[发明专利]可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法

说明书

本发明公开一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法，所述吸收器包括衬底、位于衬底上的背反射层、位于背反射层上的介质层，以及位于介质层上的二氧化钒层；所述吸收器的膜层总厚度小于工作波长的四分之一。本发明的吸收器是超薄的多层薄膜结构，相比于传统的四分之一波长厚度吸收器以及近年提出的超材料吸收器，该吸收器可通过外场控制二氧化钒薄膜的介电函数，从而调控吸收器在近红外波段的吸收带宽及吸收效率，且结构厚度明显降低，避免使用复杂的光刻加工技术，使生产周期显著缩短，生产成本显著下降，便于大规模、批量化制备。

技术领域

本发明涉及多层吸收结构的设计及优化，更具体地，涉及一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器及其制备方法。

背景技术

光吸收是光(电磁波)通过材料时，与材料发生相互作用，电磁辐射能量被部分转化为其他能量形式的物理过程。通常将光按频率由低到高排列，可以分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线和伽马射线等。调控材料在近红外的吸收性能在目标识别、热光伏电池、储能、感应元器件、隐身等方面都有很重要的应用。

光的吸收过程满足A＝1-R-T，其中R为反射系数、T为透射系数。可以通过多层结构设计达到临界耦合条件实现材料的高吸收性能。基于金属-电介质-金属(MIM)的F-P谐振腔结构，一般要求中间介质膜的厚度至少为四分之一波长，对于红外及更长的波段，要求膜层的厚度增加，制备困难。尽管可以将顶层金属替换为亚波长大小的图案化结构，这种超材料或者超表面结构可以极大地减小薄膜厚度，但需要更精细光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制。

通常吸收结构受到结构参数、材料参数和排列方式的限制，这些参数一旦确定，其吸收性能很难再发生改变。在现代的能源、通信、军事等应用场景中，需要材料的吸收对于多变的环境做出适时的响应与调节，可调红外吸收已成为一个重要研究方向。如果在多层吸收结构中，引入一种可调光学材料，使得该材料能在外场作用下(温度、磁场、电场、应力等)光学性质发生可逆变化，则能够形成智能可调的吸收结构。VO₂作为一种热致相变材料，在温度68℃附近发生从低温半导体单斜相向高温金属金红石相的转变，同时相变中间态中金属纳米团簇的出现，可视为一种自然、无序的超材料。

发明内容

本发明提供了一种可调控的近红外超薄宽带完美吸收器，该吸收器的厚度相较于传统的吸收器更薄，吸收范围更宽，且解决了现有的吸收器不能对其吸收率调节的问题。

第一方面，所述吸收器包括衬底、位于衬底上的背反射层、位于背反射层上的介质层，以及位于介质层上的二氧化钒层；所述吸收器的膜层厚度小于工作波长的四分之一。

所述吸收器的膜层厚度是指除去衬底外的，包括背反射层、介质层和二氧化钒层的所有膜层厚度。优选地，所述吸收器的膜层总厚度小于200～600nm。进一步地，所述吸收器的膜层总厚度为380～530nm。

本发明通过优选基底利用吸收薄膜的强干涉效应以及二氧化钒薄膜的相变特性，构建了可调控超薄多层的吸收结构，实现了高效率、吸收广角度的近红外波段超宽带可调吸收，在性能上完全超越了传统的吸收器。本发明的吸收器是超薄的多层薄膜结构，相比于传统的四分之一波长厚度吸收器以及近年提出的超材料吸收器，该吸收器可通过外场控制二氧化钒薄膜的介电函数，从而调控吸收器在近红外波段的吸收带宽及吸收效率，且结构厚度明显降低，避免使用复杂的光刻加工技术，使生产周期显著缩短，生产成本显著下降，便于大规模、批量化制备。

较佳地，在无在外场激励下，吸收器在1.6～2.4μm处的平均吸收率高达95％，1.2～1.5μm处的平均吸收率为74％；在外场激励作用下，吸收器的吸收强度分布波长有所调整，在1.2～1.5μm处的平均吸收率≥90％，在1.6～2.4μm处平均吸收率为78％。

较佳地，所述介质层厚度为50～80nm。

较佳地，所述二氧化钒层厚度为30～50nm。