[发明专利]一种全金属光吸收器及其制备方法

说明书

本发明公开一种全金属光吸收器，包括金属衬底及布置在金属衬底上表面周期性排列的金属微结构单元；金属微结构单元为圆弧形金属薄膜结构，圆弧张角为180度，旋转角度为0度；金属薄膜的厚度与其采用的金属材料的电阻率相匹配以获得最佳光吸收效果，长度不小于工作波长的5倍，宽度即为圆弧的弧长。进一步还公开这种光吸收器的制备方法。本发明所公开的光吸收器可通过仅改变入射光偏振态方向就实现高效率光吸收和高效率光反射的灵活转换，并且，具有可高达99％的吸收率和较高的结构容忍度。

技术领域

本发明属于光电功能器件技术领域，具体涉及一种通过三维立体微结构单元的设计和空间排布实现光吸收的光学功能。

背景技术

现有的光吸收材料大多都是利用金属-介质-金属的三明治结构来构造。这样的器件在吸收光能时，吸收发生在介质层，由于结构不是全金属连续，因此原理上散热效率和结构的导电性受到影响。目前，虽然有少数报道可利用金属薄膜的复杂结构制备三维结构光吸收器，但相关的吸收器依赖于高质量的三维全金属薄膜制备，结构制备难度高，并且实验制备的偏差对光吸收的效果会有不小的影响。

发明内容

为进一步加强全金属光吸收器的吸收效果和实用性，本发明在提出一种全金属光吸收器及其制备方法，在工作波长，可通过仅改变入射光偏振态方向就实现高效率光吸收和高效率光反射的灵活转换。并且，本发明所设计的光吸收器结构具有较高的结构参数容忍度，制备过程中即使结构参数在一定范围内发生改变，仍可以获得高效率的光吸收效果。本发明中的容忍度是工作波长的入射光垂直射到光吸收器表面且偏振方向垂直于金属微结构单元长度方向时，光的透射率为0，吸收率不小于90％。本发明允许全金属光吸收器(更具体的说是指其中的金属微结构单元)的结构参数在设计目标值附近有一定的变化范围，这无论是对于实验还是后续产业化都非常有用，因为这种基于三维立体微结构单元的全金属光吸收器在制备过程中，很难保证这些结构参数不会和目标参数有一定偏差，这种高容忍度的结构设计可以使得器件制备过程中即使出现一定偏差时，器件的性能得以保持。

本发明的技术方案如下：

本发明公开一种全金属光吸收器，包括金属衬底及布置在金属衬底上表面周期性排列的金属微结构单元；所述金属微结构单元为圆弧形金属薄膜结构，所述金属薄膜的截面为圆弧形，圆弧的弧面与衬底接触，开口背离衬底；所述圆弧形金属薄膜的圆弧张角θ为180度，旋转角度φ为0度，所述张角是指圆弧的圆心角，所述旋转角度是指圆弧两端的连线与水平方向的角度；所述圆弧形金属薄膜的厚度t与其采用的金属材料的电阻率相匹配以获得最佳光吸收效果；所述圆弧形金属薄膜的长度l不小于工作波长的5倍，宽度即为圆弧的弧长；所述金属衬底的厚度h能满足入射光的透射率接近0；所述工作波长是指光吸收器具有最大吸收率的波长，所述吸收率＝1-透射率-反射率；

工作波长的入射光，垂直射到光吸收器表面且偏振方向垂直于金属微结构单元长度方向时，光的透射率为0，反射率接近于0，吸收率接近1；工作波长的入射光，垂直射到光吸收器表面且偏振方向平行于金属微结构单元长度方向时，入射光的反射率超过90％。

作为一种优选方案，所述工作波长的入射光，垂直射到光吸收器表面且偏振方向垂直于金属微结构单元长度方向时，光的透射率为0，吸收率不小于95％。

作为一种优选方案，所述工作波长的入射光，垂直射到光吸收器表面且偏振方向垂直于金属微结构单元长度方向时，光的透射率为0，吸收率不小于99％。

作为一种优选方案，所述张角θ的容忍度为140～220度。

作为一种优选方案，所述旋转角度φ的容忍度不大于30度。

作为一种优选方案，所述金属衬底具有光滑平整的上表面且厚度h不小于50nm。作为一种优选方案，所述金属微结构单元的排列周期a为700nm，所述圆弧的内径R＝200nm，外径为R+t。