一种紫外-可见光频段宽带超表面吸波器及其自组装制备方法

本发明涉及光学超材料/超表面，特别涉及一种紫外-可见光频段的宽带超表面吸波器结构及其自组装制备方法。

背景技术：

1、超表面吸波器优异的光子俘获、光物质调控特性以及在光学传感/成像、太阳能光伏等技术方面的重要应用潜力，使其成为了微纳光学研究领域的前沿热点。随着超表面吸波器的工作频段需要调节至高频电磁波段(亚波长共振器或“超原子”单元尺寸，需要控制在纳米级高精度)，规模化制造及实际应用对超表面吸波器的结构设计和制备方法不断提出了新需求。

2、自组装技术是高频电磁波段超表面吸波器制备研究备受关注的一类新技术，其主要通过将特定形态贵金属纳米粒子自组装于金属/介质膜层表面，形成典型的金属-介质-金属“三明治”共振腔。利用贵金属纳米粒子密排/堆积层与金属反射层共同形成的局域表面等离激元、间隙等离激元共振作用，实现对外界入射光的有效吸收调控。然而，受制于当前贵金属纳米粒子可控合成的有限形貌(一般为球形/近球形结构，或其他低晶面暴露结构，如立方、棒状、八面体等)以及单一的原子层沉积辅助、langmuir–blodgett、静电吸附等自组装方法，已报道的自组装超表面吸波器工作波段大多位于可见-近红外波段，其平均光吸收率普遍低于80％，且对入射光偏振及角度变化影响关注甚少。

3、因此，在现阶段超表面吸波器研究领域，探索高频电磁波段的超表面吸波器结构设计以及相应的高效自组装制备工艺，对于开发超表面吸波器制造新技术、推进超表面吸波器向实际应用发展方面，仍具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有自组装超表面吸波器研究频段局限于可见-近红外波段，实际光吸收效率不高，极化敏感性探究缺乏等科学问题，创新地提出了一种工作在紫外-可见光频段的宽带超表面吸波器结构及其自组装制备方法，本发明将为所属领域的超表面吸波器设计及制备研究提供一种良好的思路借鉴，同时其有望应用于光学传感分析、智能成像及紫外保护等领域中。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种紫外-可见光频段宽带超表面吸波器，所述超表面吸波器包含三层结构，自下而上依次是贵金属au底层、sio2介质层和au纳米团簇层；其中，au底层厚度大于紫外-可见光趋肤深度，sio2介质层厚度控制在几十纳米级，au纳米团簇随机取向附着于au-sio2膜层表面；紫外-可见光频段内，不同入射光偏振及角度变化下超表面吸波器具有宽带高吸收光学性能。

4、本发明中，紫外-可见光趋肤深度是指紫外-可见光能够穿透au膜层的最小厚度。具体地，本发明紫外-可见光频段宽带超表面吸波器，自下而上依次是由贵金属au底层、sio2介质层和au纳米团簇层组成，简写为au nc layer/sio2 layer/au film。其中，au底层厚度大于紫外-可见光趋肤深度(贵金属au底层厚度为80-100nm)，sio2介质层厚度需要控制在20-50nm，au纳米团簇随机取向且以25-38％覆盖率附着于au-sio2膜层表面。紫外-可见光波段200-800nm内，超表面吸波器具有＞85％平均光吸收效率，且其对te、tm偏振的入射光及20-50°变化的入射角具有不敏感响应。

5、进一步地，贵金属au底层的厚度为80-100nm，例如，贵金属au底层的厚度为80nm、81nm、82nm、84nm、86nm、88nm、90nm、92nm、94nm、96nm、98nm、99nm或100nm。

6、进一步地，sio2介质层厚度为20-50nm，例如sio2介质层厚度为20nm、21nm、22nm、24nm、26nm、28nm、30nm、32nm、34nm、36nm、38nm、40nm、42nm、44nm、46nm、48nm、49nm或50nm。

7、一种紫外-可见光频段宽带超表面吸波器自组装制备方法，包含如下操作步骤：

8、s1：将洁净基片置于真空镀膜系统中，依次镀制80-100nm厚贵金属au膜、20-50nm厚sio2介质膜；

9、s2：将预镀制有au-sio2膜层的基片水平放置于0-4℃的恒温箱内，而后取30-60mm浓度的au纳米团簇悬浮水液滴加于基片表面，静置；随着液滴蒸发，au纳米团簇将自组装附着于au-sio2膜层表面，最终完成紫外-可见光频段宽带超表面吸波器制备。具体地，本发明紫外-可见光频段宽带超表面吸波器的自组装制备方法，包含如下操作步骤：

10、s1：将洁净基片置于真空镀膜系统中，依次镀制80-100nm厚贵金属au膜、20-50nm厚sio2介质膜；

11、s2：将预镀制有au-sio2膜层的基片水平放置于4℃的恒温箱内，而后取30-60mm浓度的au纳米团簇悬浮水液60μl滴加于基片表面，静置12h以上。随着液滴蒸发，au纳米团簇将自组装附着于au-sio2膜层表面，最终完成紫外-可见光频段宽带超表面吸波器au nclayer/sio2 layer/au film制备。

12、进一步地，步骤s2中，所使用的au纳米团簇包含四个以上的纳米枝条(例如所述的au纳米团簇包含4～30个的纳米枝条；可选的，所述的au纳米团簇包含4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、22、24、26、28或30个的纳米枝条)，每个枝条长度约为25～300nm(例如，每个枝条长度约为25～300nm)，相互间夹角约60°～70°(例如，相互间夹角约60°、62°、64°、66°、68°或70°)。优选地，au纳米团簇颗粒尺寸约685～700nm(例如，au纳米团簇颗粒尺寸约685nm、686nm、687nm、688nm、689nm、690nm、691nm、692nm、693nm、694nm、695nm、696nm、697nm、698nm、699nm或700nm)。优选地，au纳米团簇在au-sio2膜层表面的覆盖率为25-38％(例如，au纳米团簇在au-sio2膜层表面的覆盖率为25％、25.5％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％或38％)。优选地，超表面吸波器的工作波段位于波长200-800nm范围，te、tm偏振下超表面吸波器平均光吸收效率＞85％，对应光入射角度变化范围20-50°(例如，光入射角度为20°、21°、25°、30°、35°、40°、45°或50°)。

13、进一步地，所述的au纳米团簇包含四个以上的纳米枝条，每个枝条长度约为300nm，相互间夹角约60°，au纳米团簇颗粒尺寸约690nm；au纳米团簇在au-sio2膜层表面的覆盖率为25-38％；超表面吸波器工作波段位于波长200-800nm范围，te、tm偏振下超表面吸波器平均光吸收效率＞85％，对应光入射角度变化范围20-50°。

14、本发明的有益效果是：au纳米团簇结构及慢速液滴蒸发自组装技术，是首次被应用于紫外-可见光频段的超表面吸波器设计及制备中；本发明所实现au nc layer/sio2layer/au film超表面吸波器平均光吸收效率＞85％，工作波段覆盖波长200-800nm范围，并且该超表面吸波器性能几乎不受入射光偏振及角度变化影响；再者，本发明的镀膜、自组装工艺过程受控性较高，所制备超表面吸波器结构及性能稳定性较好。