘对应一个椭圆形电介质纳米盘。其中，所述若干椭圆形电介质纳米盘也可以看作是由四个半椭圆的电介质纳米盘按周期阵列而成，所述正方形网格的边长就是阵列周期P。图1所示椭圆形电介质纳米盘与平整的金属膜紧密相连，椭圆形金属纳米盘与椭圆形电介质纳米盘紧密相连。所述金属可以为钛、镍、铬或钨，所述电介质可以为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。该超宽带完美吸收器的制备方法步骤如下：1用清洗液清洗平整的衬底，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干，固定在沉积室中；2通过沉积方法在平整的衬底上沉积特定的厚度金属膜层；3在步骤2所获得的金属膜层的基础上利用沉积方法沉积特定厚度的电介质膜层，形成金属-电介质结构；4在步骤3所获得的金属-电介质结构上利用沉积方法沉积特定厚度的金属膜层，形成金属-电介质-金属膜层结构；5在步骤4所获得的金属-电介质-金属膜层结构上利用无掩摸电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀技术进行刻蚀，获得椭圆形纳米盘周期排列的周期结构；6在步骤5的基础上利用无水乙醇、丙酮清洗，获得以四个半椭圆循环排列为周期的椭圆形金属电介质纳米盘的方形阵列，构成一种超宽带完美吸收器。具体的，在步骤1中所述的平整的衬底可以为石英、玻璃、硅片或有机膜。具体的，在步骤2中所述的沉积方法可以为磁控溅射法、真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、激光脉冲沉积法、化学镀方法、原子层沉积法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。实施例1：本实施例的超宽带光完美吸收器按照如下步骤制备：首先在衬底二氧化硅玻璃片上，采用物理真空镀膜方法依次沉积一层厚度为150纳米的钛膜、一层厚度为90纳米的二氧化硅膜和一层为55纳米的钛膜；其次，在顶层钛膜和中间层二氧化硅膜上采用电子束刻蚀技术制备椭圆形二氧化硅纳米盘和椭圆形钛纳米盘，组成四个半椭圆钛二氧化硅纳米盘为周期的周期性阵列，阵列周期P为400纳米，椭圆形纳米盘的长半轴R为170纳米，短半轴r为65纳米；平整的钛膜的厚度为150纳米，椭圆形二氧化硅纳米盘的厚度为90纳米，椭圆形钛纳米盘的厚度为55纳米。周围环境为空气。对本实施例的超宽带光完美吸收器进行测试，可以获得如图2所示的吸收光谱图。由图2可见，从波长从456纳米到1832纳米的可见光到近红外范围内，吸收器实现了吸收率大于90％的强吸收响应吸收宽带为1376纳米，最大吸收率为97.7％。实施例2：本实施例中的超宽带光完美吸收器的顶层为椭圆形钛纳米盘，其厚度为35纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图3所示的吸收光谱图。实施例3：本实施例中的超宽带光完美吸收器的顶层为椭圆形钛纳米盘，其厚度为55纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图3所示的吸收光谱图。可见，钛纳米盘厚度为55纳米时，吸收器吸收率大于90％的宽带到达1376纳米，吸收光谱的波长范围从456纳米到1832纳米。实施例4：本实施例中的超宽带光完美吸收器的顶层为椭圆形钛纳米盘，其厚度为75纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图3所示的吸收光谱图。实施例5：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层为椭圆形二氧化硅纳米盘，其厚度为70纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图4所示的吸收光谱图。实施例6：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层为椭圆形二氧化硅纳米盘，其厚度为90纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图4所示的吸收光谱图。可见，椭圆形二氧化硅纳米盘的厚度为90纳米时，吸收器到达最好的效果。实施例7：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层为椭圆形二氧化硅纳米盘，其厚度为110纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图4所示的吸收光谱图。实施例8：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层椭圆形二氧化硅纳米盘，其长半轴长度为150纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图5所示的吸收光谱图。实施例9：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层椭圆形二氧化硅纳米盘，其长半轴长度为170纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图5所示的吸收光谱图。可见，长半轴为170纳米时吸收器的吸收率大于90％的吸收宽带最宽。实施例10：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层椭圆形二氧化硅纳米盘，其长半轴长度为190纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图5所示的吸收光谱图。可见，长半轴为170纳米时吸收器的吸收率大于90％的吸收宽带最宽。实施例11：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层椭圆形二氧化硅纳米盘，其短半轴长度为45纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图6所示的吸收光谱图。实施例12：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层椭圆形二氧化硅纳米盘，其短半轴长度为65纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图6所示的吸收光谱图。可见，短半轴为65纳米时吸收器的吸收响应最好。实施例13：本实施例中的超宽带光完美吸收器的中间层椭圆形二氧化硅纳米盘，其短半轴长度为85纳米，其他参数与具体实施例1相同。可获得如图6所示的吸收光谱图。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种超宽带完美吸收器，其特征在于：包括自下而上的依次连接的平整的金属膜、若干椭圆形电介质纳米盘和若干椭圆形金属纳米盘；所述椭圆形电介质纳米盘按照正方形网格排列，每个椭圆形电介质纳米盘的长轴对应正方形网格的一条边；所述椭圆形金属纳米盘与所述椭圆形电介质纳米盘重叠，且每个椭圆形金属纳米盘对应一个椭圆形电介质纳米盘。2.根据权利要求1所述的超宽带完美吸收器，其特征在于：所述平整的金属膜的厚度超过150纳米，所述平整的金属膜的金属材料为钛、镍、铬或钨。3.根据权利要求2所述的超宽带完美吸收器，其特征在于：所述椭圆形电介质纳米盘厚度为20-220纳米，所述椭圆形电介质纳米盘的材料为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。4.根据权利要求3所述的超宽带完美吸收器，其特征在于：所述椭圆形金属纳米盘厚度为5-150纳米，所述椭圆形金属纳米盘的材料为钛、镍、铬或钨。5.根据权利要求4所述的超宽带完美吸收器，其特征在于：所述椭圆形电介质纳米盘与椭圆形金属纳米盘的长轴与短轴参数保持一致，长半轴长为100-300纳米，短半轴长为1-100纳米。6.根据权利要求4所述的超宽带完美吸收器，其特征在于：相邻的所述椭圆形电介质纳米盘之间保持不重叠，相邻的所述椭圆形金属纳米盘之间保持不重叠。7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的超宽带完美吸收器的制备方法，包括以下步骤：1提供平整的洁净的衬底；2通过沉积方法在衬底上沉积特定的厚度金属膜层；3在步骤2所获得的金属膜层的基础上利用沉积方法沉积特定厚度的电介质膜层；4在步骤3所获得的电介质膜层上利用沉积方法沉积特定厚度的金属膜层；5利用无掩摸电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀技术对步骤4所获得的金属膜层和步骤3所获得的电介质膜层进行刻蚀，获得若干椭圆形电介质纳米盘和若干椭圆形金属纳米盘；6利用无水乙醇、丙酮清洗，获得超宽带完美吸收器。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述衬底为石英、玻璃、硅片或有机膜。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述沉积方法为磁控溅射法、真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、激光脉冲沉积法、化学镀方法、原子层沉积法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。

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