一種可見光雙向吸收體結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁波吸收結構，特別涉及一種可見光雙向吸收體結構，可應用于熱光伏器件、光電探測器和可見光區(qū)域偽裝、隱身等領域。
【背景技術】
[0002]2008年，Landy, N.1.在期刊《Physical review letters》上發(fā)表研究論文，首次提出了單波長吸收率為100%的完美吸收體結構。此后，人們一直致力于探索一種寬波段和廣角度的完美電磁吸收體結構，因為這類寬波段電磁吸收體在熱光伏器件、光電探測器、以及隱身偽裝等領域具有潛在的、巨大的應用潛力。特別是可見光頻段的完美吸收體還可以應用于熱影像技術、無油墨印刷及可調節(jié)熱光伏器件等。因此，可見光頻段的完美吸收體研究引起了廣大科技工作者的極大研究興趣。例如:Mihail Bora等在周期為350 nm的Si納米線上沉積金屬，在波長400-800 nm的可見光頻段平均吸收率達到75%以上[AppliedPhysics Letters, 102(25), 251105] oMehdi , Κ.H等在石英基底上依次沉積 100 nm厚的Au，25 nm厚的Si02 ,20 nm厚的Au和Si02的納米復合顆粒，在400-750 nm的可見光頻段實現(xiàn)了接近 100%的電磁吸收率[Advanced Materials，23(45), 5410-5414] 0Μ.K.Hedayati等基于Mehdi, Κ.Η的設計思路，基于相同的設計思路，在石英基底上依次沉積100 nm厚的Cu，20 nm厚的Si02，20 nm厚的Cu和聚四氟乙烯(PTFE)的納米混合顆粒層，在300-800 nm的可見光頻段實現(xiàn)了97%的光吸收率[Applied Physics A,109(4), 769-773]。公開號為CN104849783A的中國發(fā)明專利[基于納米壓印工藝的可見與近紅外光吸收體及其加工方法]提出了襯底-金屬層(大于100 nm)_介電層結構的光吸收體結構，實現(xiàn)了可見光及紅外波段高效電磁吸收。授權公告號為CN101740722B的中國發(fā)明專利[一種寬波段的近完美吸收結構]提出采用金屬球粒子-有機介質-金屬膜三層結構，通過優(yōu)化周期和粒子直徑，實現(xiàn)了可見光區(qū)域的寬波段吸收，但該結構吸收的電磁并未轉化成歐姆熱，而是被有機介質吸收，與真正意義的光吸收體是有明顯區(qū)別和差異的。授權公開號為CN101724811B的中國發(fā)明專利[一種基于亞波長金屬孔陣列的電磁吸收體]提出了金屬膜(大于50 nm)_亞波長介質柱-金屬膜三層結構，實現(xiàn)了可見光區(qū)域廣譜電磁吸收。然而，目前公開報道的文獻及專利提出的可見光吸收體結構僅僅能實現(xiàn)一側入射光的完美吸收，而另一側入射光則不能被吸收，導致光吸收體的吸收效率固有受限，不可避免地造成了光能量的浪費。換言之，已公開的可見光吸收體結不能同時實現(xiàn)雙向入射光完美吸收。

【發(fā)明內容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術不足，克服現(xiàn)有可見光吸收體結構僅能單方向吸收電磁波的缺點，提出一種可見光雙向吸收體結構，在可見光頻段達到雙向、廣角、高效電磁吸收，實現(xiàn)了整個器件總吸收效率的劇增。
[0004]本發(fā)明解決現(xiàn)有技術不足的所采用的技術方案是:一種可見光雙向吸收體，其特征在于所述的結構制作步驟如下: (1)利用納米加工技術在基底材料上制備二維納米陣列單元，納米結構單元周期為100-200 nm，納米結構單元底部寬度與周期的比值小于0.4，納米結構單元的高度與單元底部寬度的比值大于1.5;
(2)在二維納米結構單元上蒸鍍或濺射一層厚度為5-20nm的金屬層；
(3)在上述金屬層上蒸鍍或濺射一層厚度為5-20nm的介質層。
[0005]優(yōu)選的，所述的步驟(1)中的基底和納米結構單位材料為石英、聚甲基丙烯酸丁酯、全氟聚醚，聚碳酸酯，紫外光固化膠等透明材質。
[0006]優(yōu)選的，所述的步驟(1)中的二維納米陣列單元為周期、準周期或隨機分布。
[0007]優(yōu)選的，所述的步驟(2)中的金屬為金或者鎳。
[0008]優(yōu)選的，所述的步驟(3)中的介質為Si3N4或者Si02。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的有益效果是:本發(fā)明通過技術方案中各個步驟的組合，可與本領域內公知的微納加工技術相結合，同時實現(xiàn)雙向可見光吸收，具有結構簡單、材料消耗少、廣角的特性，在光伏器件、光電探測器、熱影像技術、無油墨印刷、以及隱身偽裝等領域具有潛在的、巨大的應用潛力。
【附圖說明】:
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見，下面描述的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0010]圖1為本發(fā)明可見光雙向吸收體結構示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明實施例一中納米結構單元的SEM圖。
[0012]圖3a、b分別為本發(fā)明實施例一的正向入射和反向入射時的光吸收/反射/透射測試圖。
[0013]圖4a、b分別為本發(fā)明實施例一的正向入射和反向入射時(30°和60°)的吸收率測試圖。
[0014]圖5為本發(fā)明實施例一的可見光雙向吸收體結構實物效果照片。
[0015]圖6為本發(fā)明實施例二的垂直正向入射和垂直反向入射時的吸收率測試圖。
[0016]圖7為本發(fā)明實施例三的垂直正向入射和垂直反向入射時的吸收率測試圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細介紹。但這些實施例僅限于解釋本發(fā)明，而且本發(fā)明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，本領域的技術人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下根據(jù)這些【具體實施方式】所做出的結構、方法或功能上的變換均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
[0018]本發(fā)明公開了一種可見光雙向吸收體結構。參見圖1所示，該雙向吸收體結構包括透明基底1，位于基底上的納米結構單元2，位于納米結構單元上的金屬層3，位于金屬層上的介質層4，納米結構單元的周期P在100 -200 nm之間，納米結構單元高度Hi與底部寬度d的比值大于1.5，金屬層厚度(H2-H1)在5-20 nm之間，介質層厚度(H3-H2)在5-20 nm之間。該雙向吸收體可同時從正向5和反向6高效吸收可見光頻段電磁場。
[0019]實施例一:
本實施例的一種可見光雙向吸收體的制作過程如下:
(1)采用聚對苯二甲酸乙二醇酯作為基底材料，利用我們前期公開報道的本領域的公知技術-軟納米壓印技術(Advanced Funct1nal Materials, 25(18)，2660-2668)，在基底上制備材質為紫外光固化膠的納米結構單元(如圖2所示)，納米結構單元周期為P = 180nm，高度為Hi=300 nm，底部寬度為d=65 nm；
(2)采用熱蒸鍍方法在上述納米結構單元上蒸鍍一層金屬Au,厚度(H3-H2)=20 nm；
(3)采用磁控濺射方法在金屬層Au上制作介質層氮化硅膜(Si3N4)，厚度(H3-H2)= 18
nmD
最終，如圖3a所示，得到的可見雙向吸收體器件的在整個段300 nm-800 nm可見光波段的正向平均吸收率為88.3%，相應的反向平均吸收率為77.6% (如圖3b所示)。進一步測試該雙向光吸收體在不同入射角情況下的吸收率，如圖4a，4b所示，入射角Θ為30°和60°時的吸收率波動較小，說明本發(fā)明提出的雙向光吸收體結構具有廣角特性。因而，本實施例制備的器件在環(huán)境光下呈現(xiàn)出近完美的黑色(如圖5所示)，更為重要的是，相比于其他傳統(tǒng)的單向光吸收體，反向吸收率的出現(xiàn)和增加，實現(xiàn)了整個器件總吸收效率的劇增。
[0020]實施例二:
本實施例的一種可見光雙向吸收體的制作過程如下:
(1)納米結構單元制備同實施例一中的步驟(1);
(2)采用測控濺射方法在在上述納米結構單元上制作一層金屬Ni，厚度(H3-H2)=15
nm；
(3)采用磁控濺射方法在金屬層Ni上制作介質層氮化硅膜(Si3N4)的厚度(H3-H2)= 10
nmD
結果如圖6所示，得到的可見雙向吸收體器件的在整個段300 nm-800 nm可見光波段的正向平均吸收率為89.1%，相應的反向平均吸收率為67.4%。
[0021 ] 實施例三:
本實施例的一種可見光雙向吸收體的制作過程如下:
(1)采用單晶硅片作為基底材料，采用電子束刻蝕的方法，在單晶硅片上制備了納米結構單元，周期為P = 120 nm高度為Hi=250 nm，底部寬度為d=60 nm；
(2)采用熱蒸鍍方法在上述納米結構單元上蒸鍍一層金屬Au,厚度(H3-H2)=15 nm；
(3)采用熱蒸鍍方法在金屬層Au上制作介質層二氧化娃(Si02)，厚度(H3-H2)=22nm。 測試制備器件的正向和反向吸收率，結果如圖7所示，得到的可見雙向吸收體器件的在整個段300 nm-800 nm可見光波段的正向平均吸收率為88.1%，相應的反向平均吸收率為64.5%ο
[0022]本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領域的公知技術。
【主權項】
1.一種可見光雙向吸收體結構，其特征在于所述的雙向吸收體制作步驟如下: (1)利用納米加工技術在基底材料上制備二維納米陣列單元，納米結構單元周期為100-200 nm，納米結構單元底部寬度與周期的比值小于0.4，納米結構單元的高度與單元底部寬度的比值大于1.5; (2)在二維納米結構單元上蒸鍍或濺射一層厚度為5-20nm的金屬層； (3)在上述金屬層上蒸鍍或濺射一層厚度為5-20nm的介質層。2.如權利1所述的可見光雙向吸收體結構，其特征在于:所述的步驟(1)中的基底和納米結構單元材料為石英、單晶硅、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸丁酯、全氟聚醚，聚碳酸酯，紫外光固化膠等透明材質。3.如權利1所述的可見光雙向吸收體結構，其特征在于:所述的步驟(1)中的二維納米陣列單元為周期或準周期分布。4.如權利1所述的可見光雙向吸收體結構，其特征在于:所述的步驟(2)中的金屬為金或者鎳。5.如權利1所述的可見光雙向吸收體結構，其特征在于:所述的步驟(3)中的介質為Si3N4 或者 Si02。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種本發(fā)明公開了一種可見光雙向吸收體結構。該吸收體結構制備步驟如下：(1)利用納米加工技術在基底材料上制備二維納米陣列單元，納米結構單元周期為100-200nm，納米結構單元底部寬度與周期的比值小于0.4，納米結構單元的高度與單元底部寬度的比值大于1.5；(2)在二維納米結構單元上蒸鍍或濺射一層厚度為5-20nm的金屬層；(3)在上述金屬層上蒸鍍或濺射一層厚度為5-20nm的介質層。本發(fā)明實現(xiàn)了可見光的雙向近完美吸收，具有結構簡單、材料消耗少、廣角的特性，在光電探測器、及隱身偽裝等領域具有廣泛的應用前景。
【IPC分類】B82Y30/00, B81C1/00, G02B5/00, B81B1/00, B82Y40/00
【公開號】CN105480931
【申請?zhí)枴緾N201510915402
【發(fā)明人】周雷, 高本領, 朱雨富, 范媛媛, 林毅, 張俊
【申請人】淮陰工學院
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月14日