阅读说明：本技术 一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器及加工方法 (Grating-insulation-metal three-layer structured visible light perfect absorber and processing method ) 是由 陈煦 吴九汇 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器及其加工方法。完美吸收器由三层结构组成,最上层为圆形孔状光栅层,中间层为均匀介质层,最下层为金属层,所述结构的金属材料为锰,介质材料为Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>。通过参数优化,该结构的厚度仅为150nm,在可见光范围可实现宽带、大角度、偏振无关的近完美吸收,平均吸收率可达95％。本发明所述的加工方法为首先通过磁控溅射完成均匀金属和电介质薄膜的制造,然后利用湿法刻蚀完成上层光栅结构的加工,在显影后结合磁控溅射和剥离工艺完成最上层孔状光栅结构的制造加工。本结构在精密位移检测、太阳能电池和光学隐身等领域具有潜在的应用前景。(The invention relates to a visible light perfect absorber with a grating-insulation-metal three-layer structure and a processing method thereof. The perfect absorber is composed of three layers, wherein the uppermost layer is a circular porous grating layer, the middle layer is a uniform medium layer, the lowermost layer is a metal layer, the metal material of the structure is manganese, and the medium material is Al 2 O 3 . Through parameter optimization, the thickness of the structure is only 150nm, near-perfect absorption with broadband, large angle and polarization independence can be realized in a visible light range, and the average absorption rate can reach 95%. The processing method comprises the steps of firstly completing the manufacture of uniform metal and dielectric films through magnetron sputtering, then completing the processing of the upper grating structure through wet etching, and completing the manufacture and processing of the uppermost layer of porous grating structure through combining magnetron sputtering and stripping processes after development. The structure has potential application prospect in the fields of precision displacement detection, solar cells, optical stealth and the like.)

一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器及加工 方法

技术领域

本发明属于人工电磁材料技术领域，特别涉及一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器及加工方法。

背景技术

完美吸收器被广泛应用于太阳能电池、光隐身、热成像传感器和光电探测等领域。

最初，传统吸收器的设计理念是靠较厚高损耗材料来实现电磁波的吸收，因此除了吸收器件很难满足集成化和微型的要求，也无法实现频段可调谐特性。随着人工电磁超材料的出现，设计金属微纳结构实现电磁波的完美吸收迅速引起广泛关注，当材料与自由空间的相对阻抗匹配时，便可以获得不同的共振模式，实现电磁波在多波段的完全吸收，有效提高吸收效率。为进一步拓宽吸收频段，又提出采用多共振模式叠加的方法，通过使用不同金属/介质材料的组合来完成宽带吸收。

现有吸收器结构要实现宽带完美吸收至少需要叠加4层以上结构，导致整体厚度较厚，且结构较为复杂，难以满足微型化和便携化的社会需求，在制备方法和加工工艺方面也存在极大限制。在材料的选择方面也多材料金、银等贵金属材料，成本高昂且在高温或强激光照射下容易氧化，导致结构和性能受到不同程度的影响。因此，在时，将其他材料也纳入考虑范围，寻找适合变得十分迫切。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器及加工方法，选择合适的材料使整体结构的厚度减小，也降低加工难度，实现既具有卓越性能又适合推广的理想吸收器结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器，主体为密切接触堆叠排列的三层周期微纳结构，上层为光栅层1，中间为均匀电介质层2，下层为金属层3，其中光栅层1的光栅结构为周期结构。

优选地，所述光栅层1的光栅结构为带有若干纵向贯通圆孔的圆柱型周期结构，光栅层1主体材料为金属锰，圆孔内介质材料为空气，光栅结构的周期在微米量级。

优选地，所述均匀电介质层2覆于金属层3上，介质材料为Al₂O₃或TiO₂等无源非磁性材料，所述金属层3的材料为锰，覆于柔性或硬质衬底上，厚度大于其金属材料的趋肤深度。

优选地，所述光栅层1的厚度为10nm，圆孔的直径为30μm，晶格常数为50μm，均匀电介质层2的厚度为70nm，金属层3的厚度为70nm。

本发明还提供了所述光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器的加工方法，包括如下步骤：

步骤1：通过磁控溅射法在衬底表面均匀的沉积金属层3和均匀电介质层2；

步骤2：利用湿法刻蚀在光刻胶上完成预定参数的光栅结构，曝光显影后，得到含有孔状颗粒的光刻胶结构；

步骤3：通过磁控溅射法在光刻胶表面沉积一层超薄金属层；

步骤4：剥离光刻胶颗粒及覆于光刻胶上的金属，获得光栅层1，得到光栅-绝缘-金属的三层吸收器结构。

与现有技术相比，本发明的光栅-绝缘-金属完美吸收器可获得宽频偏振无关的近完美吸收，在与传统吸收结构吸收效率相似的前提下，整体厚度和结构复杂度均大幅减小，完全满足加工要求，通过调整中间层材料和厚度便可轻松改变完美吸收器的工作频段。本发明涉及的加工方式对于该类光栅-绝缘-金属多层结构具有工艺简单、操作方便等优点，光栅层和中间层的加工精度都可以保证。综上，本发明可用于在精密位移检测、太阳能电池和光学隐身等领域。

附图说明

图1为本发明光栅-绝缘-金属结构的完美吸收器的结构示意图。

图2为本发明吸收器在0.2μm～0.8μm范围的吸收谱。

图3为本发明吸收器在TM和TE波入射时可见光范围的吸收谱图。

图4为不同入射角度对固定波长500nm时的结构吸收率。

图5为本发明涉及的三层吸收结构的整体加工工艺示意图。

图6为本发明加工完成的结构样件示意图，其中(a)为光栅层为圆形的多层微纳结构，(b)为光栅层为正方形的多层微纳结构，(c)为光栅层为矩形的多层微纳结构，(d)为具体实物图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种光栅-绝缘-金属三层结构的可见光完美吸收器，主体为密切接触堆叠排列、中间没有空气的三层周期微纳结构，其中：

上层为光栅层1，其光栅结构可为任意形状周期结构，其上下表面平整。

中间的绝缘层为均匀电介质层2，其也为平整结构，覆于金属层3上，介质材料为Al₂O₃或TiO₂等无源非磁性材料。

最下层为金属层3，覆于柔性或硬质衬底上，材料可选常规金属材料，如锰，厚度大于其金属材料的趋肤深度即可。

本发明可见光完美吸收器的设计思路为：最上层的光栅层1厚度需尽可能薄，通过优化光栅结构的材料和结构参数，便于更多的入射电磁波进入到模型结构内，提高增大吸收率的可能性；中间绝缘层选择均匀电介质层2，通过调整材料和厚度，捕获入射电磁波，使电磁波在上下层之间来回传播耗散，实现完美吸收，其中材料的折射率决定了腔体的共振频率，材料的厚度决定了俘获光波在中间层的耗散程度，通过选择中间层材料和厚度自由调控吸收波段；最下层的金属层3要求厚度需大于所选金属的趋肤深度，以确保整体吸收器结构的透射率降到最小，最终实现电磁波的近完美吸收。

本发明可见光完美吸收器可以获得偏振无关的大角度电磁波吸收，整体结构仅由简单的圆柱型周期光栅结构和二层均匀材料层组成，满足加工方式简单，容易推广的应用需求，完美吸收器的整体厚度为纳米量级，可满足微型化、便携化和集成化的要求。

在本发明的一个具体实施例中，光栅层1上分布若干纵向贯通圆孔，形成带有的圆柱型周期光栅结构。光栅层1的主体材料为金属锰，圆孔内介质材料为空气，光栅结构的周期在微米量级。光栅层1的结构参数为：周期为50μm，圆孔的直径为30μm，光栅层1的厚度为10nm。均匀电介质层2的介质材料为Al₂O₃，厚度为70nm。金属层3的材料为锰，厚度为70nm。

如图2所示，本发明完美吸收器的工作波段为375nm～640nm波长范围，整个波段的吸收率均大于0.9，最大吸收率为0.99，平均吸收率为0.96。在350nm～760nm的波段范围，结构的吸收率均大于0.8，覆盖可见光波段。

如图3所示，本发明完美吸收器对入射电磁波的偏振方向不敏感，在任何偏振态下均可实现可见光完美吸收，其中TM偏振时，吸收效果更佳卓越。

如图4所示，本发明完美吸收器可以实现大入射角度下的超宽带完美吸收，当入射波波长为500nm时，在垂直入射时，吸收率最大，约为99.6％；当入射角逐渐增大到53°时，结构的吸收率缓慢减小，从99.6％减小到90％左右；当入射角进一步增大到67°时，吸收率减小到80％；当入射角超过67°以后，结构吸收率的减小速率明显加快。

本发明提供该完美吸收器的加工方法，具体流程如图5所示，包括：

步骤1：首先通过磁控溅射工艺在衬底上沉积一层70nm厚的金属锰作为最底层金属层；

步骤2：通过磁控溅射工艺在金属锰上沉积一层厚度为70nm的Al₂O₃作为中间绝缘层；

步骤3：利用湿法刻蚀完成最上层光栅结构中孔形结构的加工，显影后获得圆柱型光刻胶颗粒，本实例中光刻胶选择AZ5214；

步骤4：继续通过磁控溅射工艺在光刻胶颗粒上沉积一层厚度为10nm的金属锰，利用剥离工艺去除光刻胶及覆于光刻胶上的金属锰，获得最上层金属光栅结构。

利用上述加工方法制作的完美吸收器样件的SEM图如图6中(a)～(c)所示，具体实物图如图6中(d)所示。由图6可看出光栅层为圆形、正方形和矩形等形状的多层微纳结构，都可通过该方法加工完成。

该加工方法操作简单，加工便捷、在加工过程中调控方便，且可以尽量避免光栅层加工方式和工艺对中间介质层的影响，又可以得到规则的周期结构。

综上，本发明所述的完美吸收器，利用入射波与金属光栅结构耦合时产生的局域等离激元共振模式有效减小整体结构的反射率，在此基础上，通过材料和结构参数的选择构建匹配的FP腔共振模式，将捕获的电磁波贮存、耗散在完美吸收器结构中，两种共振模式的协同作用使所述完美吸收器实现宽频大角度偏振无关的近完美吸收。通过引入锰金属，，使所述简单结构可在较小厚度下满足可见光波段的吸收效率和便于加工制造的双重需求。本发明涉及的加工工艺适合光栅层-绝缘层-金属层结构的加工制造，工艺简单、操作便携，且可以在加工过程中适当调控。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其设计理念加以等同替换或改变，这些改变或替换也应属于本发明所附的权利要求的保护范围。