[发明专利]一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料

说明书

技术领域

本发明属于电磁功能材料技术领域，涉及电磁波吸收结构，具体涉及一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波，其波长跨度为30μm～3mm。该频段是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，具有很多优越的特性，在国防军事，卫星通信，医疗诊断等方面显示出了巨大的应用潜力。因此，太赫兹领域的相关研究对国民经济和国家安全有重大的实际意义。

太赫兹波吸收材料在太赫兹波能量捕获、探测、隐身以及构建高性能的太赫兹应用系统方面均有重要应用价值，是国际上研究的一个热点。然而，由于绝大多数自然物质对太赫兹波缺乏有效的电磁响应，因此太赫兹吸收往往依靠复杂的人工电磁结构，如人工电磁超材料和光子晶体。例如，申请号为200910216064.4，发明名称为“一种太赫兹波平面吸收材料”的中国专利，公开了一种具有两个窄带吸收频段，且每个吸收峰均具有80％以上吸收强度的超结构太赫兹波吸收材料，其结构包括衬底、金属反射层、介质层和人工电磁媒质层等多层结构；两个强吸收频段可以提供不同频段的选择吸收和探测，同时可以吸收更大频谱范围的太赫兹辐射，提高了太赫兹波平面吸收材料的性能和效率；但是基于超材料的太赫兹吸收器件，总体上吸收带宽比较窄。又如，2015年，文献“Yan Peng，Ultra-broadband terahertz perfect absorber by exciting multi-order diffractions in a double-layered grating structure，Optics Express 2032，2015”公开了一种基于双层Si基周期结构的宽带太赫兹波吸收器；这种结构是利用Si衬底制备出周期性的光子晶体结构，每个周期是有两个大小不同的方块堆叠而成，该吸收器在0.59THz～2.58THz的频带内存在三个吸收峰，分别是由空隙共振，一阶和二阶光栅衍射造成的，这三个吸收峰的叠加使得器件在较宽的频带内对太赫兹波的吸收率达到90％。但由于太赫兹波的频率较高，特征尺寸均在微米量级，因此太赫兹器件通常无法使用机械加工的方法进行加工，必须借助复杂的微细加工技术；而以上基于超材料和光子晶体的太赫兹波吸收器，为了提高吸收率和拓展吸收带宽，需要设计极为复杂的多层结构或者嵌套结构，导致其制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂，在很大程度上限制了其实际应用范围。急需研究结构简单，制备方便、成本低廉且具有宽带吸收特性的太赫兹波吸收材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于硅纳米针(Silicon Nano-tip，SiNT)的宽带太赫兹波吸收材料，用以克服现有太赫兹波吸收器件吸收带宽窄、制作工艺复杂、器件稳定性差、制备成本高昂的缺陷；本发明提供一种特殊设计的硅纳米针阵列结构，作为太赫兹波吸收材料，结构简单，在0.2THz～1.2THz范围内，对太赫兹波的吸收率高达90％；采用简易金属辅助的化学刻蚀(Metal-Assisted Chemical Etching，MACE)方法制备，制备工艺简单，成本低廉；能够应用于太赫兹波辐射热测定器，太赫兹隐身技术，太赫兹成像和光谱技术，以及太赫兹热发射器的极有潜力的新型吸收材料。同时，该材料对可见光也具有很高的吸收率，可同时应用于可见光和太赫兹波段。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，包括硅纳米针阵列和硅衬底两部分，其特征在于，所述硅纳米针阵列由均匀分布于硅衬底上的若干个硅纳米针构成，硅纳米针垂直设置于硅衬底表面；所述硅纳米针阵列和硅衬底为同一材料，均采用n型或p型重掺杂半导体硅、其电阻率≤0.1Ω·cm。

进一步的，所述硅纳米针呈上细下粗的垂直针状结构，硅纳米针的直径≤100nm、高度≥5μm，硅纳米针的填充率(filling ratio)为50％～80％。

进一步的，所述硅衬底的厚度为≥300μm。

上述基于硅纳米针的太赫兹波宽带吸收材料，在0.2THz～1.2THz的频带内对太赫兹波的吸收率≥90％，对300nm～880nm的可见光同样具有90％以上的吸收效率，因此可同时应用于可见光和太赫兹波段。

从工作原理上讲：