双波长超窄带宽介质超材料吸收器及其制备方法

本发明涉及半导体光学器件技术领域，具体涉及一种双波长超窄带宽介质超材料吸收器及其制备方法。

背景技术：

对电磁波实现完美吸收在许多应用中都有需要，如太阳能电池、热发射器、辐射冷却、探测等。但是由自然界存在的材料构成的吸收器由于缺乏磁响应导致阻抗失配，因此它们不能完全抑制光反射，从而降低了吸收器光吸收能力。为此人们提出了基于超材料的吸收器，由于超材料吸收器(metamaterialabsorber，ma)对电磁波具有高吸收效率，且具有体积小、对工作波长可设定等优点，逐渐被人们所关注并成为研究热点之一。

随着人们的深入研究，不同类型的ma逐渐被人们设计、制备而出，如宽带宽ma、窄带宽ma、太赫兹ma、可调谐ma等。之所以窄带宽ma被人们所关注，是因为窄带宽ma在探测和热发射器上相比于宽带宽ma更有效率，而且在光调制、光探测和热辐射剪裁中只有窄带宽ma才能满足要求。目前已经有不同结构的窄带宽ma被提出，2014年瑞典皇家理工学院的minqiu等人提出在银(ag)金属衬底上刻蚀金属光栅，基于ag光栅与空气介质形成的表面等离子激元共振成功使ma在波长1400nm处实现了窄带宽吸收，其线宽(fullwidthhalfmaximum，fwhm)可以达到0.4nm；2018年香港中文大学的fenga等人提出一种由非对称金属光栅和金属衬底构成的窄带宽ma，而且在光栅和衬底之间添加了一层二氧化硅过渡层，经模拟计算发现该窄带宽ma在光通信波段实现了超窄吸收，fwhm仅有0.28nm；次年，东南大学的kangs等人提出在二氧化硅衬底上刻蚀出由金(au)材料构成的十字型纳米阵列，与此同时在二氧化硅另一面生长一层au薄层抑制透射，经测试发现该ma可在太赫兹波段实现窄带宽吸收。

从上述可以发现，这些窄带宽ma中的微纳结构所使用的材料都是金属材料，但是金属材料存在欧姆损耗而且在高频处精细金属材料存在加工问题，这会在一定程度上影响ma在将来的应用推广。为此，一些课题组提出利用介质材料设计、制造窄带宽ma。2019年哈尔滨工业大学的zhibinren等人利用氮化硅、氧化铟锡材料设计并制备出在红外波段具有窄带宽吸收的ma，经测试可得该窄带宽ma的fwhm可达2.6nm；次年，安徽大学的yanzhao等人提出在金属衬底上直接刻蚀出由硅材料构成的介质光栅，经模拟计算可知该窄带宽ma的fwhm可达0.38nm。

虽然利用介质材料设计制备窄带宽ma可以降低制造成本并提高吸收效率，而且吸收带宽可保持在亚纳米级别，但可以发现目前鲜有实现多波长窄带宽(亚纳米级别)吸收的ma，这会限制窄带宽ma在一些场合的应用，如在光谱探测、气体探测中，多波长窄带宽ma更能提高它们工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双波长超窄带宽介质超材料吸收器及其制备方法，具体通过如下技术方案实现该目的。

本发明的第一方面为双波长超窄带宽介质超材料吸收器，包括：

au衬底层；

设于au衬底层上的sio2介质层；

以及设于sio2介质层上的si材料非对称光栅，所述非对称光栅于每个周期内设有高度相同、宽度不同的光栅一和光栅二。

进一步的，所述光栅一与光栅二的宽度比为2：3，间距与光栅一的宽度相等，且该非对称光栅的周期宽度为光栅一与光栅二宽度之和的2～2.5倍；所述sio2介质层的厚度为光栅二宽度的4倍。

在一示出实施方案中，所述光栅一的宽度w1为0.2um，光栅二的宽度w2为0.3um。

在一示出实施方案中，所述光栅一和光栅二的高度h为0.78～0.8um。

在一示出实施方案中，所述au衬底层的厚度为0.2um。

本发明的第一方面为上述双波长超窄带宽介质超材料吸收器的制备方法，包括如下步骤：

s1、通过磁控溅射在au衬底上先后生长sio2层和si薄层；

s2、在si薄层上旋涂电子束抗蚀胶，经电子束曝光和显影后在抗蚀胶上形成非对称光栅图形；

s3、去胶，并利用离子体刻蚀技术将所述非对称光栅图形转移到si薄层上。

本发明的有益技术效果如下：

本发明的双波长超窄带宽介质超材料吸收器，由au衬底、sio2介质层和si介质非对称光栅构成，基于时域有限差分法并通过特定的尺寸设计，在sio2介质层形成了针对波长λ1的法布里-珀罗(fp)腔共振，并使波长为λ2的入射光在介质非对称光栅中形成了导模共振效应，从而同时实现了对波长λ1与λ2的超高吸收效率。采用本发明的方法，可为太阳能电池、光调制器等提供高质量的双波长窄带(亚纳米级别)宽介质超材料吸收器。

附图说明

图1为本发明的双波长超窄带宽介质超材料吸收器实施例结构示意图。

图2为本发明的双波长超窄带宽介质超材料吸收器实施例在不同波长处的电场分布计算模拟图。

图3为本发明的双波长超窄带宽介质超材料吸收器实施例的吸收光谱计算模拟图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

参考附图1，本实施例提供了一种双波长超窄带宽介质超材料吸收器，包括：au衬底层1，设于au衬底层1上的sio2介质层2；以及设于sio2介质层上的si材料非对称光栅，该非对称光栅于每个周期内设有高度相同、宽度不同的光栅一31和光栅二32。

在一种优选示出实施方案中，光栅一31与光栅二32的宽度比为2：3，间距与光栅一31的宽度相等，且该非对称光栅的周期宽度为光栅一31与光栅二32宽度之和的2～2.5倍；所述sio2介质层的厚度为光栅二宽度的4倍。

采样上述设计，可在sio2介质层2形成针对波长λ1的法布里-珀罗(fp)腔共振，并使波长为λ2的入射光在si介质非对称光栅中形成导模共振效应，从而同时实现对波长λ1与λ2的超高吸收效率。其原理进一步说明如下：

如图2(a)、(b)所示为本实施例中的双波长超窄带宽介质超材料吸收器分别在波长λ1和λ2处的电场分布计算模拟图。从图2(a)中可知，本实施例中的双波长超窄带宽介质超材料吸收器之所以在波长λ1出现窄带宽高吸收是因为大部分光被限制在sio2介质层当中，少部分光限制在非对称光栅当中。由此可知，入射光在sio2介质层当中形成了法布里-珀罗(fp)腔共振。图2(b)所示的是本实施例中的双波长超窄带宽介质超材料吸收器在波长λ2的电场分布，与在波长λ1的电场分布不同，此时光不再被限制在sio2介质层当中，反而是被限制在光栅当中，依据电场分布可以判断这是由于入射光在光栅中形成了导模共振，也因为导模共振导致了吸收器在波长λ2处的带宽很窄。

实施例2

本实施例为实施例1中双波长超窄带宽介质超材料吸收器的一具体优选实施方案，参考附图1，本实施例中，光栅一31的宽度w1为0.2um，光栅二32的宽度w2为0.3um，光栅一31和光栅二32的高度h为0.78um，光栅一31与光栅二32的间距g为0.2um，该非对称光栅的周期宽度p为1.05μm。sio2介质层的厚度t为1.2um。au衬底层1的厚度为0.2um。

利用fdtd软件建立上述尺寸的双波长超窄带宽介质超材料吸收器单个周期的二维物理模型，然后在x方向添加周期性边界条件，在z方向添加完美匹配层边界条件，y方向默认为光栅无限长。最后在吸收器正上方添加光源，光源偏振设为te偏振，入射角设为0°，并且ma周围为空气，折射率n＝1。模拟结果参考附图2。从图中可以看出，本实施例中的双波长超窄带宽介质超材料吸收器，分别在波长λ1＝1.20852μm和λ2＝1.23821μm具有超高吸收效率，而且吸收线宽fwhm分别为0.735nm和0.077nm。通过对比，相比于文献1[mengl,zhaod,ruanz,etal.optimizedgratingasanultra-narrowbandabsorberorplasmonicsensor[j].opticsletters,2014,39(5):1137-1140.]，文献2[fenga,yuz,sunx.ultranarrow-bandmetagratingabsorbersforsensingandmodulation[j].opticsexpress,2018,26(22):28197-28205.]及文献3[rrnz,suny,linz,etal.ultra-narrowbandperfectmetamaterialabsorberbasedondielectric-metalperiodicconfiguration[j].opticalmaterials,2019,89(3.):308-315.]，本实施例中的双波长超窄带宽介质超材料吸收器在波长λ2处的线宽明显下降(下降了一个数量级)，实现了窄带宽吸收。

实施例3

本实施例为上述实施例中双波长超窄带宽介质超材料吸收器的制备方法，可与现今的微纳加工工艺兼容，具体包括如下步骤：

先通过磁控溅射在au衬底上先后生长sio2和si薄层，紧接着在si薄层上旋涂电子束抗蚀胶，经电子束曝光和显影后在抗蚀胶上形成非对称光栅图形，然后去胶并利用感应耦合等离子体刻蚀技术，将图形转移到si薄层上，最终制备出本发明的双波长超窄带宽介质超材料吸收器。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。