一种用于红外能量转换的纳米天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种用于红外能量转换的纳米天线，属于光学和纳米科学技术领 域。
【背景技术】
[0002] 整流天线是由接收天线与整流器组成的一种将光能转换成电能的装置。经天线耦 合的辐射光，传输到整流器，将高频交流电转换成直流电，进而实现电能的输出。
[0003] 对整流天线的研宄中，除设法提高整流器的截止频率外，更重要的是要设计能够 吸收高频率辐射光的天线。根据传统的微波天线理论，天线尺寸与吸收的电磁波波长满足 "长度匹配"定律，而研宄发现光学天线在可见光和红外光波段的耦合吸收也满足以上规 律。因此通过调整整流天线的形状特征和几何参数，可以实现对全波段辐射光的有效吸收， 使得光学天线与入射光产生的共振强度得到极大增强。总之，要实现天线对入射光强烈的 共振吸收，增大天线的耦合效率，关键在于精确地调控天线的形状和尺寸等参数。由于纳米 整流天线的加工难度极大、可重复性差、耗费时间长，实验上要实现天线多参数调控的难度 和成本极大，另外目前对整流天线相关的机理认识还不够成熟。因此利用理论仿真模拟对 天线形状和尺寸参数进行优化、设计与研宄，对指导实验有目的地制备出高效的光电响应 器件具有十分重要的意义。
[0004] 根据现有理论研宄背景，对该整流天线几何参数进行优化设计的主要难点有： 1.目前的光学和电学理论计算，是基于简化模型的公式推导，无法准确地表征整流天线的 性能；2.目前的光学和电学理论计算，无法对复杂结构的整流天线进行分析；3.目前的光 学和电学理论计算，很难通过对几何参数的精确调控实现入射光最大耦合的优化设计。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型解决的技术问题是：提供了一种关于纳米整流天线几何参数优化的设 计方法，解决了无法通过理论计算进行复杂结构整流天线几何参数优化设计的问题，实现 了整流天线与入射光的最大共振吸收、以及完善天线几何参数对整流天线光电性能影响的 研宄。
[0006] 本实用新型的技术方案是：一种用于红外能量转换的纳米天线，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] 所述整流器为碳纳米管整流器或硅整流器或硒整流器或金属-半导体二极管整 流器或金属-绝缘体-金属二极管整流器或金属-绝缘体-绝缘体-金属二极管整流器或 金属-绝缘体-半导体二极管整流器。
[0009] 纳米天线左臂外沿至右臂外沿的距离为0. 1~100ym，左臂辐射体与右臂辐射体 在靠近交叉点处的张角均为10~150°，左臂辐射体、引线的结合处与右臂辐射体、引线的 结合处之间的间距为20~500nm，左臂福射体与右臂福射体的厚度均为20~500nm。
[0010] 本实用新型与现有技术相比的优点在于：1.相对于光学和电学理论计算，本实用 新型技术可更准确地表征整流天线的性能；2.本实用新型技术可对复杂结构的整流天线 进行分析；3.本实用新型技术可很难通过对几何参数的精确调控实现入射光最大耦合的 优化设计。本实用新型综合现有理论设计方法，采用三维电磁场数值计算方法，提出了一种 关于天线几何参数优化的纳米天线。不同于现有理论设计方法分别对天线结构模型和其光 学性能进行计算，本实用新型设计的整流天线模型是由纳米天线与整流器组成的一体化结 构，不仅计算得到了整流天线的光学性能，同时对其电学性能进行了系统的研宄，并对相应 的微观机理进行了深入的讨论，给出了实现较强光电响应器件的设计方案，这为整流天线 的实验制备提供了理论依据，从而达到节约成本、节省时间、提高器件制备效率的目的。
【附图说明】
[0011] 图1为纳米整流天线的结构图；
[0012] 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；
[0013] 图3为纳米整流天线优化前后的输出电流图；
[0014] 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】
[0015] 如图1所示，一种用于红外能量转换的纳米天线，包括左臂、右臂以及整流器，左 臂为电极I，右臂为电极II，中间为整流器。其中整流器包括、但不仅限于碳纳米管整流器、 硅整流器、硒整流器、金属-半导体（MS)二极管整流器、金属-绝缘体-金属（MM)二极管 整流器、金属-绝缘体-绝缘体-金属（MIIM)二极管整流器金属-绝缘体-半导体（MIS) 二极管整流器等，优先考虑碳纳米管、MIM、MIIM二极管整流器。天线的形状为蝴蝶结，包括、 但不仅限于三角形、扇形、梯形、锥形等。天线的长度为0.1-100um，优先选择1-20ym。蝴 蝶结的张角为10-150°，优先选择30-90°。天线两臂尖端的有效间距为20-500nm，优先选 择50-300nm。天线厚度为20-500nm，优先选择50-300nm。激励源为平面波，偏振方向沿天 线的轴向方向。研宄的红外光波长范围为1-100um，优先选择3-50ym。
[0016] 针对上述设计的整流天线模型，本实用新型采用三维电磁场数值计算方法进行仿 真模拟，包括、但不仅限于时域有限差分法（FDTD)、矩量法（MOM)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AnsoftHFSS和COMSOL Multiphysics等。
[0017] 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器中产生一巨大的局域场，通过计算整流器中心的局域场 强度，可以得到整流天线在各个几何参数下的光学性能。
[0018] 本实用新型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(?) =ei(?)+ie2 (?)，由全电流定律知▽X/7二-/抓(〃;)￡ + ，其电流密度的等效 形式为J= _i?eJeJo^-lilE+oe2(?)e#，左侧项为位移电流，垂直于电场方向，经 过一个周期后，电荷做功为零；右侧项为传导电流，与电场方向同相，具有欧姆定律的形式。
[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0020] 本实施例是一种纳米整流天线的模型建立。所述的整流天线为金属I-介质层-金 属II一体化三明治结构，如图1所示。目标工作波长为11ym，整流天线几何参数初始设 置如下，天线形状为扇形蝴蝶结，全长L= 6ym，张角0 =45°，两臂尖端有效间距Geff= 500nm，天线厚度为h= 500nm。
[0021] 所述的整流天线采用基于有限元方法的3D频域电磁场计算软件AnsoftHFSS实 现整流天线结构的设计。计算收敛迭代次数为20,自适应迭代分析精度为0. 01，扫描波长 范围从5-20ym。纳米整流天线器件的激励源为平面波，方向为z轴，即垂直于天线的方 向；偏振方向为y轴，即沿着天线臂的轴向方向，入射光电场振幅为lV/m。通过计算可获 取纳米整流天线的局域场增强、输出电流以及感应电压等结果。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的整流器中产生一个巨大的局域场，通过计 算整流器中心的局域场强度，可以得到整流天线在不同几何参数下的光学性能，即相应的 响应波段\ 3和局域场增强系数1(，其中1(=|￡(?)|/|￡(||，因入射波电场振幅为1￥/111， 故IEcJ=lV/m，通过计算不同频率下的电场幅值便可得到相应的场增强系数K。电磁波 在介质中传播时，介电常数用复数来描述。e(?)=ei(?)+ie2(?)，由全电流定律知 ▽ ，其电流密度的等效开多式为J= -i〇e〇[eJo^-lllE+oe2(0) eQE，左侧项为位移电流，垂直于电场方向，经过一个周期后，电荷做功为零；右侧项为传导 电流，与电场方向同相，具有欧姆定律的形式。同理，两金属电极间的感应电压可以表示为 ▽ X五= /&>////。
[0022] 通过对天线形状几何参数的迭代分析，可得优化后的天线几何参数为全长L= 41^1]1，张角0=6〇°，两臂尖端有效间距66；"=2〇〇111]1，天线厚度为11=1〇〇111]1。下图2,3， 4为通过计算得到的优化前后整流天线的光电学性能，其中图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；图3为纳米整流天线优化前后的输出电流图；图4为纳 米整流天线优化前后的感应电压图。根据以上结果，可看出通过优化天线形状的几何参数 可将整流天线的共振波长调整到预期的范围内，可增大局域场增强系数图、输出电流和感 应电压。
[0023] 本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种用于红外能量转换的纳米天线，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； 所述整流器为碳纳米管整流器或硅整流器或硒整流器或金属-半导体二极管整流器 或金属-绝缘体-金属二极管整流器或金属-绝缘体-绝缘体-金属二极管整流器或金 属-绝缘体-半导体二极管整流器。
2. 根据权利要求1所述的一种用于红外能量转换的纳米天线，其特征在于：纳米天线 左臂外沿至右臂外沿的距离为〇. 1~IOOu m，左臂辐射体与右臂辐射体在靠近交叉点处的 张角均为10~150°，左臂辐射体、引线的结合处与右臂辐射体、引线的结合处之间的间距 为20~500nm，左臂福射体与右臂福射体的厚度均为20~500nm。
【专利摘要】本实用新型一种用于红外能量转换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；所述整流器为碳纳米管整流器或硅整流器或硒整流器或金属-半导体二极管整流器或金属-绝缘体-金属二极管整流器或金属-绝缘体-绝缘体-金属二极管整流器或金属-绝缘体-半导体二极管整流器。本实用新型发现的理论规律如下，随着天线的增加，共振波长发生明显的红移，且峰位处的局域场强度和感应电流逐渐增大；同时适当地增加天线的厚度、并降低两臂尖端的有效间距等有利于获得更强的局域场强度和更大的输出电流。
【IPC分类】H01Q1-36, H01Q23-00
【公开号】CN204577575
【申请号】CN201520186809
【发明人】贺涛, 王凯, 胡海峰, 芦姗, 郭令举, 韩运忠, 周傲松, 张涛, 王颖, 徐明明, 高文军
【申请人】北京空间飞行器总体设计部
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年3月30日