可见光宽波段吸收器及其制作方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910055998.8 (22)申请日 2019.01.22 (71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 虞益挺赵建村 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 吕湘连 (51)Int.Cl. G02B 5/00(2006.01) (54)发明名称 一种可见光宽波段吸收器及其制作方法 (57)摘要 本发明公开了一种可见光宽波段吸收器及 其制作方法， 属于集成光电子领域， 主要涉及结 构-光场调控技术、。

2、 光谱技术、 纳米加工技术等。 该器件主要包括基底3， 置于基底3上的光刻胶周 期性纳米结构2， 以及沉积于两者之上的可见光 高吸收材料层1。 基底3为吸收器结构提供刚性支 撑； 周期性纳米结构2为增强共振吸收提供条件； 高吸收材料介质层1可增强电磁共振能量吸收， 在可见光范围内， 折射率虚部系数k4的材料对 入射光具有很高的吸收效率； 高吸收材料侧壁1- 2可进一步将入射光局域在微纳结构内部， 提高 吸收效率； 通过优化周期性纳米结构的几何尺 寸， 可以实现对可见光范围内的宽波段完美吸 收， 吸收率高达90以上， 覆盖整个可见光范围， 且具有偏振无关、 入射角不敏感等特性。 权利要求书1页 。

3、说明书5页 附图5页 CN 110007381 A 2019.07.12 CN 110007381 A 1.一种可见光宽波段吸收器， 其特征在于， 主要包括基底3， 置于基底3上的光刻胶周期 性纳米结构2， 以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1； 所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列。 所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、 直接沉积 在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、 以及附着在光刻胶周期性纳米结构 2外周的高吸收材料侧壁1-2； 所述高吸收材料底层1-3和高吸收材料纳米柱1-1的厚度t与光刻胶周期性纳米结构2 的厚度h满足： h。

4、t。 2.一种可见光宽波段吸收器， 其特征在于， 所述基底3材料为硅、 玻璃或BOPET聚酯薄 膜。 3.一种可见光宽波段吸收器， 其特征在于， 所述周期性纳米结构2形状为圆柱直径为 90-130nm， 周期为170-210nm。 4.一种可见光宽波段吸收器， 其特征在于， 所述周期性纳米结构2形状为方形柱， 边长 为90-130nm， 周期为170-210nm。 5.一种可见光宽波段吸收器， 其特征在于， 所述周期性纳米结构2的排列形式为方形阵 列排布， 或三角形阵列排布。 6.一种可见光宽波段吸收器， 其特征在于， 所述可见光高吸收材料层1的材料的为折射 率虚部系数k4的材料。 7.一种可。

5、见光宽波段吸收器， 其特征在于， 所述可见光高吸收材料层1的材料的为锗。 8.一种如权利要求1-7之一所述的可见光宽波段吸收器的制备方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： (a)基底3清洗： 将基底3放入丙酮溶液中超声清洗， 之后用乙醇超声清洗， 最后用去离 子水清洗， 氮气吹干， 放在热板上烘干； (b)涂覆光刻胶4： 利用旋涂机、 纳米辊压设备等在基底3上均匀涂覆一层光刻胶4， 涂覆 完毕后热烘， 使光刻胶4固化； (c)制作光刻胶周期性纳米结构2： 针对厘米级小尺寸的可见光宽波段吸收器采用电子 束曝光或激光干涉式光刻的方法加工； 针对大批量大面积的可见光宽波段吸收器采用纳米 辊压的方法进。

6、行加工。 (d)沉积可见光高吸收材料1： 利用电子束蒸镀技术、 磁控溅射技术或化学气相沉积技 术对上述基片沉积特定厚度的高吸收材料1， 完成宽波段吸收器的制作。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110007381 A 2 一种可见光宽波段吸收器及其制作方法 0001 所属领域 0002 本发明属于集成光电子领域， 主要涉及结构-光场调控技术、 光谱技术、 纳米加工 技术等。 现有技术 0003 由于光吸收具有能量转化和光谱选择的本征属性， 基于光吸收特性的可见光宽波 段吸收器在诸多领域有着重要应用， 既包括信息传感、 大气环境监控等感知应用领域， 也包 括光伏生电、 太阳能热水器等能源应用领。

7、域。 因此， 可见光宽波段吸收器正逐渐引起学术界 与产业界的广泛关注， 提升其光吸收性能， 挖掘其光吸收特性的应用潜能， 有着重要的研究 意义和实用价值。 0004 近年来， 研究人员设计了各种各样的可见光吸收器结构， 比如平面金属/介质结 构、 金属光栅结构等。 然而这些吸收器存在带宽窄、 加工困难、 入射光偏振依赖性强、 吸收效 率低等问题。 2011年， 太原理工大学崔艳霞等人报道了一种基于多尺寸纳米光栅结构的宽 波段吸收器Applied Physics Letters,99,253101,2011， 通过调节各纳米光栅的宽度， 便可达到宽波段吸收的效果， 然而这种多尺寸的纳米结构增加了。

8、设计与加工难度； 美国加 州理工学院Koray Aydin等人报道了一种通过在金属/介质/金属结构顶层加工复杂形状的 纳米结构来实现宽波段吸收的超薄等离子体吸收器， 但在400nm至700nm波段其吸收效率平 均值仅为71， 效率较低Nature Communication,2,517,2011； 2012年， 美国伊利诺大学 香槟分校Nicholas X.Fang等人报道了一种基于锯齿形各向异性超材料板的超宽波段吸收 器， 该吸收器不仅需要多层膜， 而且还需要在多层膜上加工微纳结构， 设计制作难度大， 且 对入射光偏振态比较敏感Nano Letters,12,1443,2012； 2016年。

9、， 密歇根大学L.J.Guo团 队报道了一种基于多层膜的超宽波段吸收器， 该吸收器由三种吸收材料层依次叠加串联而 成， 其吸收效率可达到98， 然而这种吸收器对膜层的厚度非常敏感， 在加工时很难保证各 层膜的厚度ACS Photonics,3,590,2016。 有效的可见光宽波段吸收器必须同时具有足够 宽的吸收波段， 高的吸收效率， 且对入射光偏振不敏感的特性， 并且在加工、 设计等方面的 要求要尽可能低， 以减小设计与加工制作成本， 因此， 继续开发和探索新型的可见光宽波段 吸收器是器件发展的需要。 发明内容 0005 发明目的 0006 为了克服多尺寸微纳结构吸收器尺寸复杂、 设计加工难。

10、度大， 光栅结构吸收器偏 振依赖性强等问题， 本发明提出一种基于周期性纳米结构的可见光宽波段吸收器， 旨在提 高吸收效率、 减小偏振态及入射光角度影响。 0007 技术方案 0008 本发明提出的可见光宽波段吸收器结构参阅图1和图2。 器件主要包括基底3， 置于 基底3上的光刻胶周期性纳米结构2， 以及沉积于两者之上的可见光高吸收材料层1； 说明书 1/5 页 3 CN 110007381 A 3 0009 所述基底3选择硅、 玻璃、 BOPET聚酯薄膜等； 0010 所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列； 0011 进一步的， 所述周期性纳米结构2形状除圆柱外， 也可为方形柱等， 其。

11、直径(针对圆 形纳米柱)或边长(针对方形纳米柱)范围要求为90-130nm， 周期范围要求为170-210nm； 0012 进一步的， 所述周期性纳米结构2的排列形式可为方形阵列排布， 也可为三角形阵 列排布等； 0013 所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、 直接 沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、 以及附着在光刻胶周期性纳米 结构2外周的高吸收材料侧壁1-2； 0014 进一步的， 所述高吸收材料底层1-3和高吸收材料纳米柱1-1的厚度t与光刻胶周 期性纳米结构2的厚度h满足： ht； 0015 进一步的， 所述可见光高吸收材料层1的。

12、材料可选择锗等折射率虚部系数k4的材 料。 0016 本发明提出的一种可见光宽波段吸收器， 其制作方法参阅图3， 包括如下步骤： 0017 (a)基底3清洗： 将基底3放入丙酮溶液中超声清洗， 之后用乙醇超声清洗， 最后用 去离子水清洗， 氮气吹干， 放在热板上烘干； 0018 (b)涂覆光刻胶4： 利用旋涂机、 纳米辊压设备等在基底3上均匀涂覆一层光刻胶4， 涂覆完毕后热烘， 使光刻胶4固化； 0019 (c)光刻胶周期性纳米结构2制作： 针对厘米级小尺寸的可见光宽波段吸收器采用 电子束曝光、 激光干涉式光刻等方法加工； 针对大批量大面积的可见光宽波段吸收器采用 纳米辊压等方法进行加工。 0。

13、020 (d)沉积可见光高吸收材料1： 利用电子束蒸镀技术、 磁控溅射技术或化学气相沉 积技术等对上述基片沉积特定厚度的高吸收材料1， 完成宽波段吸收器的制作。 0021 有益效果 0022 基底3为吸收器结构提供刚性支撑； 周期性纳米结构2为增强共振吸收提供条件； 高吸收材料介质层1可增强电磁共振能量吸收， 在可见光范围内， 折射率虚部系数k4的材 料对入射光具有很高的吸收效率； 高吸收材料侧壁1-2可进一步将入射光局域在微纳结构 内部， 提高吸收效率； 通过优化周期性纳米结构的几何尺寸， 可以实现对可见光范围内的宽 波段完美吸收， 吸收率高达90以上， 覆盖整个可见光范围， 且具有偏振无关。

14、、 入射角不敏 感等特性。 其具体的效果总结如下： 0023 (1)本发明的吸收结构具有吸收效率高的优点， 吸收效率在90以上， 覆盖范围为 400-800nm可见光全波段； 0024 (2)本发明的吸收结构具有偏振无关特性； 0025 (3)本发明设计的吸收结构引入可见光高吸收材料， 仅需单一结构尺寸便可实现 宽波段吸收， 且容许一定的结构尺寸误差， 减小了设计及制作的复杂度。 0026 (4)本发明的吸收结构具有对入射光不敏感特性。 附图说明 0027 图1为可见光宽波段吸收器的三维示意图 说明书 2/5 页 4 CN 110007381 A 4 0028 图2为可见光宽波段吸收器的截面示。

15、意图 0029 图3为可见光宽波段吸收器的加工工艺流程图 0030 图4为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器的吸收光谱曲线图 0031 图5为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器在不同结构尺寸下的吸收光谱图 0032 图6为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器结构的侧壁影响分析图 0033 图7为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器在0-90度偏振态下的吸收光谱图 0034 图8为圆形柱方形阵列可见光宽波段吸收器在不同入射角下的吸收光谱图 0035 图9为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器的吸收光谱曲线图 0036 图10为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器在不同结构尺寸下的吸收光谱图 0037 图11为方。

16、形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器结构的侧壁影响分析图 0038 图12为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器在0-90度偏振态下的吸收光谱图 0039 图13为方形柱三角形阵列可见光宽波段吸收器在不同入射角下的吸收光谱图 0040 其中1-1.高吸收材料纳米柱； 1-2.高吸收材料侧壁； 1-3.高吸收材料底层； 2.光刻 胶周期性纳米结构； 3.基底； 4.光刻胶； t为高吸收材料层厚度； h为光刻胶厚度； P为周期性 纳米结构阵列的周期； D为纳米结构的直径。 具体实施方式 0041 实施例1： 0042 本发明实施的基于电子束曝光方法制作的的小尺寸厘米级可见光宽波段吸收器 结构参阅图1和图。

17、2。 器件主要包括基底3， 置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2， 以及沉 积于两者之上的可见光高吸收材料层1； 0043 所述基底3选择硅基底； 0044 所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列； 0045 进一步的， 所述光刻胶周期性纳米结构2所用光刻胶可选用正胶， 也可选用负胶； 0046 进一步的， 所述周期性纳米结构2选择圆形柱； 0047 进一步的， 所述周期性纳米结构2的排列形式选择方形阵列排布； 0048 所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、 直接 沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、 以及附着在光刻胶周期性纳米 结构。

18、2外周的高吸收材料侧壁1-2； 0049 进一步的， 所述高吸收材料底层1-3和高吸收材料纳米柱1-1的厚度t80nm， 光刻 胶周期性纳米结构2的厚度h120nm； 0050 进一步的， 所述可见光高吸收材料层1的材料选择锗。 0051 本发明实施的一种可见光宽波段吸收器， 其制作方法参阅图3， 包括如下步骤： 0052 (a)基底3清洗： 将硅基底3放入丙酮溶液中超声清洗5分钟， 之后用乙醇超声清洗5 分钟， 最后用等离子水清洗， 氮气吹干， 放在180热板上热烘2分钟； 0053 (b)涂覆光刻胶4： 利用旋涂机在硅基底3上旋涂一层120nm厚的PMMA光刻胶4， 旋涂 完毕后放在180。

19、热板上热烘2min， 使光刻胶4固化； 0054 (c)光刻胶周期性纳米结构2制作： 将上述基片放入电子束曝光设备， 选择合适的 曝光剂量， 以周期170nm-210nm， 直径90nm-130nm的周期性纳米孔为图形进行曝光； 将曝光 说明书 3/5 页 5 CN 110007381 A 5 后的基片放在显影液中显影， 之后放入异丙醇中漂洗， 然后用氮气吹干， 得到具有周期性纳 米结构2的基片； 0055 (d)沉积可见光高吸收材料1： 利用化学气相沉积设备对上述基片沉积80nm厚的可 见光高吸收材料锗1， 完成宽波段吸收器的制作。 0056 进一步的， 参阅图4， 制作的周期180nm， 。

20、直径100nm的结构在400-800nm波段， 吸收 效率达90以上。 0057 进一步的， 参阅图5， 结构尺寸在一定的误差范围内， 仍可具有较高的吸收效率， 减 小了对加工制作的工艺要求。 0058 进一步的， 参阅图6， 在化学气相沉积锗的过程中， 不可避免的会在周期性纳米结 构2的侧壁上沉积一层锗， 带有侧壁的结构有更高的吸收效率。 0059 进一步的， 参阅图7， 不同偏振态下吸收光谱曲线几乎保持一致， 吸收器具有较好 的偏振无关特性。 0060 进一步的， 参阅图8， 随着入射光角度的增加， 吸收器结构仍可保持较高的吸收效 率， 对入射光角度不敏感。 0061 实施例2： 0062。

21、 本发明实施的基于纳米辊压方法制作的大面积可见光宽波段吸收器结构参阅图1 和图2。 器件主要包括基底3， 置于基底3上的光刻胶周期性纳米结构2， 以及沉积于两者之上 的可见光高吸收材料层1； 0063 所述基底3选择BOPET聚酯薄膜基底； 0064 所述光刻胶周期性纳米结构2为周期性纳米柱阵列； 0065 进一步的， 所述周期性纳米结构2选择方形柱； 0066 进一步的， 所述周期性纳米结构2的排列形式选择三角形阵列排布； 0067 所述可见光高吸收材料层1包括直接沉积在基底3上的高吸收材料底层1-3、 直接 沉积在光刻胶周期性纳米结构2上的高吸收材料纳米柱1-1、 以及附着在光刻胶周期性纳。

22、米 结构2外周的高吸收材料侧壁1-2； 0068 进一步的， 所述高吸收材料底层1-3和高吸收材料纳米柱1-1的厚度t80nm， 光刻 胶周期性纳米结构2的厚度h120nm； 0069 进一步的， 所述可见光高吸收材料层1的材料选择锗。 0070 本发明实施的一种可见光宽波段吸收器， 其制作方法参阅图3， 包括如下步骤： 0071 (a)基底3清洗： 将BOPET聚酯薄膜基底3放入丙酮溶液中超声清洗5分钟， 之后用乙 醇超声清洗5分钟， 最后用等离子水清洗， 氮气吹干并热烘； 0072 (b)涂覆光刻胶4： 利用纳米辊压设备在BOPET聚酯薄膜基底3上涂覆一层120nm厚 的HSQ光刻胶4， 。

23、涂覆完毕后热烘， 使光刻胶4固化； 0073 (c)光刻胶周期性纳米结构2制作： 将上述基片放入纳米辊压设备， 以周期180nm- 210nm， 直径90nm-120nm的周期性纳米孔为辊压模板进行辊压， 得到具有周期性纳米结构2 的基片； 0074 (d)沉积可见光高吸收材料1： 利用电子束蒸发镀膜机对上述基片蒸镀80nm可见光 高吸收材料锗1， 完成宽波段吸收器的制作。 0075 进一步的， 参阅图9， 制作的周期210nm， 边长100nm的结构在400-800nm波段， 吸收 说明书 4/5 页 6 CN 110007381 A 6 效率达90以上。 0076 进一步的， 参阅图10，。

24、 结构尺寸在一定的误差范围内， 仍可具有较高的吸收效率， 减小了对加工制作的工艺要求。 0077 进一步的， 参阅图11， 在电子束蒸镀锗的过程中， 不可避免的会在周期性纳米结构 2的侧壁上沉积一层锗， 带有侧壁的结构有更高的吸收效率。 0078 进一步的， 参阅图12， 不同偏振态下吸收光谱曲线几乎保持一致， 吸收器具有较好 的偏振无关特性。 0079 进一步的， 参阅图13， 随着入射光角度的增加， 吸收器结构仍可保持较高的吸收效 率， 对入射光角度不敏感。 说明书 5/5 页 7 CN 110007381 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/5 页 8 CN 110007381 A 8 图4 图5 图6 说明书附图 2/5 页 9 CN 110007381 A 9 图7 图8 图9 说明书附图 3/5 页 10 CN 110007381 A 10 图10 图11 图12 说明书附图 4/5 页 11 CN 110007381 A 11 图13 说明书附图 5/5 页 12 CN 110007381 A 12 。