本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，具體涉及一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

寬波段吸收結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在隱身、熱發(fā)射、光顯示、光伏、太陽能電池和無油墨印刷等領(lǐng)域。如在印刷領(lǐng)域，傳統(tǒng)的印刷技術(shù)使用不同顏色的油墨印刷出圖像和色彩，存在易于褪色的問題，且油墨中包含重金屬、苯、酮類等對(duì)人體有害物質(zhì)?，F(xiàn)有的無油墨印刷技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)黑色研究極少，只有在可見光寬波段(波長(zhǎng)380-760nm)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率吸收，且吸收特性對(duì)入射光的偏振態(tài)和入射角不敏感，才可實(shí)現(xiàn)黑色。在太陽能電池領(lǐng)域，提高吸收效率的手段主要聚焦在抗反射涂層及高性能吸收方面，傳統(tǒng)的介質(zhì)蛾眼結(jié)構(gòu)作為抗反射結(jié)構(gòu)并不能很好的作用在整個(gè)太陽能光譜范圍，且其無法作為一個(gè)光吸收器件來達(dá)到高吸收的特性。

現(xiàn)有技術(shù)中：申請(qǐng)?zhí)枮?01410810447.5的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種寬波段光全吸收器及其制備方法。該光全吸收器自下而上依次由金屬膜層、介質(zhì)膜層、金屬納米顆粒膜層共三層結(jié)構(gòu)組成。

申請(qǐng)?zhí)枮?01510469463.7的中國(guó)專利申請(qǐng)還公開了一種可見-近紅外波段的超寬帶吸收器及其制備方法，吸收器由基底、底部金屬吸收層、鍺層/金屬吸收層交替膜層頂部鍺層以及頂部鍺層的上面的折射率逐漸減小的三層寬波段減反膜層。近年來，許多具備雙帶、多帶的吸收特性的結(jié)構(gòu)，也被認(rèn)為可以應(yīng)用在太陽能吸收中。

2015年的Sencer Ayas等人提出的圓角納米方形陣列結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)由銀光柵、氧化鋁、銀膜構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)雙帶吸收。

2016年，Batuhan Mulla等人提出對(duì)稱式金屬諧振結(jié)構(gòu)[2]，由上層金屬諧振器、介質(zhì)二氧化硅和最下層鋁膜構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)多帶寬角度吸收。

上述的這些現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題是：(1)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)大都過于復(fù)雜，制備工藝?yán)щy，無法大規(guī)模生產(chǎn)；(2)為實(shí)現(xiàn)偏振不敏感，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)大都采用二維陣列排布，嚴(yán)重限制了制備工藝；(3)對(duì)入射光的入射角敏感，隨角度變化，吸收效率退化嚴(yán)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.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)及其制備方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在寬入射角度變化范圍(0°-60°)吸收效率高(最高近100％)，且TM偏振光和TE偏振光皆可實(shí)現(xiàn)雙帶寬吸收。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)，其包括：

基底；

金屬層，其設(shè)置于基底上；

金屬光柵層，其設(shè)置于金屬層上，金屬光柵層為一維光柵，金屬光柵層包括多個(gè)光柵單元，每?jī)蓚€(gè)相鄰的光柵單元之間形成光柵凹槽，金屬光柵層的周期不大于500nm，金屬光柵層的占空比在0.1-0.7之間，金屬光柵層的高度在100-500nm之間；金屬光柵層中，其介電常數(shù)的虛部大于其介電常數(shù)的實(shí)部的絕對(duì)值；

填充介質(zhì)層，其填設(shè)于光柵凹槽內(nèi)。

進(jìn)一步地，上述基底為透明柔性基底。

進(jìn)一步地，上述透明柔性基底的材質(zhì)為聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯。

進(jìn)一步地，上述基底的折射率在1.4-1.7之間。

進(jìn)一步地，上述金屬層的材質(zhì)為鋁、銀、銅、鎢、鎳、鉻或鈦。

進(jìn)一步地，上述金屬層的厚度大于可見光波段在金屬層上的趨膚深度。

進(jìn)一步地，上述金屬層的厚度不小于40nm。

進(jìn)一步地，上述金屬光柵層的材質(zhì)為鎢、鎳、鉻或鈦。

進(jìn)一步地，上述光柵單元呈條形。

進(jìn)一步地，上述填充介質(zhì)層的材質(zhì)為二氧化硅。

進(jìn)一步地，上述填充介質(zhì)層的高度在100-800nm之間。

進(jìn)一步地，上述填充介質(zhì)層的折射率在1.4-1.7之間。

進(jìn)一步地，上述填充介質(zhì)層與光柵單元之間設(shè)有開口腔模。

一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟：

1)準(zhǔn)備基底；

2)通過物理沉積法將金屬層設(shè)置于基底上；

3)在金屬層上旋涂光刻膠；

4)通過光刻法或曝光法在光刻膠上制備光柵圖形；

5)通過離子刻蝕法或物理化學(xué)反應(yīng)法，將光柵圖形轉(zhuǎn)移至金屬材料中，形成金屬光柵層，金屬光柵層包括多個(gè)光柵單元，每?jī)蓚€(gè)相鄰的光柵單元之間形成光柵凹槽；

6)通過原子層沉積法、化學(xué)鍍方法、電化學(xué)方法的一種或幾種將介質(zhì)材料填充至光柵凹槽中。

進(jìn)一步地，上述物理沉積法包括真空鍍膜法、金屬熱蒸發(fā)鍍膜法、磁控濺射法或激光脈沖沉積法中的一種或幾種。

進(jìn)一步地，上述光刻法為電子束光刻法、離子束光刻法或紫外光刻法。

進(jìn)一步地，上述曝光法為紫外全息曝光法。

一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟：

1)在基底上面旋涂光刻膠，通過光刻或者全息拍攝制備光柵結(jié)構(gòu)；

2)電鑄形成金屬光柵結(jié)構(gòu)；

3)在金屬光柵上鍍介質(zhì)，形成最終結(jié)構(gòu)。

一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟：

1)在基底上面旋涂光刻膠，通過光刻或者全息拍攝制備光柵結(jié)構(gòu)；

2)電鑄形成金屬光柵結(jié)構(gòu)；

3)采用UV壓印，將金屬光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至軟膜上，形成介質(zhì)光柵；

4)在介質(zhì)光柵上鍍金屬形成吸收結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用一維條狀光柵設(shè)計(jì)，制備工藝成熟；

2)可見光范圍雙帶寬吸收效率高，在黑色印刷、太陽能吸收等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；

3)本發(fā)明在寬入射角度變化范圍吸收特性好，光在0°-60°范圍內(nèi)變化時(shí)，吸收效率變化不大；

4)本發(fā)明針對(duì)TM偏振光和TE偏振光均能有寬波段的高吸收效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與入射角度、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與入射角度、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例二中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與金屬光柵層周期、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例二中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與金屬光柵層周期、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例三中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與金屬光柵層占空比、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例三中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與金屬光柵層占空比、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例四中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與金屬光柵層高度、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例四中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與金屬光柵層高度、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例五中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與不同金屬層材料、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例無中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與不同金屬層材料、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖12為本發(fā)明實(shí)施例六中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與不同金屬光柵層材料、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖13為本發(fā)明實(shí)施例六中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與不同金屬光柵層材料、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。

一種可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式：

本發(fā)明實(shí)施例所涉及的一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括基底110、金屬層111、金屬光柵層112和填充介質(zhì)113。其中，基底110的材質(zhì)為透明柔性材料，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。金屬層111位于基底110上，其材質(zhì)比如是鋁、銀、銅、鎢、鎳、鉻或鈦。金屬層111起到反射鏡的作用，為了保證光的反射效率，該金屬層111的厚度d大于可見光在該金屬材質(zhì)上的趨膚深度，在一種實(shí)施方案中，該金屬層111的厚度為100nm。金屬光柵層112位于金屬層111上，其材料比如是鎢、鎳、鉻或鈦。該金屬光柵層周期不大于500nm、占空比在0.1-0.7之間，高度在100-500nm之間在一種較優(yōu)地方案中，該金屬光柵層的周期p為260nm，占空比f為0.25，高度h為300nm。介質(zhì)材料113填充在金屬光柵的凹槽內(nèi)，在一種實(shí)施方案中，該介質(zhì)采用二氧化硅。在本發(fā)明的雙帶寬波段吸收結(jié)構(gòu)中，通過簡(jiǎn)單的一維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)可見光波段(380-760nm)寬角度變化范圍(0-60°)高效率吸收(接近100％)，且針對(duì)TM光和TE光，均可實(shí)現(xiàn)寬吸收。制備工藝較為成熟，易于大規(guī)模制備。

繼續(xù)如圖1所述，金屬光柵層112的周期為p，脊部寬度為w，占空比F＝w/p，高度為h。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，這些例舉的實(shí)施例中，雖然只涉及了金屬鎢、金屬鉻和金屬鎳，然而其符合本發(fā)明要求的金屬也應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明所主張的保護(hù)中，比如金屬鈦等，因此本發(fā)明對(duì)其他符合本發(fā)明要求的金屬將不一一進(jìn)行例舉。

下面將以具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明所涉及的一種雙帶可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)來進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例一：

圖2和圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)的寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光和TE偏振光的吸收光譜與入射角度、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。其中，p為260nm，f為0.25，h為300nm，d為100nm，金屬層及金屬光柵層材料設(shè)置為鎳，填充介質(zhì)為二氧化硅材料。采用嚴(yán)格耦合波理論(RCWA)對(duì)寬波段吸收結(jié)構(gòu)的吸收特性及角度寬容性進(jìn)行分析。由于TM偏振光激發(fā)的表面等離子在介質(zhì)里面的耦合，形成強(qiáng)大的磁場(chǎng)共振，實(shí)現(xiàn)光能捕捉，導(dǎo)致高效率吸收。TE偏振光實(shí)現(xiàn)高吸收的作用機(jī)理在于填充介質(zhì)與兩側(cè)金屬壁之間構(gòu)成開口腔模，腔共振導(dǎo)致的高吸收?？梢园l(fā)現(xiàn)，光在0-60°入射角度變化范圍內(nèi)，TM和TE偏振光均可保持高效率的吸收狀態(tài)。

實(shí)施例二：

圖4和圖5分別示出了可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光和TE偏振光的吸收光譜與金屬光柵層周期、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。在本實(shí)施例中，調(diào)整金屬光柵的周期p，觀察p變化對(duì)該結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)施例一相同，其中入射角度為0度?？梢园l(fā)現(xiàn)，周期變化對(duì)于TM光吸收的影響較大，優(yōu)選的，周期250nm附近吸收帶寬較大，效率高。周期對(duì)于TE偏振光無太大影響。

實(shí)施例三：

圖6和圖7分別示出了可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光和TE偏振光的吸收光譜與金屬光柵層占空比、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。在本實(shí)施例中，調(diào)整金屬光柵的占空比f，觀察f變化對(duì)該結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)施例一相同，其中入射角度為0度?？梢园l(fā)現(xiàn)，占空比對(duì)于TM和TE偏振光的帶寬影響較大，較優(yōu)的，在占空比0.2-0.3之間，可兼顧TM和TE光寬帶寬高效率的吸收。

實(shí)施例四：

圖8和圖9為本發(fā)明實(shí)施例四中可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光和TE偏振光的吸收光譜與金屬光柵層高度、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖。在本實(shí)施例中，調(diào)整金屬光柵的高度h，觀察h變化對(duì)該結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)施例一相同，其中入射角度為0度?？梢园l(fā)現(xiàn)，高度h對(duì)于TM和TE光的吸收效率影響較大，尤其影響吸收帶寬范圍。較優(yōu)的，h為300nm時(shí)，可以兼顧TM和TE光雙帶寬吸收的效果。

實(shí)施例五：

圖10和圖11分別示出了可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光和TE偏振光的吸收光譜與不同底層金屬層材料、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，針對(duì)不同金屬，如鎳、鋁和銀，吸收效率波動(dòng)不大，對(duì)于整個(gè)寬光譜吸收影響較小。

實(shí)施例六：

圖12和圖13分別示出了可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的TM偏振光和TE偏振光的吸收光譜與不同金屬光柵層材料、入射波長(zhǎng)的關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，鎳、鉻和鎢的吸收光譜較為接近，針對(duì)本發(fā)明的吸收結(jié)構(gòu)，這三種金屬均可實(shí)現(xiàn)寬吸收。

一種可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)的制備方法的實(shí)施方式：該制備方法包括以下步驟：

S1：準(zhǔn)備基底；

S2：通過物理沉積法將金屬層設(shè)置于基底上；

S3：在金屬層上旋涂光刻膠；

S4：通過光刻法或曝光法在光刻膠上制備光柵圖形；

S5：通過離子刻蝕法或物理化學(xué)反應(yīng)法，將光柵圖形轉(zhuǎn)移至金屬材料中，形成金屬光柵層，金屬光柵層包括多個(gè)光柵單元，每?jī)蓚€(gè)相鄰的光柵單元之間形成光柵凹槽；

S6：通過原子層沉積法、化學(xué)鍍方法、電化學(xué)方法的一種或幾種將介質(zhì)材料填充至光柵凹槽中。

其中，上述物理沉積法包括真空鍍膜法、金屬熱蒸發(fā)鍍膜法、磁控濺射法或激光脈沖沉積法中的一種或幾種；上述光刻法為電子束光刻法、離子束光刻法或紫外光刻法；上述曝光法為紫外全息曝光法。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種可見光寬波段吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在寬入射角度變化范圍吸收效率高(最高可達(dá)近100％)，且對(duì)TM入射T E入射均可實(shí)現(xiàn)高吸收。該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在太陽能電池、熱光伏等寬波段太陽能吸收，也可以為無油墨印刷實(shí)現(xiàn)黑色提供解決方案，且該結(jié)構(gòu)采用一維光柵設(shè)計(jì)，制備工藝簡(jiǎn)單。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。