基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的制作方法

本发明涉及超材料、纳米光子学和光电材料等领域，具体涉及一种基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器。

背景技术：

电磁波频谱中，通常把红外波段划分为近红外（0.76 μm~2.5 μm）、中红外（2.5 μm~25 μm）和远红外（25 μm~1000 μm）三个频段。近红外光谱区与有机分子中含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点。此外，近红外频段在光电探测和光敏器件等领域也具有非常广阔的应用。光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。目前，红外光电探测器系列就包括了Ge探测器、InGaAs探测器、InAs探测器、PbS探测器、PbSe探测器、InSb探测器、HgCdTe探测器等众多光电探测器。因此，结合半导体材料进行近红外频段的光吸收研究具有非常重要的现实意义。

电磁超材料（Metamaterial）是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料，材料在关键物理尺度上的结构为有序阵列设计。迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”和“超磁性材料”等。

电磁超表面（Metasurface）是近一两年人工电磁超材料研究的最新发展方向和研究热点之一，它是一种由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活且有效调控。可实现负折射、极化旋转、汇聚成像和传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性和对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、红外光电检测器件、光电子功能器件等诸多领域具有重要的应用前景。

超材料电磁波吸收器最先由美国波士顿学院的Landy课题组于2008年提出并在微波频段获得验证（《Physical Review Letters》第100卷，第207402页 (2008)）。通过利用双面包覆有金属的介质基板构成面型双层结构，上层为开口谐振环（Split-Ring Resonators），底层为切口金属线（Cut-Wire），两者构成谐振环结构，使得入射到该吸收器结构上的电磁波在其中形成共振并吸收消耗，从而达到完美吸收的目的，在11.5GHz附近 实现了近88% 的吸收效率。但此种结构只能吸收单一偏振的电磁波，且中间介质绝缘膜层为低介电材料。此后，国内外研究人员提出了更多的金属-介质-金属层状共振超材料结构，实现了偏振无关、多吸收峰和宽频带等性能。但是这些研究主要集中在微波、太赫兹及可见光波段，而工作在近红外频段的吸收器鲜有报道。近红外频段吸收器可以作为光电探测器/发射器的吸收单元，或作为涂层材料以减小电磁波的杂散发射，然而几乎所有现存的近红外吸收器只有一个吸收频带。然而在选择性红外滤波器、多路检测阵列以及生物化学中的分子和离子检测技术等应用中，要求吸收器具有多频段吸收的特性。目前，超材料吸收器往往使用两种及以上的不同尺寸的结构阵列或在一个共振单元内构建不同尺寸大小的亚单元结构体系，每个尺寸阵列或尺寸单元都有各自的共振频率，不同共振频率在频谱上叠加就可以实现双频段或多频段吸收。但是这种吸收器结构设计复杂，可重复性差。这使得目前大部分近红外吸收器在红外光电检测器件、光电子功能器件等方面的应用受到限制，因此我们急需一种基于结构简单比如单一共振体系的多频带、强吸收的近红外吸收器。此外，几乎现有所有的电磁波吸收器包括近红外频段的吸收器超材料结构中都不含半导体材料，比如，在不同吸收频段的吸收器，其超材料结构中的介质或绝缘膜层都是常见的二氧化硅、氧化铝以及氟化镁等低介电介质（《Advanced Materials》，第24卷，第OP98页；《Laser Photonics Reviews》，第8 卷，第495 页）。而半导体材料以及基于半导体材料的吸收器才能真正有效地实现光生电子以及其他光电响应，可以说基于半导体材料的吸收器是实现电磁波吸收器在光电功能器件和集成等领域应用的必要条件。因此，我们急需一种基于半导体材料的近红外吸收器。

近期，利用半导体颗粒构建共振单元可以形成类似于金属超材料共振特性的光学行为（《Science》，第354卷，第aag2472页）。比如，通过利用硅的微纳米尺度球结构构建了二维阵列的超表面（《Nature Communication》，第3卷，第664页），实验验证了此类体系很强的电和磁共振响应。然而，如何突破现有电磁波吸收器在半导体材料缺失方面的结构缺陷和构建基于半导体材料电磁共振特性的吸收器是当前国内外研究者所面临的科学和技术瓶颈。

技术实现要素：

针对上述超材料吸收器的不足，本发明的目的是为了提供一种工作在近红外频段的基于半导体超表面结构的三频带吸收器，旨在引入半导体材料、利用半导体电磁共振特性，简化吸收单元结构和增加吸收峰数目。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，它包括衬底、金属膜层、半导体膜层、半导体颗粒，其特征在于：自下而上依次设置衬底、金属膜层、半导体膜层和半导体颗粒，所述半导体膜层和半导体颗粒组成半导体超表面结构层；其中所述半导体膜层下表面与金属膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述若干半导体颗粒和半导体膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层、半导体超表面结构层配合形成具有三频带近红外吸收特性的结构，通过调节半导体超表面结构的几何参数和单元晶格的周期以及半导体材料属性，调控近红外频段吸收频谱范围，增加吸收峰数目。

所述半导体颗粒组成的周期性阵列图案设置在半导体膜层上表面。

所述半导体超表面结构层的材料为单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟或锗等。

所述金属膜层的材料为银、铝、铜或金等金属材料。

所述半导体颗粒的结构为立方体形和长方体形等结构。

所述半导体膜层厚度处于10-100 nm范围。

所述衬底的材料为玻璃、硅片、柔性材料比如聚二甲基硅氧烷以及聚合物等材料。

所述吸收器单元晶格的周期为0.5~2.5 μm。

所述半导体颗粒的图案形状大小相同，半导体颗粒的尺寸大小包括长宽高范围为0.35~2.2 μm。

所述吸收器结构可通过物理沉积法包括离子溅射法和磁控溅射法以及刻蚀技术包括激光刻蚀技术等。

本发明的三频带近红外吸收器具有如下优点：

1、通过采用半导体颗粒阵列以及半导体膜层构成的半导体超表面结构作为近红外光的吸收层，有效避免了基于金属颗粒构建超材料吸收器所无法克服的金属内在欧姆损耗和自由电子集体震荡等热效应的不良干扰。

2、通过采用半导体颗粒构建周期性阵列结构，基于结构本身高对称性，极大地降低了对入射波的入射偏振角度的敏感性，从而实现了任意偏振角度的三频带电磁波完美吸收。

3、通过利用半导体颗粒本身能提供不同的共振模式，从而实现在不同频段产生共振吸收，产生多频带吸收。

4、相对于现有的超材料吸收器，本发明的吸收峰值点发生在近红外频段；

5、结构简单，易于制备和实现集成；

6、基于单一尺寸的半导体颗粒共振单元，产生三个窄带频谱吸收特性，在红外探测、红外成像以及热辐射器等领域具有广泛的应用前景；

7、通过采用半导体颗粒阵列以及半导体膜层构成的半导体超表面结构作为近红外光的吸收层，有利于利用半导体材料内在的光电特性进行近红外光电检测和光生电子等方面的应用。

8、对于不同偏振特性的红外电磁波都具有完美的吸收效果，易于很好地适应复杂的电磁环境。

附图说明

下面结合附图进一步解释和详细说明本发明的内容。但是，以下附图仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚地展示本发明所涉及器件的结构，对其中选定的半导体超表面结构层区域的厚度进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，如下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的结构示意图；

图2是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层厚度为100nm，半导体膜层厚度为30nm。半导体颗粒为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。

图3是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层厚度为100nm，半导体膜层厚度为40nm。半导体颗粒为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。

图4是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层厚度为100nm，半导体膜层厚度为30nm。半导体颗粒为硅正方体形结构，边长为400nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为750nm。

图5是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层厚度为100nm，半导体膜层厚度为30nm。半导体颗粒为硅正方体形结构，边长为500nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为850nm。

图6是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器在不同入射光偏振角度下的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层厚度为100nm，半导体膜层厚度为30nm。半导体颗粒为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。

图7是本发明一可选实施方案中基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层厚度为100nm，半导体膜层厚度为30nm。半导体颗粒为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。半导体超表面覆盖一层透明电极材料（氧化铟锡(俗称ITO)），ITO膜层覆盖在超表面结构上面，厚度为50nm。

图中标记：1、衬底，2、金属膜层，3、半导体膜层，4、半导体颗粒。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

在自然界里难以找到电磁波吸收率接近100%的材料，所以利用超表面结合半导体材料的电磁共振特性实现完美电磁波吸收显得尤为重要。通过设计超表面吸收器的几何结构参数和选择合适的半导体材料，可以使超表面吸收器产生强的电磁共振模式，使其与入射电磁波产生很强的耦合作用，进而实现反射率R为0；同时由于吸收器底部的金属膜层不透光，所以超表面吸收器的透射率T也为0。根据吸收率计算公式A=1-R-T，可以得到吸收率达到100%，实现完美吸收。

本发明旨在提供一种基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，自下而上依次设置衬底1、金属膜层2、半导体膜层3和半导体颗粒4，所述半导体膜层3和半导体颗粒4组成半导体超表面结构层；其中所述半导体膜层3下表面与金属膜层2的连接交错区域是直接物理接触，所述若干半导体颗粒4和半导体膜层3的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层2、半导体超表面结构层配合形成具有三频带近红外吸收特性的结构，通过调节半导体超表面结构的几何参数和单元晶格的周期以及半导体材料属性，调控近红外频段吸收频谱范围，增加吸收峰数目。

前述衬底1可选用但不限于硅片、玻璃、塑料、不锈钢等硬质或柔性衬底，用于支撑基于金属膜层-半导体超表面结构的光完美吸收器。

前述金属膜层2可以采用一层连续的金属薄膜，其材料可选用但不限于金、银、铜、铝、铂等，其厚度优选在50nm以上，尤其是50nm-200nm。

前述半导体膜层3优选为高折射率的介电材料膜，比如，可选用但不限于单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟或锗等。

作为较佳实施方案之一，至少前述半导体颗粒4由立方体形半导体共振单元排列并构成周期性的微纳米结构。

前述半导体超表面层和金属膜层一起构成具有三频带光完美吸收的结构。进一步的，通过调控前述半导体超表面的折射率和几何参数，金属膜层与半导体超表面的复合结构、阵列的晶格周期，可以优化设计工作在不同频段的完全光吸收器结构。例如，作为较佳的应用方案之一，可以通过电磁场数值分析方法优化吸收器结构中的半导体颗粒的尺寸大小以及阵列的周期参数，使得半导体颗粒阵列产生的光学共振光谱与入射电磁波光谱在频域上重叠，从而获得强的共振耦合，抑制反射损耗，获得近100% 光完美吸收。

下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：参阅图1所示系本实施例基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的示意图，其包括自下而上依次设置由衬底1、金属膜层2、半导体超表面结构层组成，金属材料为银，半导体材料单晶硅，金属膜层2和半导体膜层3厚度分别为100nm和30nm。半导体颗粒4为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。参阅图2所示，该吸收器吸收率随波长变化的结果显示在近红外波段内呈现了3个光吸收峰，3个光吸收峰中最大光吸收率达99%而最低吸收率也超过了98%。

实施例2：参阅图3所示系本实施例基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层2厚度为100nm，半导体膜层3厚度为40nm。半导体颗粒4为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。从图上可以得出，尽管吸收器中的半导体膜层厚度增大了，但3频带光完美吸收依然得以保持，最大光吸收率达到了99%。

实施例3：参阅图4所示系本实施例基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层2厚度为100nm，半导体膜层3厚度为30nm。半导体颗粒4为硅正方体形结构，边长为400nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为750nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的半导体颗粒大小以及晶格周期，比如采用小的半导体正方体以及小的阵列周期， 3频带光完美吸收依然出现在了光谱上，最大光吸收率也达到了99%。

实施例4：参阅图5所示系本实施例基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层2厚度为100nm，半导体膜3层厚度为30nm。半导体颗粒4为硅正方体形结构，边长为500nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为850nm。从图上可以发现，通过增大吸收器中的半导体颗粒大小以及晶格周期， 3频带光完美吸收依然出现在了光谱上，最大光吸收率接近了100%。此外，相比于调控前的结构参数，比如实施例1，第三个长波段吸收峰由原来频谱位置992nm红移到了1015nm，同时光谱吸收率则始终保持在超过99%。

实施例5：参阅图6所示系本实施例基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器在不同入射光偏振角度下的光吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层2厚度为100nm，半导体膜层3厚度为30nm。半导体颗粒4为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。从图上可以发现，吸收器在不同入射光偏振角度下保持了原有3频带光完美吸收特性，表明该吸收器对偏振角度不敏感，可以适应于复杂电磁偏振环境中。

实施例6：参阅图7所示系本实施例基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器光的吸收图。半导体材料单晶硅，金属材料为银，金属膜层2厚度为100nm，半导体膜层3厚度为30nm。半导体颗粒4为硅正方体形结构，边长为450nm，高20nm。硅正方体阵列为三角排列，周期大小为800nm。半导体超表面覆盖一层厚度为50nm透明电极材料（氧化铟锡(俗称ITO)）。吸收光谱显示该吸收器在覆盖一层导电膜层依然可以保持3频带光吸收，3个光吸收峰中最大光吸收率达99%而最低吸收率也超过了96%，表明该吸收器易于与透明电极材料进行连接和集成并保持光完美吸收效应，从而便于拓展此类吸收器在光电功能材料与器件的应用，比如包括构建红外光电探测器和光电调制单元等。