本發(fā)明涉及人工電磁超材料和光學(xué)吸收器技術(shù)，具體是一種基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器及制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著近些年光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，完美吸收器pa(perfect?absorber)在現(xiàn)代光電技術(shù)領(lǐng)域例如光電檢測(cè)與轉(zhuǎn)化、光學(xué)通信技術(shù)、光學(xué)隱身衣、太陽能電池與能量收集和熱成像傳感器等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。而對(duì)此過往許多完美吸收器采用復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)，具有尺寸較大工藝過于復(fù)雜的缺點(diǎn)。在21世紀(jì)伊始，john?pendry爵士發(fā)表了極具前瞻性的“negative?refraction?makes?a?perfect?lens”一文，進(jìn)而預(yù)測(cè)了領(lǐng)域（此后逐漸形成metamaterials超材料的概念）的巨大前景，掀起了超材料二十多年來經(jīng)久不衰的旋風(fēng)，該文章被引1萬5千余次，引領(lǐng)了無數(shù)的超材料研究。2008年，landy等人課題組首先提出表面等離子超材料完美吸收器的概念。超材料是指著天然界不能獲取的材料，需要人工調(diào)控其介電常數(shù)、磁導(dǎo)率常數(shù)從而獲得人們想要的電磁相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

2、過往吸收器的制備設(shè)計(jì)理念大多為依賴具有高損耗的電磁材料和使得更多電磁波進(jìn)入結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更多光學(xué)的吸收效率。隨著電磁超材料的出現(xiàn)，其中不僅僅采用平面的堆疊、采用微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)于光學(xué)的完美吸收很快吸引的科研工作者們的很大興趣。根據(jù)阻抗匹配的理論分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻抗與空氣阻抗相接近，結(jié)構(gòu)能與自由空間較好的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而電磁波可以更好地進(jìn)入到結(jié)構(gòu)被吸收，通過疊加更多共振模式實(shí)現(xiàn)更寬帶的電磁波吸收。

3、目前光學(xué)完美吸收器的結(jié)構(gòu)通常對(duì)于微納結(jié)構(gòu)擁有層出不窮的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)于平面結(jié)構(gòu)則層數(shù)一般要大于5層以上，這些自然使得對(duì)于現(xiàn)在的光學(xué)完美吸收器從結(jié)構(gòu)復(fù)雜到整體結(jié)構(gòu)厚度問題上形成困難，很難使得在目前制備技術(shù)，和實(shí)際工藝水平的基礎(chǔ)上用于實(shí)際進(jìn)而受到各種限制。而傳統(tǒng)完美吸收器在材料選擇上很多采用金這種貴金屬材料，顯然造價(jià)成本高，金屬硬度不夠高等也成為了問題，所以在多方考慮下對(duì)于完美吸收器來說，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單厚度較小并且找尋具有造價(jià)低廉硬度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)性能的金屬材料成為了重要任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器及制備方法。這種完美吸收器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸收效率高、吸收工作波段寬、極化不敏感特性。這種方法制備工藝簡(jiǎn)單。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

3、一種基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，?包括由下向上依次疊接的金屬鉻材料襯底層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層、金屬鉻材料吸收層和非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層，其中，金屬鉻材料吸收層由光柵型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)材料硅所包圍，金屬材料襯底層采用的材質(zhì)金屬鉻cr為高硬度、耐腐蝕、耐氧化、耐高溫材料、厚度不小于200nm以至整體結(jié)構(gòu)透射率為零，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層硅介質(zhì)層厚度h1=115nm，金屬鉻材料吸收層厚度h2為40?nm?-80nm，金屬鉻材料襯底層硅介質(zhì)層厚度h3=130nm，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層構(gòu)成硅-鉻-硅的薄膜結(jié)構(gòu)的光柵型結(jié)構(gòu)、所述光柵型結(jié)構(gòu)寬度為w為220?nm?-180nm，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層和金屬鉻材料襯底層構(gòu)成微納結(jié)構(gòu)單元周期p為300nm?-400nm。

4、優(yōu)選地所述金屬材料襯底層厚度為200nm。

5、優(yōu)選地所述金屬鉻材料吸收層厚度h2為40nm。

6、優(yōu)選地所述光柵型結(jié)構(gòu)寬度為w為?220nm。

7、優(yōu)選地所述微納結(jié)構(gòu)單元周期p為300nm。

8、制備上述基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器的方法，包括如下步驟：

9、1）預(yù)先備好一片清潔潔凈的玻璃片；

10、2）在玻璃片上采用原子沉積法沉積一層金屬鉻膜作為金屬材料襯底層；

11、3）在金屬材料襯底層上沉積一層半導(dǎo)體材料介質(zhì)硅層，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層；

12、4）在非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層上沉積一層金屬鉻層，形成金屬鉻材料吸收層；

13、5）在金屬鉻材料吸收層上最后沉積一層介質(zhì)硅，最終形成非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層；

14、6）采用薄膜刻蝕技術(shù)刻蝕掉非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層和非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層材料兩邊構(gòu)成三層結(jié)構(gòu)的光柵微納結(jié)構(gòu)，最終獲得光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，

15、步驟2）-步驟5）中采用具有高精度的均勻性的原子層沉積方法一層又一層地形成膜結(jié)構(gòu)。

16、本技術(shù)方案中介質(zhì)材料為光電領(lǐng)域非常常見的半導(dǎo)體硅，利于開展更多光電領(lǐng)域研發(fā)。

17、本技術(shù)方案中三層平面形成的光柵結(jié)構(gòu)周期300nm與寬度220nm均在微米納米量級(jí)。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比顯而易見可以看到，本技術(shù)方案中的金屬鉻平面襯底上添加一個(gè)平面三層結(jié)構(gòu)硅-鉻-硅光柵的結(jié)構(gòu)可以獲得一個(gè)滿足克服之前很多缺點(diǎn)的工作波段很寬，極化不敏感的近完美吸收，對(duì)于以往吸收器結(jié)構(gòu)吸收效率近似條件下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大大下降，結(jié)構(gòu)厚度也變薄，本技術(shù)方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全滿足了現(xiàn)有技術(shù)工藝的加工要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化就可以很容易調(diào)整完美吸收器的工作波段位置。本技術(shù)方案基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，具有制作工藝簡(jiǎn)易，吸收效率高，工作波段寬，極化不敏感等多種優(yōu)勢(shì)，此結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于光通信，光學(xué)檢測(cè)與轉(zhuǎn)化，太陽能電池等等光電領(lǐng)域。

19、這種完美吸收器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸收效率高、吸收工作波段寬、極化不敏感特性。這種方法制備工藝簡(jiǎn)單。

技術(shù)特征：

1.一種基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，其特征在于，包括由下向上依次疊接的金屬鉻材料襯底層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層、金屬鉻材料吸收層和非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層，其中，金屬鉻材料吸收層由光柵型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)材料硅所包圍，金屬材料襯底層采用的材質(zhì)為金屬鉻cr為耐腐蝕、耐氧化、耐高溫材料、厚度不小于200nm，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層硅介質(zhì)層厚度h1=115nm，金屬鉻材料吸收層厚度h2為40?nm?-80nm，金屬鉻材料襯底層硅介質(zhì)層厚度h3=130nm，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層構(gòu)成硅-鉻-硅的薄膜結(jié)構(gòu)的光柵型結(jié)構(gòu)、所述光柵型結(jié)構(gòu)寬度為w為220?nm?-180nm，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層和金屬鉻材料襯底層構(gòu)成微納結(jié)構(gòu)單元周期p為300?nm?-400nm。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，其特征在于，所述金屬材料襯底層厚度為200nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，其特征在于，所述金屬鉻材料吸收層厚度h2為40nm。

4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，其特征在于，所述光柵型結(jié)構(gòu)寬度為w為?220nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器，其特征在于，所述微納結(jié)構(gòu)單元周期p為300nm。

6.制備權(quán)利要求1-權(quán)利要求5任意一項(xiàng)所述基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器的方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于鉻的光柵型超寬帶極化不敏感完美吸收器及制備方法，所述完美吸收器包括由下向上依次疊接的金屬鉻材料襯底層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層、金屬鉻材料吸收層和非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層，其中，金屬鉻材料吸收層由光柵型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)材料硅所包圍，非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層構(gòu)成硅?鉻?硅的薄膜結(jié)構(gòu)的光柵型結(jié)構(gòu)、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)頂層、金屬鉻材料吸收層、非金屬硅材料光柵結(jié)構(gòu)底層和金屬鉻材料襯底層構(gòu)成微納結(jié)構(gòu)單元。這種完美吸收器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸收效率高、吸收工作波段寬、極化不敏感特性，制備這種美吸收器方法工藝簡(jiǎn)單。

技術(shù)研發(fā)人員：李浩南,陸杭林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣西師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9