[发明专利]一种表面等离子共振整流天线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学整流天线领域，具体是用作整流天线的金属-绝缘体-金属MIM结构，可以将太阳能转化为直流电。

背景技术

将太阳光等电磁辐射转化成电能的装置主要有光伏电池、整流天线和热功器件，整流天线因成本低、结构简单、金属-绝缘体-金属二极管结构整流天线在2.45GHz波段具有90％的转化效率，因此，是一种很有前景的光能量转化技术。

整流天线的工作原理是，上层金属与绝缘层形成肖特基接触，入射光子与金属粒子作用形成自由电子的表面等离子共振，表面等离子共振转化为电荷密度波，引起金属电极的电势变化，诱导的高频电流通过金属-绝缘层界面的隧道结，产生直流电流。

文献Nano letter，DOI：10.1021/nl203196z中报道了一种使用Au-Al₂O₃-Au的MIM结构器件，从上至下其各层厚度为35nm、4nm、30nm，分别采用高真空电子束蒸发沉积、原子层沉积和高真空电子束蒸发沉积制备方法。

文献Journal of The Electrochemical Society，2011，158，65-74中分别制备了Ta/TaO_x/Au和Ti/TiO_x/Au三明治MIM结构，从上至下其各层厚度为5～100nm、4～8nm、6～18nm，其制备工艺同样采用了超高真空蒸发的方法。

文献Physical Review B，2007，76，235408报道了一种Ag-AlO_x-Al结构的MIM整流天线，其各层厚度从上至下分别为70nm、4nm、50nm。其制备过程在超高真空室中进行，采用离子枪注入法和激光诱导方法。

文献Science，2011，332，702-704制备了以n型掺杂Si为基体(30nm)，中间层为Ti(1nm)，金属Au(30nm)为上层金属的15×20的MIM结构阵列，每个MIM结构长宽为250×250nm。其制备过程采用了电子束刻蚀的方法和电子束蒸发法。

申请号为200910301655.1的发明创造中，公开了一种在TiO₂纳米管阵列上光沉积氧化亚铜的方法，其电解液为0.05mol/L硫酸铜溶液，且需要加入缓冲溶液1mol/L磷酸氢二钾，沉积前需在0.05mol/L的硫酸铜溶液中浸泡24小时。申请号为201010212628.X的发明中公开了一种在TiO₂纳米管阵列上沉积纳米Cu₂O颗粒的制备方法。其制备方法采用的是脉冲电沉积法，这种方法需要设定通断电压比、通断时间比等参数，沉积过程较为复杂。上述两个专利制备的样品用于光催化，主要机制是二氧化钛和氧化亚铜的光电效应。本申请发明的物理机制是一种整流效应。本申请发明的工艺是低温溶液光沉积方法，具有不加入缓冲剂，不需要浸泡，通过调节照射光功率、时间来控制光沉积过程等特点。

综上所述，目前整流天线的主要缺点是：

(1)MIM结构的各层厚度要求很薄，沉积方法一般采用超高真空电子束蒸发法和原子层沉积法，制备过程中厚度控制技术成本高，不适用于大规模、工业化生产，且不利于与目前低温溶液技术为主的大规模商业生产技术竞争。

(2)目前整流天线MIM结构使用贵金属Au作为MIM结构的金属部分，存在缺氧环境的不利影响。整流天线制备好后，一般需要进行封装，会造成缺氧环境，这对电极的性质有很大影响。文献ACS Applied Material Interfaces，2011，3，1492在大气环境和氩气环境下中比较了Cu、Au、Ag电极的稳定性，研究表明Au、Ag修饰后的电极在缺氧的氩气环境下光伏性能下降很快，而金属铜则表现出较好的稳定性。

发明内容

为克服现有技术中存在的技术成本高，不适用于大规模、工业化生产的不足，本发明提出了一种表面等离子共振整流天线及其制备方法。

本发明提出的表面等离子共振整流天线为三层结构，下层为金属Ti，在金属Ti的一个表面氧化生成TiO₂纳米管阵列层。在所述TiO₂纳米管阵列层的表面沉积有Cu纳米颗粒金属层。所述的Cu纳米颗粒金属层的微观表面形貌为纳米颗粒，其颗粒大小为50～80nm，无特定形态，附着在TiO₂纳米管基体表面的管壁上，少量沉积物进入到管内。

本发明还提出了一种制备表面等离子共振整流天线的方法，其具体制备过程如下：