一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法。

背景技术：

宽波段吸收结构主要应用在隐身、热发射、光显示、光伏、太阳能电池和无油墨印刷等领域。如在印刷领域，传统的印刷技术使用不同颜色的油墨印刷出图像和色彩，存在易于褪色的问题，且油墨中包含重金属、苯、酮类等对人体有害物质。现有的无油墨印刷技术对实现黑色研究极少，只有在可见光宽波段(波长380-760nm)范围内实现高效率吸收，且吸收特性对入射光的偏振态和入射角不敏感，才可实现黑色。在太阳能电池领域，提高吸收效率的手段主要聚焦在抗反射涂层及高性能吸收方面，传统的介质蛾眼结构作为抗反射结构并不能很好的作用在整个太阳能光谱范围，且其无法作为一个光吸收器件来达到高吸收的特性。

现有技术中：申请号为201410810447.5的中国专利申请公开了一种宽波段光全吸收器及其制备方法。该光全吸收器自下而上依次由金属膜层、介质膜层、金属纳米颗粒膜层共三层结构组成。

申请号为201510469463.7的中国专利申请还公开了一种可见-近红外波段的超宽带吸收器及其制备方法，吸收器由基底、底部金属吸收层、锗层/金属吸收层交替膜层顶部锗层以及顶部锗层的上面的折射率逐渐减小的三层宽波段减反膜层。近年来，许多具备双带、多带的吸收特性的结构，也被认为可以应用在太阳能吸收中。

2015年的Sencer Ayas等人提出的圆角纳米方形阵列结构[1]。该结构由银光栅、氧化铝、银膜构成，实现双带吸收。

2016年，Batuhan Mulla等人提出对称式金属谐振结构[2]，由上层金属谐振器、介质二氧化硅和最下层铝膜构成。可实现多带宽角度吸收。

上述的这些现有技术所存在的问题是：(1)设计的结构大都过于复杂，制备工艺困难，无法大规模生产；(2)为实现偏振不敏感，设计的结构大都采用二维阵列排布，严重限制了制备工艺；(3)对入射光的入射角敏感，随角度变化，吸收效率退化严重。

[1]Ayas，Sencer，Gokhan Bakan，and Aykutlu Dana.″Rounding corners of nano-square patches for multispectral plasmonic metamaterial absorbers.″Optics express 23.9(2015)：11763-11770.

[2]Mulla，Batuhan，and Cumali Sabah.″Multiband Metamaterial Absorber Design Based on Plasmonic Resonances for Solar Energy Harvesting.″Plasmonics(2016)：1-9.

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双带可见光宽波段吸收结构及其制备方法，其结构简单，在宽入射角度变化范围(0°-60°)吸收效率高(最高近100％)，且TM偏振光和TE偏振光皆可实现双带宽吸收。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种双带可见光宽波段吸收结构，其包括：

基底；

金属层，其设置于基底上；

金属光栅层，其设置于金属层上，金属光栅层为一维光栅，金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的光栅单元之间形成光栅凹槽，金属光栅层的周期不大于500nm，金属光栅层的占空比在0.1-0.7之间，金属光栅层的高度在100-500nm之间；金属光栅层中，其介电常数的虚部大于其介电常数的实部的绝对值；

填充介质层，其填设于光栅凹槽内。

进一步地，上述基底为透明柔性基底。

进一步地，上述透明柔性基底的材质为聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯。

进一步地，上述基底的折射率在1.4-1.7之间。

进一步地，上述金属层的材质为铝、银、铜、钨、镍、铬或钛。

进一步地，上述金属层的厚度大于可见光波段在金属层上的趋肤深度。

进一步地，上述金属层的厚度不小于40nm。

进一步地，上述金属光栅层的材质为钨、镍、铬或钛。

进一步地，上述光栅单元呈条形。

进一步地，上述填充介质层的材质为二氧化硅。

进一步地，上述填充介质层的高度在100-800nm之间。

进一步地，上述填充介质层的折射率在1.4-1.7之间。

进一步地，上述填充介质层与光栅单元之间设有开口腔模。

一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法，其包括以下步骤：

1)准备基底；

2)通过物理沉积法将金属层设置于基底上；

3)在金属层上旋涂光刻胶；

4)通过光刻法或曝光法在光刻胶上制备光栅图形；

5)通过离子刻蚀法或物理化学反应法，将光栅图形转移至金属材料中，形成金属光栅层，金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的光栅单元之间形成光栅凹槽；

6)通过原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法的一种或几种将介质材料填充至光栅凹槽中。

进一步地，上述物理沉积法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法或激光脉冲沉积法中的一种或几种。

进一步地，上述光刻法为电子束光刻法、离子束光刻法或紫外光刻法。

进一步地，上述曝光法为紫外全息曝光法。

一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法，其包括以下步骤：

1)在基底上面旋涂光刻胶，通过光刻或者全息拍摄制备光栅结构；

2)电铸形成金属光栅结构；

3)在金属光栅上镀介质，形成最终结构。

一种双带可见光宽波段吸收结构的制备方法，其包括以下步骤：

1)在基底上面旋涂光刻胶，通过光刻或者全息拍摄制备光栅结构；

2)电铸形成金属光栅结构；

3)采用UV压印，将金属光栅结构转移至软膜上，形成介质光栅；

4)在介质光栅上镀金属形成吸收结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明设计简单，采用一维条状光栅设计，制备工艺成熟；

2)可见光范围双带宽吸收效率高，在黑色印刷、太阳能吸收等领域应用广泛；

3)本发明在宽入射角度变化范围吸收特性好，光在0°-60°范围内变化时，吸收效率变化不大；

4)本发明针对TM偏振光和TE偏振光均能有宽波段的高吸收效率。

附图说明

图1为本发明的可见光宽波段吸收结构的结构示意图。

图2为本发明实施例一中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。

图3为本发明实施例一中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。

图4为本发明实施例二中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与金属光栅层周期、入射波长的关系图。

图5为本发明实施例二中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层周期、入射波长的关系图。

图6为本发明实施例三中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比、入射波长的关系图。

图7为本发明实施例三中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比、入射波长的关系图。

图8为本发明实施例四中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与金属光栅层高度、入射波长的关系图。

图9为本发明实施例四中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层高度、入射波长的关系图。

图10为本发明实施例五中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与不同金属层材料、入射波长的关系图。

图11为本发明实施例无中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与不同金属层材料、入射波长的关系图。

图12为本发明实施例六中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光的吸收光谱与不同金属光栅层材料、入射波长的关系图。

图13为本发明实施例六中可见光宽波段吸收结构的TE偏振光的吸收光谱与不同金属光栅层材料、入射波长的关系图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

一种可见光宽波段吸收结构的实施方式：

本发明实施例所涉及的一种双带可见光宽波段吸收结构的剖面结构如图1所示，其包括基底110、金属层111、金属光栅层112和填充介质113。其中，基底110的材质为透明柔性材料，比如聚酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等。金属层111位于基底110上，其材质比如是铝、银、铜、钨、镍、铬或钛。金属层111起到反射镜的作用，为了保证光的反射效率，该金属层111的厚度d大于可见光在该金属材质上的趋肤深度，在一种实施方案中，该金属层111的厚度为100nm。金属光栅层112位于金属层111上，其材料比如是钨、镍、铬或钛。该金属光栅层周期不大于500nm、占空比在0.1-0.7之间，高度在100-500nm之间在一种较优地方案中，该金属光栅层的周期p为260nm，占空比f为0.25，高度h为300nm。介质材料113填充在金属光栅的凹槽内，在一种实施方案中，该介质采用二氧化硅。在本发明的双带宽波段吸收结构中，通过简单的一维结构设计，选择合适的结构参数，能够实现可见光波段(380-760nm)宽角度变化范围(0-60°)高效率吸收(接近100％)，且针对TM光和TE光，均可实现宽吸收。制备工艺较为成熟，易于大规模制备。

继续如图1所述，金属光栅层112的周期为p，脊部宽度为w，占空比F＝w/p，高度为h。下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，这些例举的实施例中，虽然只涉及了金属钨、金属铬和金属镍，然而其符合本发明要求的金属也应当在本发明所主张的保护中，比如金属钛等，因此本发明对其他符合本发明要求的金属将不一一进行例举。

下面将以具体实施例来对本发明所涉及的一种双带可见光宽波段吸收结构来进行详细说明。

实施例一：

图2和图3为本发明设计的宽波段吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。其中，p为260nm，f为0.25，h为300nm，d为100nm，金属层及金属光栅层材料设置为镍，填充介质为二氧化硅材料。采用严格耦合波理论(RCWA)对宽波段吸收结构的吸收特性及角度宽容性进行分析。由于TM偏振光激发的表面等离子在介质里面的耦合，形成强大的磁场共振，实现光能捕捉，导致高效率吸收。TE偏振光实现高吸收的作用机理在于填充介质与两侧金属壁之间构成开口腔模，腔共振导致的高吸收。可以发现，光在0-60°入射角度变化范围内，TM和TE偏振光均可保持高效率的吸收状态。

实施例二：

图4和图5分别示出了可见光宽波段吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层周期、入射波长的关系图。在本实施例中，调整金属光栅的周期p，观察p变化对该结构的吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例一相同，其中入射角度为0度。可以发现，周期变化对于TM光吸收的影响较大，优选的，周期250nm附近吸收带宽较大，效率高。周期对于TE偏振光无太大影响。

实施例三：

图6和图7分别示出了可见光宽波段吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比、入射波长的关系图。在本实施例中，调整金属光栅的占空比f，观察f变化对该结构的吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例一相同，其中入射角度为0度。可以发现，占空比对于TM和TE偏振光的带宽影响较大，较优的，在占空比0.2-0.3之间，可兼顾TM和TE光宽带宽高效率的吸收。

实施例四：

图8和图9为本发明实施例四中可见光宽波段吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层高度、入射波长的关系图。在本实施例中，调整金属光栅的高度h，观察h变化对该结构的吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例一相同，其中入射角度为0度。可以发现，高度h对于TM和TE光的吸收效率影响较大，尤其影响吸收带宽范围。较优的，h为300nm时，可以兼顾TM和TE光双带宽吸收的效果。

实施例五：

图10和图11分别示出了可见光宽波段吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与不同底层金属层材料、入射波长的关系图。可以发现，针对不同金属，如镍、铝和银，吸收效率波动不大，对于整个宽光谱吸收影响较小。

实施例六：

图12和图13分别示出了可见光宽波段吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与不同金属光栅层材料、入射波长的关系图。可以发现，镍、铬和钨的吸收光谱较为接近，针对本发明的吸收结构，这三种金属均可实现宽吸收。

一种可见光宽波段吸收结构的制备方法的实施方式：该制备方法包括以下步骤：

S1：准备基底；

S2：通过物理沉积法将金属层设置于基底上；

S3：在金属层上旋涂光刻胶；

S4：通过光刻法或曝光法在光刻胶上制备光栅图形；

S5：通过离子刻蚀法或物理化学反应法，将光栅图形转移至金属材料中，形成金属光栅层，金属光栅层包括多个光栅单元，每两个相邻的光栅单元之间形成光栅凹槽；

S6：通过原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法的一种或几种将介质材料填充至光栅凹槽中。

其中，上述物理沉积法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法或激光脉冲沉积法中的一种或几种；上述光刻法为电子束光刻法、离子束光刻法或紫外光刻法；上述曝光法为紫外全息曝光法。

综上所述，本发明提出了一种可见光宽波段吸收结构，该结构在宽入射角度变化范围吸收效率高(最高可达近100％)，且对TM入射T E入射均可实现高吸收。该结构可应用在太阳能电池、热光伏等宽波段太阳能吸收，也可以为无油墨印刷实现黑色提供解决方案，且该结构采用一维光栅设计，制备工艺简单。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。