[发明专利]一种基于半导体材料的红外宽光谱光吸收器

说明书

本发明公开了一种基于半导体材料的红外宽光谱光吸收器，采用如下方法制备获得：(1)对衬底进行超声清洗，用氧等离子体处理超声清洗后的衬底；(2)在衬底上制备或转移单层或多层的Al₂O₃空心球壳阵列；(3)在Al₂O₃空心球壳阵列上沉积半导体颗粒或半导体薄膜；(4)对沉积的半导体颗粒或半导体薄膜进行退火，即获得红外宽光谱光吸收器。本发明红外宽光谱光吸收器结构灵活，可以通过改变空心球壳阵列的层数、尺寸、周期和球壳厚度，来改变红外宽光谱光吸收器结构，从而可在很宽的波长范围内满足减小反射的需求，适用性广。

技术领域

本发明涉及一种基于半导体材料的红外宽光谱光吸收器。

背景技术

红外探测技术不仅在航空航天、气象卫星、空间预警等领域发挥重大作用，而且在医学成像、工业检测、环境监测等领域扮演重要角色。无论是探测红外信号，还是抑制环境中的背景杂散光，红外光的高效捕获都是最为关键的一步。对于尖端的红外探测技术，高性能的红外光吸收器具有重要的作用。

在光吸收器中引入金属纳米颗粒，基于表面等离激元共振对光吸收具有重要的意义。表面等离激元是指在光激发下，金属或半导体与介质界面发生的集体电子共振行为。由于具有巨大的吸收截面和散射截面，基于局域表面等离激元共振的传统金属纳米颗粒在太阳能电池、增强荧光、紫外探测器等领域发挥了重要作用。然后，由于是共振激发，具有高选择性，金属纳米颗粒只是在其局域表面等离激元共振峰位置具有很强的光吸收。发生局域表面等离激元共振的条件是材料在对应的峰位处介电常数为负值，且介电常数的实部绝对值与周围介质相同。金属的介电常数在不同的频率下，数值不同，一般低于其等离子体频率时，数值为负值。而周围的介质一般是空气，介电常数为1，因此金属局域表面等离激元共振峰在其对应金属材料的等离子体频率附近，同时与金属对应纳米颗粒的大小和形状相关。传统金属，如铝、银和金，其对应的等离子体频率在紫外频段，在紫外—可见频段对光有很强的限制作用，因此得到了广泛的应用。在红外频段，尤其是中长红外频段，传统金属的介电常数虽然为负值，但是绝对值远远大于1，远远偏离了表面等离激元共振的条件，对红外光的亚波长限制和吸收已经很弱了。如何基于表面等离激元共振吸收在红外频段制备高性能的光吸收器依然是一个难题。

光从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质折射率不一致，总会有一部分光被反射，这对光吸收来说是不利的。一种方法是制备不同折射率介质交叠的结构，通过相干吸收，减小反射。但是这种方法只对特定波长的光有效，在宽谱范围内很难达到减反效果。另一种方法是在材料表面制备纳米结构，使其等效折射率与外部介质相同或相近，从而减小反射。相同介质材料，纳米结构中的孔隙率越大，其等效折射率越接近1，反射越小。传统的金属或半导体纳米锥、纳米杆、纳米多孔结构等，其孔隙率很难精确连续可控并大于80％，这就给高效光吸收器带来了挑战。

如何基于表面等离激元共振吸收在红外频段制备高性能的光吸收器，目前依然是一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于半导体材料的红外宽光谱光吸收器。

根据Drude模型，材料的等离体子频率其中，n为材料的载流子浓度，e为电荷量，ε₀为真空介电常数，m为有效质量。对于金属，n一般约10²²cm^-3，其等离子体频率在紫外频段，如对于银，其等离子体频率为9.1eV。因此，传统金属在红外频段对光的吸收比较弱。而对于半导体材料，其载流子浓度n可通过掺杂在很宽的范围内进行调控，从而其等离子体频率可以在很宽的范围内改变，当其等离子体频率处于红外频段时，对红外光会有很强的吸收，如对于ZnO，其载流子浓度约10¹⁹cm^-3时，其等离子体频率约4μm。