一种基于隧穿二极管的纳米天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于隧穿二极管的纳米天线，属于光电子学和纳米科学技术领 域。
【背景技术】
[0002] 整流天线是一种实现光能向电能转化的装置，从其诞生至今已经有50多年的历 史。金属-绝缘体-金属（MIM)二极管结构的整流天线成本低廉、结构简单、、环境友好，是 一种颇具前景的光电能量转化器件。
[0003] 与传统光伏电池不同，整流天线不受半导体禁带宽度的限制，利用光的波动性原 理，通过接收天线将辐射光转换为高频交流电（AC)，经整流二极管将高频交流电转化为直 流电OC)从而供外加负载使用。在接收天线对辐射光的吸收达到最大、天线与整流器完全 匹配的条件下，整流天线可以实现从光能到电能的完全转换，其电池效率可达到卡诺定理 的极限效率。目前国际上对于整流天线的研宄尚处于实验中，真正意义上的天线电池还没 有出现，面临的主要问题是所制备的器件不具有光电响应、或测得的电学信号极其微弱以 至于难以检测等。导致这些问题的主要因素之一是金属天线系统与整流器的不匹配，而实 现二者匹配的关键在于介质层的精确设计。介质层的设计主要包括两个方面，即尺寸参数 (介质层厚度和结区面积等因素）与自身成分特性（介电性质和导电性质等因素）对整流 天线光电行为的影响。由于实验上对介质层的设计面临着成本高、可重复性差和设计机理 空缺等缺点，因此，从理论上对介质层结构、介电性能和导电性能进行研宄与设计，以及由 此指导实验制备出具有较强光电响应的器件十分迫切与重要。
[0004] 基于现有的理论计算背景，设计该整流天线的介质层设计需要克服的主要难点 有：1.对整流天线同时实现光学和电学上的理论计算；2.介质层结构、介电性质和导电性 质对整流天线光电性能影响规律的分析；3.通过对整流天线介质层的设计，实现天线系统 与整流器匹配。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于隧穿二极管的纳 米天线，克服了现有整流天线实验中金属天线系统与整流器不匹配的问题，以及完善介质 层的结构、介电性质和导电性质对整流天线光电行为影响的理论研宄。
[0006] 本发明的技术方案是：一种基于隧穿二极管的纳米天线，包括左臂、右臂以及整流 器；所述左臂与右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整 流器，且三者一体成型；
[0007] 所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形；
[0008] 所述整流器为金属-绝缘体-金属型隧穿整流器；
[0009] 所述纳米天线左臂材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一种；
[0010] 所述纳米天线右臂材质选取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一种；
[0011] 所述整流器中的绝缘体材料选取 Ni0、Ti02、Ta205、Nb20 5、V205、V203、Co0、Al 203、Cu0、 Si02、钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐中的任意一种；
[0012] 所述整流器中的绝缘体厚度为2~15nm，所述整流器中的绝缘体与金属层的接触 面积为l〇〇nm 2~1 ym2。
[0013] 选取的整流器中的绝缘体材料的相对介电常数为1~1000,电导率为1(T14~ 10 7S/m〇
[0014] 左臂材质选取金，右臂材质选取钛，整流器中的绝缘体材料选取二氧化钛。
[0015] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是综合现有的理论计算方法和三维 电磁场数值计算方法，提出了一种关于介质层优化的纳米整流天线，该整流天线是由金 属-绝缘体-金属二极管组成的一体化结构。相比于现有设计方法，本发明实现了对整流 天线同时进行光学和电学计算，本发明实现了对包含介质层的介电性质和导电性质在内的 参数优化，同时给出了天线系统与整流器实现匹配的方法。
【附图说明】
[0016] 图1为纳米整流天线的结构图；
[0017] 图2为纳米整流天线优化前后的共振波长和局域场增强系数图；
[0018] 图3为纳米整流天线优化前后的输出电流图；
[0019] 图4为纳米整流天线优化前后的感应电压图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明一种基于隧穿二极管的纳米天线，包括左臂、右臂以及整流器；所述左臂与 右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整流器，且三者一 体成型；所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形；所述整流器为金属-绝缘 体-金属型隧穿整流器。其中左臂包括但不仅限于Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W，右臂 包括、但不仅限于Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W等，整流器包括但不仅限于NiO、Ti0 2、 Ta205、Nb205、V 205、V203、Co0、Al20 3、Cu0、Si02、钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐等，由此可以构成一系 列的MIM二极管整流天线一体化三明治结构。
[0021] 本发明提出了整流天线整流器即介质层的设计方案。在介质层的设计中，介质 层的介电性质和导电性质分别对应其相对介电常数和电导率。在上述使用的介质层材料 中，相对介电常数为1-1000,优先选择2-400 ;电导率为10_14-107s/m，优先选择10_12-10 5s/ m。介质层的厚度为2-15nm，优选选择3-8nm。二极管金属层与绝缘层的接触面积为 100nm 2-l ym2,优先选择1000nm2-50000nm2。介质层材料包括、但不仅限于Ti0 2、Ni0、Ta205、 Nb205、V 205、V203、C〇0、A120 3、CuO、Si02、钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐等。优先选择 Ti02、NiO、 Ta205、Nb20 5〇
[0022] 针对上述设计的整流天线模型，本发明采用三维电磁场数值计算方法进行仿真 模拟，包括、但不仅限于矩量法（MOM)、时域有限差分法（FDTD)和有限元方法（FEM)等， 优先选择有限元方法，采用有限元法的仿真软件包括、但不仅限于Ansoft HFSS和C0MS0L Multiphysics 等。
[0023] 利用上述数值计算方法，首先建立整流天线模型，然后设置具体的参数求解，并建 立相应的目标函数，最后运行仿真运算程序，得到结果。入射光与金属自由电子作用产生的 表面等离子体共振现象会在整流天线介质层中产生一巨大的局域场，通过计算整流天线介 质层中心的局域场强度，可以得到整流天线在不同介电常数和电导率下的光学性能，即相 应的响应波段和局域场增强系数K，其中K= |E(?) |/|Eq|。
[0024] 本发明通过求解三维电磁场麦克斯韦方程组，同时给出了整流天线输出电流和感 应电压的理论计算公式。电磁波在介质中传播时，介电常数通常要用复数来描述。e (?) =e i(?)+i e2(?)，由全电流定律知
【主权项】
1. 一种基于隧穿二极管的纳米天线，其特征在于：包括左臂、右臂以及整流器；所述左 臂与右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整流器，且三者 一体成型； 所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形； 所述整流器为金属-绝缘体-金属型隧穿整流器； 所述纳米天线左臂材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一种； 所述纳米天线右臂材质选取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一种； 所述整流器中的绝缘体材料选取 Ni0、Ti02、Ta205、Nb20 5、V205、V203、Co0、Al 203、Cu0、Si02、 钛酸盐、铌酸盐和锗酸盐中的任意一种；
2. 根据权利要求1所述的一种基于隧穿二极管的纳米天线，其特征在于：所述整流 器中的绝缘体厚度为2~15nm，所述整流器中的绝缘体与金属层的接触面积为100nm2~ 1 μ m2〇
3. 根据权利要求1所述的一种基于隧穿二极管的纳米天线，其特征在于：选取的整流 器中的绝缘体材料的相对介电常数为1~1000,电导率为KT14~10 7S/m。
4. 根据权利要求1所述的一种基于隧穿二极管的纳米天线，其特征在于：左臂材质选 取金，右臂材质选取钛，整流器中的绝缘体材料选取二氧化钛。
【专利摘要】本发明一种基于隧穿二极管的纳米天线，包括左臂、右臂以及整流器；所述左臂与右臂为镜像结构；左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，左臂与右臂中间夹有整流器，且三者一体成型；所述左臂与右臂的辐射体形状为三角形或扇形或锥形；所述整流器为金属-绝缘体-金属型隧穿整流器；所述纳米天线左臂材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一种；所述纳米天线右臂材质选取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一种。该仿真模拟对整流天线的实验制备、特别是为解决天线系统与整流器的匹配问题提供了理论指导，有利于提高天线的光电响应强度，从而促进其应用。
【IPC分类】H01Q1-38, H01Q1-50, H01Q1-36
【公开号】CN104836018
【申请号】CN201510217922
【发明人】张涛, 韩运忠, 周傲松, 王颖, 徐明明, 高文军, 贺涛, 王凯, 胡海峰, 芦姗
【申请人】北京空间飞行器总体设计部
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月30日