[发明专利]一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法，该吸波器包括基底层、连接于基底层上表面的介质层、连接于介质层上表面的硅基超表面结构层；其中，所述硅基超表面结构层上设置有均匀排列的若干圆柱形孔，所述基底层由不透明金属材料制成。本发明涉及的技术解决了现有技术中存在的无法实现吸波器工作波长的定量调控的技术问题，实现可人工精确调控吸波器吸收波长的技术手段。

技术领域

本发明涉及吸波器技术领域，具体涉及一种工作波长可定量调控的硅基吸波器及其制备方法。

背景技术

当光通过材料时，光与材料中的原子、电子相互作用时即可发生光的吸收。在宏观尺度上，光入射到结构上，可以与结构产生共振，从而实现特定频率或波长的光被吸收。通过采用不同材料和不同结构可以设计和实现具有不同吸收响应的结构体系。比如，利用金属材料本身的强自由电荷的震荡，进而产生等离激元共振，可以产生于等离激元共振频率匹配的光的强吸收。近期，基于金属共振单元，人们进一步开发了具有对电磁波包括太阳光的完美吸收结构。这些完美吸收器往往呈现的是在某一个特定共振波长处的强光吸收。基于金属材料的特性以及金属颗粒尺寸大小等因素与等离激元共振频率之间存在一定的关联特性，人们可以选择不同的材料、不同的结构尺寸来设计在不同频率范围内的完美吸波器。完美吸波通常指的是吸收率超过90％的光吸收。然而，这种对吸波器工作波长的选择性设计无法实现定量的、准确的预测。也就是说，人们只能定性地理解和运用金属材料与结构尺寸大小与共振吸收波长之间的关联特性，无法按照某个定量的公式来进行设计和开发。这主要是因为等离激元共振是来源于金属材料内在的大量自由电荷的集体震荡，引入了非经典的物理因素，因而无法获得定量的表述。

最近，基于高折射率介质材料，比如，半导体材料，人们发现此类材料也具有强的电磁共振特性。不同半导体材料、不同结构尺寸大小可以在不同频率处产生强的光吸收响应。运用半导体材料设计和开发出了不同几何形貌的共振单元，获得了在特定波长处的高光吸收响应。结合这些半导体共振单元和金属膜层，人们进一步设计了具备产生完美吸收响应的复合结构。虽然人们通过采用不同几何结构的半导体共振单元，比如，柱体、球体，可以实现在某些波长的共振吸收。但如何定量地调控吸波器的工作波长依然是一个未知的技术领域。

半导体材料具有非常优异的光电响应特性。这是因为基于半导体材料，光吸收后可以经过光电效应实现光电子的产生，进而与外接器件进行连接，实现各种功能性的器件设计和开发。比如，光电探测器、传感器等都是基于此类原理。光电探测器能把光信号转换为电信号。光电探测器在国防军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动检测与控制、光谱测量与光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。而其中最核心的元件则是光电转换的芯片，它决定了吸收光子的效率和光电转换的效应。光子吸收效率的极限是100％的吸收，这与完美吸收响应具有很好的匹配性。而光电转换则是基于半导体材料的响应效率。置于完美吸波器中的半导体材料自然具有极其优越的光学和光电响应特性。这是完美吸波器的一个重要的应用前景。然而，光电探测等器件往往需要设计对某一特定或某几个特定频率或波长处的光进行高效吸收和探测，这种定量的设计要求是推动器件开发和降低设计成本的关键所在。但是，现有技术依然无法实现这种定量、精确的吸波器工作波长的设计和开发。并且，现有技术往往只能在某一个单一波长处产生高的光吸收，无法基于同一个吸波器在多个波长处产生高光吸收，因而不利于多工作波长高效光吸收和应用，也限制了在高集成元器件方面的应用开发。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的无法实现吸波器工作波长无法定量可调的技术问题，同时解决基于半导体材料共振单元难以产生多工作波长高效光吸收的技术问题。

为此，本发明提供了一种工作波长可定量调控的硅基吸波器，它包括：

基底层；

连接于基底层上表面的介质层；

连接于介质层上表面的硅基超表面结构层；