專利名稱：一種寬波段的近完美吸收結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁波吸收結(jié)構(gòu)，具體地說是一種新型的寬波段的電磁波近完美
吸收結(jié)構(gòu)。 2008年D. R. Smith等人發(fā)現(xiàn)利用開口環(huán)諧振器和金屬短線對的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn) 窄帶的近完美吸收，完美吸收即器件對電磁波的吸收效率為100%，反射和透射的能量全為 零。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)引起了人們的關(guān)注，對各種開口環(huán)結(jié)合底層金屬，中間插入一層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了研究，發(fā)現(xiàn)在引起高吸收的波長處同時(shí)發(fā)生了開口環(huán)自身的電諧振以及開口環(huán)與底層 金屬之間的磁諧振。這些諧振導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的等效阻抗與真空形成良好的匹配，反射電磁 波能量得到相當(dāng)高的抑制，同時(shí)在該諧振波長處的消光系數(shù)較大，電磁波無法透射穿過器 件，從而形成窄帶的近完美吸收的黑體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在有關(guān)太陽能電池的諸多研究中發(fā)現(xiàn)， 將金屬粒子與太陽能電池的電磁波吸收材料結(jié)合，利用金屬粒子的表面等離子體局域效 應(yīng)，可以有效地將較寬波段的入射場能量局域在金屬粒子周圍，從而增加電磁波與太陽能 電池吸收材料的作用時(shí)間，使之對能量的吸收效率得到增強(qiáng)。但在基于金屬粒子的太陽能 電池研究中，沒有提出近完美吸收的積極作用。 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種寬波段的近完美吸
收結(jié)構(gòu)，吸收波段寬度大于吸收介質(zhì)帶寬的電磁波吸收結(jié)構(gòu)，達(dá)到寬帶的近完美吸收，即結(jié)
構(gòu)的反射能量和透射能量幾乎為零，實(shí)現(xiàn)了整個器件吸收帶寬的擴(kuò)展及吸收效率的提高。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種寬波段的近完美吸收結(jié)構(gòu)，制作步驟如下 (1)根據(jù)入射波頻段確定吸收材料及金屬材料，吸收材料的吸收帶寬位于所確定
的入射波頻段內(nèi)，所選金屬能激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng)； (2)器件結(jié)構(gòu)制作a、在基底上蒸鍍一層厚度大于lm的金屬膜，使電磁波無法透 射；b、在金屬膜上旋涂吸收介質(zhì)材料；c、利用微加工技術(shù)在吸收介質(zhì)材料層上制作金屬納 米球粒子； (3)根據(jù)基于金屬納米粒子的太陽能電池結(jié)構(gòu)中金屬粒子的大小，確定每個金屬 球型粒子的直徑d的范圍； (4)為實(shí)現(xiàn)在吸收介質(zhì)吸收范圍之外的波段實(shí)現(xiàn)高吸收，即吸收帶寬的擴(kuò)展，基于 金屬球粒子_介質(zhì)_金屬板三層結(jié)構(gòu)之間的電磁諧振能將入射場局域的作用，使金屬球粒 子形成采用四邊形陣列分布，表面等離子體光柵方程 A。為入射光波長，e (") = e ' +i￡ 〃為金屬介電常數(shù)，h為金屬周圍介質(zhì)的 介電常數(shù)，m為整數(shù)，p為金屬球周期，利用該方程確定周期p的范圍；
背景技術(shù)：
發(fā)明內(nèi)容
(5)對金屬球周期p及金屬球直徑d優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)吸收波段寬度大于吸收介質(zhì)帶 寬的電磁波寬波段吸收，即根據(jù)步驟(3)、(4)確定的范圍內(nèi)，不同直徑d與周期p下的電磁 諧振的波段范圍及諧振強(qiáng)弱的分布規(guī)律，對分布周期P及金屬球直徑d進(jìn)行優(yōu)化選擇，最終 實(shí)現(xiàn)吸收波段寬度大于吸收介質(zhì)帶寬的近完美吸收結(jié)構(gòu)。
所述步驟(1)中的基底材料為石英。 所述步驟(1)中的吸收介質(zhì)材料為聚合物太陽能電池光敏材料、無機(jī)太陽能電 池光敏材料。所述聚合物太陽能電池中的光敏材料為P3HT:PCBM(聚_3己基噻吩6，6_苯基碳 61丁酸甲酯)；無機(jī)太陽能電池光敏材料為硅。
所述步驟(1)中的金屬材料為金、銀或鋁。 所述步驟(3)中金屬球的直徑d為入射光的亞波長量級，即cK A。， A。為入射光 波長。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)本發(fā)明結(jié)合了基于電磁諧振的窄帶近完美吸收結(jié)構(gòu)及基于金屬納米粒子表面 等離子體局域效應(yīng)的太陽能電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，利用金屬納米球的表面等離子體局域效應(yīng)增 強(qiáng)介質(zhì)吸收材料在其自身吸收范圍內(nèi)的電磁波吸收效率；同時(shí)使金屬納米球形成四邊形陣 列分布，利于產(chǎn)生類似窄帶近完美吸收結(jié)構(gòu)中的電磁諧振，達(dá)到在所用吸收介質(zhì)材料吸收 范圍之外的近完美吸收，實(shí)現(xiàn)整個器件吸收帶寬的擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)了對可見光范圍內(nèi)的寬 波段近完美吸收作用。 (2)本發(fā)明中的金屬球陣列的參數(shù)與入射波長相比，在可見光波段相差不大，加工 難度相對容易。 (3)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，將窄帶近完美吸收結(jié)構(gòu)與基于金屬納米結(jié)構(gòu) 的太陽能電池結(jié)構(gòu)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對電磁波的吸收帶寬及效率優(yōu)于復(fù)合前的兩種單一結(jié)構(gòu)。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，1為金屬球粒子，2為吸收介質(zhì)，3為金屬板，4為基 底； 圖2為可見光波段銀球直徑與電磁諧振位置處吸收率大小及共振波長的關(guān)系圖；
圖3為可見光波段銀球分布周期與電磁諧振位置處的共振波長關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實(shí)施例本領(lǐng)域技術(shù)人員 即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。
實(shí)施例 —種應(yīng)用周期的金屬納米球陣列進(jìn)行寬波段電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)的制作過程 如下 (1)選擇可見光波段，介質(zhì)吸收材料選擇聚合物太陽能電池光敏材料P3HT:PCBM， 其吸收范圍在350nm-630nm ;金屬材料選擇銀和鋁；
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(2)器件結(jié)構(gòu)制作a、利用金屬鋁在石英基底材料上蒸鍍一層厚度大于lm的金屬 膜，使電磁波無法透射；b、在金屬膜上旋涂100nm厚的吸收介質(zhì)材料；c、利用微加工技術(shù)， 如自組裝技術(shù)，在吸收介質(zhì)層上制作銀金屬納米球粒子； (3)可見光的最小波長為400nm，于是金屬球粒子的直徑d小于400nm ;
(4)可見光波段的寬波段近完美吸收結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)公式(1)，為使結(jié)構(gòu)尺 寸利于加工，取m = 2，入射光波長A。大于630nm，得到周期p的范圍在600nm左右。
(5)根據(jù)圖2所示的分布規(guī)律，當(dāng)金屬球直徑為260nm時(shí)，其吸收系數(shù)接近l，且電 磁諧振導(dǎo)致的吸收波長離光敏材料的吸收截止波長630nm較遠(yuǎn)，吸收帶寬擴(kuò)展的幅度大， 于是金屬球的直徑選擇d = 260nm，此時(shí)電磁諧振位置在654nm ;根據(jù)圖3，在654nm處產(chǎn)生 諧振的金屬球周期為500nm，于是選擇p = 500nm。 (6)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)后，得到器件的吸收帶寬從350nm-630nm擴(kuò)展到350nm-670nm， 能量吸收效率達(dá)到93. 9%，比沒有金屬球粒子的器件提高33. 8% 。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述結(jié)構(gòu)的制作步驟如下(1)根據(jù)入射波頻段確定基底材料、吸收材料及金屬材料；(2)器件結(jié)構(gòu)制作a、在基底上蒸鍍一層厚度大于1m的金屬膜，使電磁波無法透射；b、在金屬膜上旋涂吸收介質(zhì)材料；c、利用微加工技術(shù)在吸收介質(zhì)材料層上制作金屬納米球粒子；(3)根據(jù)太陽能電池結(jié)構(gòu)中金屬粒子的大小，確定金屬球型粒子的直徑d的范圍；(4)多個金屬球粒子采用四邊形陣列分布，表面等離子體光柵方程 <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>sp</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><msqrt> <mfrac><mrow> <mi>ϵ</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo> </mrow> <msub><mi>ϵ</mi><mi>d</mi> </msub></mrow><mrow> <mi>ϵ</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>ϵ</mi><mi>d</mi> </msub></mrow> </mfrac></msqrt><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mo>+</mo><mi>m</mi><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <mi>p</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>λ0為入射光波長，ε(ω)＝ε′+iε″為金屬介電常數(shù)，εd為金屬周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，m為整數(shù)，p為金屬球周期，利用該方程確定金屬球周期p的范圍；(5)對金屬球周期p及金屬球直徑d優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)吸收波段寬度大于吸收介質(zhì)帶寬的電磁波寬波段吸收。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步驟(1)中的基底材料為石英。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步 驟(1)中的吸收介質(zhì)材料為可見光材料，或紅外材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述可見光材料為聚合物太陽能電池中的光敏材料P3HT:PCBM(聚-3己基噻吩6，6-苯基碳61丁 酸甲酯)；無機(jī)太陽能電磁光敏材料如硅。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步 驟(1)中的金屬材料為金、銀或鋁。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步 驟(3)中金屬球的直徑d為入射光的亞波長量級，即d < A 。， A 。為入射光波長。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬波段的電磁波吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步驟(5)中根據(jù)電磁諧振的波段范圍及諧振強(qiáng)弱的分布規(guī)律優(yōu)化金屬球的直徑d及分布周期p。
全文摘要
一種寬波段的電磁波近完美吸收結(jié)構(gòu)，步驟如下(1)根據(jù)入射波頻段確定吸收材料及金屬材料；(2)器件結(jié)構(gòu)制作；(3)基于金屬納米球型粒子的表面等離子體局域效應(yīng)確定金屬球型粒子的直徑d的范圍；(4)基于金屬球粒子-介質(zhì)-金屬膜三層結(jié)構(gòu)之間的電磁諧振效應(yīng)確定金屬球粒子的分布及周期p的范圍；(5)優(yōu)化粒子直徑d及其分布周期p，實(shí)現(xiàn)整個器件吸收帶寬的擴(kuò)展。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對可見光范圍內(nèi)的寬波段近完美吸收作用。
文檔編號H01L31/18GK101740722SQ20091024354
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者夏良平, 杜春雷, 董小春, 高洪濤 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所