[发明专利]一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器

说明书

本发明公开了一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，在基底上依次设有锗层和硅光栅，在硅光栅上设有周期排列的铁纳米方柱阵列。在硅光栅的各行硅结构上表面，沿光栅长度方向，铁纳米方柱的高度成波浪状排列，且相邻两个铁纳米方柱高度差为dh；相邻两行硅结构上的铁纳米方柱的高度排列步调相反。本发明的完美吸收器采用的材料为成本低廉的Fe、Ge、Si，结构相对简单，并将吸收波段进一步扩大，实现了从紫外波段到近红外波段非常高的吸收。在采用理想参数情况下，实现在200nm‑2200nm波段平均96.8％的吸收率，其中490nm‑510nm达到99.96％的吸收峰值。

技术领域

本发明设计一种超材料吸收器，具体涉及一种完美吸收器。

背景技术

完美吸收器是一种能够在指定波段将光波完全吸收的器件。随着纳米加工技术的发展，人们提出了各种可以在各个波段高效吸收的超材料吸收器，而决定吸收器性能的关键是材料顶部的形状、高度、厚度等几何参数的组合，究其原因是不同形状、特性的材料间激发的米氏共振将光能在结构中完全损失从而实现吸收的效果。相较于传统的使用材料内在性质的吸收器如黑漆、金属氧化物等材料，基于米氏共振的超材料吸收器具有吸收效率高，工作波带宽、特性可调节等不可替代的优越工作特性。

最常见的吸收器结构通常由数层叠加而成，BingXing Zhang等人在2011年设计出一种可调谐近红外双波段等离子吸收体，把金(Au)纳米椭圆盘阵列放在薄SiO₂介质和Au薄膜上，在双波段实现了近乎99％的吸收率，调谐范围可达700nm。Peng Yu等人利用基于在硅衬底上生长的中心刻有正方形的金属方块，将最上层结构塑造成中心对称的四个三角形金属片，并在中红外区600nm-1500nm实现了98％的平均吸收率。HuiXuan Gao等人理论提出了一种椭圆形钛纳米片阵列结构，将SiO₂和钛(Ti)依次堆积成四层的“三明治”结构(SiO2–Ti–SiO₂–Ti)，并将上层Ti塑造成椭圆形交错阵列，实现了从可见光550nm到近红外2200nm波段90％以上的平均吸收率，但碍于结构过于复杂，且中间有镂空部分，加工难度过大。Sajan Shrestha等人在2018年利用氧化铟锡(ITO)制成的非对称法布里-珀罗腔实现了红外波段的完美吸收，在4μm到16μm波段实现了大于80％的平均吸收率。同年Dewang Huo等人提出了一种周期性圆形氮化钛(TiN)纳米锥图案的完美吸收器在400nm-1500nm平均99.6％的宽带完美吸收,并且有很高的耐热性能，但是纳米锥以现在的加工工艺很难实现量产，限制了此结构的进一步应用。Ran Wang等人在2022年理论提出了一种在金衬底上依次生长二氧化硅和金圆纳米柱的结构，并实现了400nm-700nm可见光范围内95.7％的理想平均吸收率。Yicheng Wang等人也在2022年提出一种四边形截锥构成的完美吸收器，在二氧化硅衬底上生长了四边形截锥形状的钛(Ti)并在其上方附着一个砷化镓(GaAs)方块，并把结构翻转在最底部镀上铜(Cu)膜，最终实现了在300nm-1200nm波段实现了97.1％的平均吸收率。

上述结构普遍存在频繁使用诸如金、银、铜等高价贵金属，层数累积过密导致加工难度大，有效波段过窄、偏振敏感等问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，在不采用贵金属的基础上，实现从紫外波段到近红外波段的高吸收。

技术方案：一种多重纳米方柱阵列宽带完美吸收器，包括基底，在基底上设有锗层，在所述锗层上设有硅光栅，在所述硅光栅上设有周期排列的铁纳米方柱阵列；在所述硅光栅的各行硅结构上表面，沿光栅长度方向，铁纳米方柱的高度成波浪状排列，且相邻两个铁纳米方柱高度差为dh；相邻两行硅结构上的铁纳米方柱的高度排列步调相反，即其中一行中最高的铁纳米方柱正对另一行中最低的铁纳米方柱。