[发明专利]一种基于耦合米氏共振的超表面完全吸收体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法，所述吸收体包括SiO₂衬底，所述SiO₂衬底的上表面具有多孔阵列结构，Si层，形成在所述多孔阵列结构上，Cr层，形成在所述Si层之上，所述吸收体包括三层系统，底层是由SiO₂衬底包围的Si柱的阵列，中间层是由Si层包围的Cr柱的阵列，以及顶层是多孔阵列的Cr层。本发明所提出的耦合米氏共振的超表面完美吸收器具有良好的宽带宽角度吸收性能，器件结构简单、超薄且易于集成制作和大面积制作，在太阳能电池和薄膜工业中具有许多重大的潜在应用。

技术领域

本发明涉及光吸收技术领域，特别是涉及一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法。

背景技术

完美吸收体对于光通信、宽带薄膜热发射器、热光伏电池和光伏电池有着重要的潜在应用。经典的光吸收体是利用材料的自然吸收特性，使用交替的复合薄膜来达到光吸收的效果，其通常具有窄的工作带宽和低效率。2008年，Landy等人提出电磁超材料完全吸收体，由开环金属和金属线组成，用于小入射角的单波长微波吸收。为了提高电磁超材料完全吸收体的性能，Avitzour在2009年证明，在1500nm的工作波长下，s偏振波的吸收率在宽达45°的宽入射角内超过80%。2013年，Zhong等人进一步将入射角扩大到60°，同时保持吸收率高于93%，工作频率为1.74 GHz。同样，具有与偏振无关特性的电磁超材料完全吸收体也相继被提出。上述电磁超材料完全吸收体工作带宽很窄，它们通常仅在单个谐振波长工作，这严重限制了他们的应用。为了拓宽工作带宽，在一个周期性单元中采用不同的几何形状，使得可以产生不同波长的多谐振。然而，这些结构的吸收性能由于耦合效应而受到损害的不同波长的谐振，与在单个波长工作的谐振相比，只有一对电和磁谐振子完全吸收所有入射电磁辐射。Tsakmakidis等人提出了“彩虹吸收”的完美吸收体，他们利用了负的古斯-汉欣横向位移的效应，采用脊的宽度从顶部到底部逐渐增加的锯齿状多层结构，不同高度处存在不同波长光的吸收。在红外或甚至更长的波长带。由于几何形状的不对称性，锯齿形多层结构只能用于吸收横磁波。为了实现与偏振无关吸收功能，进一步提出金字塔状结构以同时吸收横磁波和横电波，对于从1μm到14μm的波长的吸收可以超过90%。这些吸收器层数过多，结构较复杂。

近年来，米氏共振已经引起了大量的关注并且已经在完美吸收器中使用。Bezares等人研究了基于米氏共振的硅纳米柱的吸收行为，发生谐振的光的反射率接近零，但在其他波长相当高。Yang等人提出了一种Si纳米盘吸收体，以实现滤色，其中具有不同参数的Si纳米盘吸收不同波长的光，从而可以获得不同的反射颜色。为了增加吸收带，Wang等人用Si纳米锥替代Si纳米柱以实现完美的宽带吸收。在该吸收器中，通过纳米锥从顶点到基底的直径调节米氏共振模式，但是纳米锥的制作工艺非常困难。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法，耦合的米氏共振由超表面结构中的电介质和金属柱产生，电介质和金属的米氏共振在不同波长处互补地发生，从而实现宽带吸收。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体，包括： SiO₂衬底，所述SiO₂衬底的上表面具有多孔阵列结构，Si层，形成在所述多孔阵列结构上，Cr层，形成在所述Si层之上，所述吸收体包括三层系统，底层是由SiO₂衬底包围的Si柱的阵列，中间层是由Si层包围的Cr柱的阵列，以及顶层是多孔阵列的Cr层。

作为一种改进的方案，所述多孔阵列结构的孔的高度、所述Si层的厚度以及所述Cr层的厚度三者相同。

作为一种改进的方案，所述多孔阵列结构的周期为250±5nm，所述多孔阵列结构的孔的高度为67±5nm，孔的直径为160±5nm。