一种宽波段光全吸收器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学、材料和能源等多个领域，具体涉及一种金属-介质材料的宽波段光谱多带光全吸收器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]宽波段光全吸收器是实现高效太阳能光谱吸收与宽频带光电探测的一个必备元件，它可以实现在特定波段或超宽波段光谱范围内的光波能量的吸收，其原理一般是等离激元共振、介质导波模式和光谱相位耦合或相干等现象引起光波的共振吸收或捕获现象。
[0003]表面等离激元的概念是金属自由电子在外加光波照射下引起的集体振荡，导致电磁场局域在金属表面并产生电场增强效应，从而形成表面等离激元(Surface plasmons)。当金属结构表面的周围介质折射率发生变化时，在光波场激发下的表面等离激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)会呈现明显的光谱响应，因而,基于SPR的金属结构可以作为能源、光电探测、生物、医学等领域的核心元器件。
[0004]传统的基于SPR的光全吸收器是利用特定结构尺寸的超构材料实现在单一工作波长的光全吸收，此类体系基于的是金属纳米结构与底层金属膜层之间的磁共振与金属纳米结构本身的电共振模式之间的叠加耦合，从而获得在同一波长处的光波能量中的电场与磁场能量的吸收进而实现此一波长处的共振光全吸收[200910243544.X;200580016934.3]。由于此类结构是基于电共振与磁共振模式的I禹合，因而体系只能在一个特定波长实现光全吸收。今年来，为了获得宽波段的光全吸收器，此类结构体系通过构建多个亚共振单元在同一个结构单胞内从而有效获得基于各个亚共振单元提供的单一波长共振吸收在光谱上的叠加展宽的宽带光全吸收效应。然而，此类体系所需的高精度结构设计和尺寸要求导致其制备技术往往过于复杂。所采用的技术包括电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等非常高精密的仪器手段，这直接导致此类宽波段光全吸收器在获取大面积和低成本的结构制备上具有非常大的困难，更导致其无法有效获得在工艺生产上的应用。此外，为了获得在可见光频带的光全吸收器，基于此类体系的结构制备需要进一步精确在纳米级别的结构刻蚀与组合，从而导致技术难度更大可操作性更低。
[0005]传统的基于介质膜层或波导结构的光全吸收器是利用此类体系的光学模式实现符合一定波长的光波耦合和捕获进而受限于介质膜层或波导膜层[201210146948.9]。然而单一的平整介质膜层或波导结构往往只能提供特定波长的耦合，因而难以获得宽波段的光吸收。近期，有研究通过加工介质膜层或介质球体结构，从而获得在空间维度上具备的介电常数的分布特性，进而实现在一个复合的介质结构体系中获得多个频带的光吸收的叠力口。然而，此类体系的宽波段光全吸收仅仅局限于介质体系中的光吸收，难以实现太阳能吸收或光电转换与探测所需的金属电极以及光电子产生与收集的必备的结构特性。因此，这里宽波段光全吸收体系依然局限于光波的抗反射特性。
[0006]因此，设计并实现具有宽波段光全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-介质复合体系对于解决现有过于复杂光全吸收结构或不利于太阳能吸收特性的纯介质结构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】
[0007]本发明的目的是为了提供一种具有宽波段光全吸收的金属-介质-金属结构体系的制备方法。
[0008]本发明的宽波段光全吸收器，它包括自下而上的平整无缝金属膜基底、介质膜层和金属纳米颗粒膜层。所述金属膜层和介质膜层可采用物理或化学沉积方法在玻璃或硅衬底上沉积得到。所述的金属纳米颗粒膜层可以通过控制物理沉积法的沉积速率以及沉积时间来实现。这是基于通过溅射和离子束刻蚀靶材进行金属膜层沉积过程中会在金属膜层厚度很薄(厚度小于10纳米)时，会逐步呈现微小纳米颗粒到大尺寸纳米颗粒并过渡到团簇结构。这些体系可以自然而然地构成金属纳米结构。
[0009]所述的金属膜层以及金属纳米阵列的成分包括金、银、钼、铜、铝中的一种或几种混合物。所述的金属膜层基底和介质膜层的厚度在>50纳米和介质膜层的厚度为10-200纳米之间。所述的金属纳米颗粒膜层厚度在0-15 nm范围,纳米颗粒大小处于5-200 nm范围，相邻金属纳米颗粒大小间距处于0-20 nm范围。
[0010]本发明所述的具有宽波段光全吸收的金属-介质-金属结构体系的制备方法包括以下步骤:
(1)通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积金属膜层；
(2)在步骤(I)中所得的金属膜层上通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积介质膜层；
(3)利用物理沉积方法包括氩离子溅射或磁控溅射等方法在步骤(2)中获得的结构上沉积特定厚度的金属膜层即金属纳米颗粒膜层结构。
[0011]在步骤(I)中，所述平整衬底包括石英、玻璃、硅片或有机膜。
[0012]在步骤(I)，( 2 )中，所述的物理或化学沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法、原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。
[0013]在步骤(3)中，所述的物理沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法中的一种或几种的混合方法。
[0014]本发明的技术效果:
其一:与以往的光全吸收器仅仅只能在单一波段或有限光谱范围的光吸收效应相比，利用本发明涉及的具有宽波段光全吸收器，在技术上同时实现了宽波段的光全吸收，吸收光谱范围从370-880纳米的整个紫外可见近红外波段内的平均吸收效率超过了 83%。其二:本发明的结构体系具有非常简单而容易的操作方法，仅需要利用标准的镀膜仪器变换金属/介质靶材即可以实现器件的制备。而所有制备技术环节中唯一要控制的就是沉积膜层的厚度。这一条件完全可以通过膜层沉积速率和沉积时间得到精确的控制。因此，整个制备环节非常简易。其三:本发明的吸收器不仅结构简单，而且膜层厚度远小于波长量级，因而非常有利于材料的节约和成本的控制，也有益于限制能耗和保护环境。
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】来详细说明本发明:
图1是本发明设计的宽波段光全吸收器结构制备过程步骤(3)的示意图及其金属纳米颗粒膜层形成过程示意图；
图2是本发明设计的宽波段光全吸收器结构示意图。自下而上，依次为平整金属膜层基地、介质膜层和金属纳米颗粒膜层。
[0016]图3是对图2中本发明设计的宽波段光全吸收器在底层金属膜层基底金膜厚度为100纳米，中间介质二氧化硅膜层厚度为40