專利名稱：一種濾光結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)濾光元件，具體涉及一種用于可見光波段的完美吸收濾光結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于光顯示、光伏、太陽能電池和無油墨印刷等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在印刷領(lǐng)域，傳統(tǒng)的印刷技術(shù)是在紙張、塑料等材料表面通過不同顏色的油墨印刷出圖像和色彩，是基于反射補(bǔ)色的原理存在的問題是易于褪色，且油墨中包括芳香烴、 重金屬、苯、酮類等有害物質(zhì)，在油墨的生產(chǎn)和印刷的過程中，對操作人員和環(huán)境的危害性很高。近幾年人們嘗試采用微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)無油墨印刷?，F(xiàn)有的工作主要集中于設(shè)計微納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)品紅色、青色和黃色，但是卻不能實現(xiàn)黑色。若想實現(xiàn)黑色，必須實現(xiàn)對寬波段(波長40(T700nm范圍)光的高效率吸收，且吸收特性對入射光的偏振態(tài)和入射角不敏感。在太陽能電池領(lǐng)域，人們采用光子晶體、金屬納米顆粒、金屬光柵等增強(qiáng)太陽光能量的捕獲。
近幾年，隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計基于微納結(jié)構(gòu)的完美吸收器件成為研究熱點。人們采用打孔的金屬膜、光柵結(jié)構(gòu)和超常材料等實現(xiàn)完美吸收。Marcus Diem等在 Physics Review B 79，033101，2009中采用金屬光柵-介質(zhì)-金屬膜三層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了太赫茲波段寬角度窄帶近完美吸收。Hao等設(shè)計了光波段的窄帶吸收器，該結(jié)構(gòu)在特定波長(如 583nm)實現(xiàn)完美吸收。專利“一種寬波段的近完美吸收結(jié)構(gòu)”(200910243544. X)中提出采用金屬球粒子_介質(zhì)-金屬膜三層結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化粒子的直徑d及分布周期p，實現(xiàn)了吸收帶寬的擴(kuò)展，實現(xiàn)了可見光波段范圍內(nèi)的寬波段近完美吸收。
現(xiàn)有的技術(shù)存在的問題是(I)設(shè)計的結(jié)構(gòu)大都工作在單一波長，其它波長處吸收效率明顯下降，但是對用于隱身、熱發(fā)射以及能量轉(zhuǎn)換來說寬帶吸收更有使用價值；(2) 對入射光的偏振態(tài)敏感，且在寬角度入射角變化范圍吸收特性退化嚴(yán)重；(3)當(dāng)前的完美吸收器主要針對微波段和太赫茲波段，主要應(yīng)用在探測中，限制了在其它領(lǐng)域的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于針對可見光波段，設(shè)計出一種完美吸收濾光結(jié)構(gòu)， 寬帶寬(約20(T300nm)，在寬入射角度變化范圍吸收特性大于95%，且對入射光的偏振態(tài)不敏感，可用于無油墨印刷中產(chǎn)生黑色。
該結(jié)構(gòu)由金屬光柵_介質(zhì)-金屬膜三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，產(chǎn)生完美吸收的物理機(jī)制是由于激發(fā)了局域電磁共振，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)在寬波段范圍內(nèi)的等效阻抗與真空阻抗匹配，反射電磁被抑制，且由于金屬膜的厚度較厚，電磁波也無法透射，從而形成寬帶近完美吸收結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在太陽能電池中捕獲更多的能量，也能為無油墨印刷中實現(xiàn)黑色提供解決方案，改變必須使用顏料才能實現(xiàn)黑色印刷的傳統(tǒng)觀念。
根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種濾光結(jié)構(gòu)，包括基底，位于基底上的金屬層，位于金屬層上的介質(zhì)層以及位于介質(zhì)層上的金屬光柵層，所述金屬層厚度大于O. 02um，所述介質(zhì)層厚度在O. 03um至O. 07um之間,所述金屬光柵層為二維光柵結(jié)構(gòu),該金屬光柵層的厚度在O. Olnm-O. 05um之間、周期小于O. 35um、占空比在O. 3至O. 7之間。
優(yōu)選的，所述基底為透明柔性材料。
優(yōu)選的，所述金屬層的材質(zhì)為鋁、銀或銅。
優(yōu)選的，所述金屬光柵層的材質(zhì)為鎳。
優(yōu)選的，所述金屬層的厚度大于O. 04um。
優(yōu)選的,所述介質(zhì)層的厚度為O. 05um,該介質(zhì)層為透明柔性材料。
優(yōu)選的，所述金屬光柵層的厚度為O. 03um。
優(yōu)選的，所述金屬光柵層的周期小于O. 2um,占空比為O. 5。
優(yōu)選的，還可包括覆蓋層，覆蓋在金屬光柵層的表面。
優(yōu)選的，所述覆蓋層的材質(zhì)為透明柔性材料。
由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點
I.本發(fā)明的濾光結(jié)構(gòu)，用于可見光波段。
2.本發(fā)明的濾光結(jié)構(gòu)，在寬波段(約200nm 300nm)范圍吸收效率幾乎達(dá)到 100%。
3.本發(fā)明的完美吸收濾光結(jié)構(gòu)，在寬入射角度變化范圍吸收特性好，光垂直入射時，所述結(jié)構(gòu)在可見光波段的吸收效率幾乎達(dá)到100%，光在(Γ45度范圍內(nèi)變化時吸收效率仍大于90%。
4.本發(fā)明的完美吸收濾光結(jié)構(gòu)，對入射光的偏振態(tài)不敏感。
5.本發(fā)明的完美吸收濾光結(jié)構(gòu)，具有柔性特征，可彎曲。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖I為本發(fā)明設(shè)計的吸收濾光結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例一中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射角度、入射波長的關(guān)系圖。
圖3為本發(fā)明實施例一中光結(jié)構(gòu)的TE光的吸收光譜與入射角度、入射波長的關(guān)系圖。
圖4為本發(fā)明實施例二中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射波長、周期的關(guān)系圖。
圖5為本發(fā)明實施例三中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射波長、占寬比的關(guān)系圖。
圖6為本發(fā)明實施例四中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射波長、金屬光柵層的厚度的關(guān)系圖。
圖7為本發(fā)明實施例五中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射波長、介質(zhì)層的厚度的關(guān)系圖。
圖8為本發(fā)明實施例六中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射波長、金屬層的厚度的關(guān)系圖。
圖9為本發(fā)明實施例七中濾光結(jié)構(gòu)的TM光的吸收光譜與入射波長的關(guān)系圖。
圖10為本發(fā)明實施例七中濾光結(jié)構(gòu)的TE光的吸收光譜與入射波長的關(guān)系圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參見圖1，為本發(fā)明設(shè)計的完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的示意圖，包括基底11、金屬層12、 介質(zhì)層13、金屬光柵層14和覆蓋層15?；?1的材質(zhì)為透明柔性材料，比如PET或者 PC。金屬層12位于基底11上，其材質(zhì)比如是鋁、銀或銅，該金屬層12起到反射鏡的作用， 為了保證光的反射效率，該金屬層12的厚度hi大于可見波段的光在該金屬材質(zhì)上的趨膚深度，在一種實施方案中，將該金屬層12的厚度hi大于O. 02um,進(jìn)一步優(yōu)選的實施方案中， 該金屬層12的厚度hi為O. 04um。介質(zhì)層13位于金屬層12上，其材質(zhì)同樣為透明柔性材質(zhì)，比如PMMA，該介質(zhì)層13的厚度h2為O. 03um至O. 07um,較優(yōu)地，該介質(zhì)層厚度h2為 O. 05um。金屬光柵層14位于介質(zhì)層13上,該金屬光柵層14為二維光柵結(jié)構(gòu),其厚度h3在O.Olum-O. 05um之間、周期P小于O. 35um、占空比F在O. 3至O. 7之間。在一種較優(yōu)地方案中，該金屬光柵層14的厚度h3為O. 03um,周期p小于O. 2um,占空比F為O. 5。覆蓋層15 位于金屬光柵層14之上，其材質(zhì)為透明柔性材料。需要指出的是，覆蓋層15在本發(fā)明中并不是必須的，但是在增加覆蓋層15后，不僅起到保護(hù)的作用，其厚度也會對吸收效率產(chǎn)生影響。
下面，將通過幾個具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解的是， 所述的幾個具體實施方式
僅是例舉了適于本發(fā)明的部分情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明對技術(shù)方案的描述，可以拓展到更多的具體應(yīng)用中。
實施例一
基底11為柔性材料PET或者PC，金屬層12為鎳，介質(zhì)層13為PMMA，金屬光柵層 14為鎳，沒有覆蓋層。金屬光柵層14的周期P = O. 2um,占空比F = O. 5，金屬層12的厚度 hl=0. 08um,介質(zhì)層13的厚度h2=0. 05um,金屬光柵層14的厚度h3=0. 03um。通過嚴(yán)格I禹合波理論(RCWA)對濾光結(jié)構(gòu)的吸收特性及角敏性進(jìn)行分析。TM偏振光、TE偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部入射，該光的入射角度在O度到45度范圍變化。
圖2為本發(fā)明設(shè)計的濾光結(jié)構(gòu)的TM偏振光的吸收光譜與入射角度、入射波長的關(guān)系圖。從圖2可以看出，在整個可見光波段(帶寬約為300nm)，TM偏振光垂直入射時，所述結(jié)構(gòu)的吸收效率幾乎達(dá)到100%，光在(Γ45度范圍內(nèi)變化時吸收效率仍大于90%。
圖3為本發(fā)明設(shè)計的濾光結(jié)構(gòu)的TE偏振光的吸收光譜與入射角度、入射波長的關(guān)系圖。從圖2可以看出，在整個可見光波段(帶寬約為300nm)，TE偏振光垂直入射時，所述結(jié)構(gòu)的吸收效率幾乎達(dá)到100%，光在(Γ45度范圍內(nèi)變化時吸收效率仍大于90%。
因此，所述濾光結(jié)構(gòu)對入射光的偏振態(tài)不敏感，且在寬角度范圍((Γ45度)具有大于90%的吸收效率。在太陽能電池中應(yīng)用該結(jié)構(gòu)，可捕獲更多的太陽能量。在無油墨印刷中應(yīng)用該結(jié)構(gòu)，人眼將在(Γ45度視角范圍觀察到黑色。
實施例二
調(diào)整金屬光柵14的周期p，P在小于O. 35um范圍變化，觀察周期變化對濾光結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響。其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與實施例一相同。TM偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部垂直入射，也就是說，入射角度為O度。從圖4可以看出，周期對吸收效率及帶寬產(chǎn)生影響。周期小于O.2um時，吸收效率幾乎達(dá)到100%，帶寬約300nm。隨著周期的增大，吸收效率僅僅在很窄的波段范圍(帶寬約IOOnm)達(dá)到100%。
實施例三
調(diào)整金屬光柵14的占寬比F，觀察占寬比的變化對濾光結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響。 其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與實施例一相同。TM偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部垂直入射，也就是說，入射角度為O 度。從圖5可以看出，占寬比對吸收效率和帶寬均產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)F=0.5時，吸收特性最好，達(dá)到100%，當(dāng)F偏離O. 5時，吸收效率降低，帶寬減小。
實施例四
調(diào)整金屬光柵層14的厚度h3，觀察金屬光柵層14的厚度h3變化對完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響。其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與實施例一相同。TM偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部垂直入射，也就是說，入射角度為O度。從圖6可以看出，金屬光柵的厚度對吸收效率和帶寬均產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)h3=0. 03um時,吸收特性最好,幾乎達(dá)到100%,當(dāng)h3偏離O. 03um時,吸收效率降低，帶寬減小。
實施例五
調(diào)整介質(zhì)層13的厚度h2，觀察介質(zhì)層13的厚度h2變化對完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響。其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與實施例一相同。TM偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部垂直入射，也就是說，入射角度為O度。從圖7可以看出，介質(zhì)層的厚度對吸收效率和帶寬均產(chǎn)生明顯影響。 當(dāng)h2=0. 05um時，吸收特性最好，幾乎達(dá)到100%，當(dāng)h2偏離O. 05um時，吸收效率降低，帶寬減小。
實施例六
調(diào)整金屬層的厚度hi，觀察金屬層的厚度變化對完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響。其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與實施例一相同。TM偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部垂直入射，也就是說，入射角度為O度。從圖8可以看出，金屬層的厚度對吸收效率和帶寬均產(chǎn)生明顯影響。金屬層主要起反射鏡的作用，因此其厚度大于O. 04um時，吸收效率幾乎達(dá)到100%。當(dāng)hi在低于O.04um時，吸收效率降低。
實施例七
改變金屬層的材料，分別為鋁、銀、銅，觀察不同材料對完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的吸收光譜的影響。其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與實施例一相同。通過嚴(yán)格耦合波理論(RCWA)對不同金屬層材料完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的吸收特性進(jìn)行分析。TM偏振光從此結(jié)構(gòu)頂部入射，入射角度為O 度。圖9、圖10分別為不同金屬層材料的完美吸收濾光結(jié)構(gòu)的TM偏振光、TE偏振光的吸收光譜與入射波長的關(guān)系圖?？梢钥闯?，在相同的參數(shù)條件下，在整個可見光波段，Al和Cu的吸收特性比Ag好。
綜上所述，本發(fā)明提出了一種用于可見光波段的完美吸收的濾光結(jié)構(gòu)。該濾光結(jié)構(gòu)由金屬光柵_介質(zhì)-金屬膜三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，產(chǎn)生完美吸收的物理機(jī)制是由于激發(fā)了局域電磁共振，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)在寬波段范圍內(nèi)的等效阻抗與真空阻抗匹配，反射電磁被抑制，且由于金屬膜的厚度較厚，電磁波也無法透射，從而形成寬帶近完美吸收結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在太陽能電池中捕獲更多的能量，也能為無油墨印刷中實現(xiàn)黑色提供解決方案，改變必須使用顏料才能實現(xiàn)黑色印刷的傳統(tǒng)觀念。
對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種濾光結(jié)構(gòu),作用于可見光波段,其特征在于包括基底，位于基底上的金屬層， 位于金屬層上的介質(zhì)層以及位于介質(zhì)層上的金屬光柵層，所述金屬層厚度大于O. 02um，所述介質(zhì)層厚度在O. 03um至O. 07um之間，所述金屬光柵層為二維光柵結(jié)構(gòu)，該金屬光柵層的厚度在O. Olum-O. 05um之間、周期小于O. 35um、占空比在O. 3至O. 7之間。
2.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述基底為透明柔性材料。
3.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬層的材質(zhì)為鋁、銀或銅。
4.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬光柵層的材質(zhì)為鎳。
5.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬層的厚度大于O.04um。
6.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介質(zhì)層的厚度為0.05um，該介質(zhì)層為透明柔性材料。
7.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬光柵層的厚度為O.03um。
8.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬光柵層的周期小于O.2um,占空比為O. 5。
9.如權(quán)利要求I所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于還可包括覆蓋層，覆蓋在金屬光柵層的表面。
10.如權(quán)利要求9所述的濾光結(jié)構(gòu)，其特征在于所述覆蓋層的材質(zhì)為透明柔性材料。
全文摘要
一種濾光結(jié)構(gòu)，用于可見光波段。該濾光結(jié)構(gòu)由金屬光柵-介質(zhì)-金屬膜三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，產(chǎn)生完美吸收的物理機(jī)制是由于激發(fā)了局域電磁共振，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)在寬波段范圍內(nèi)的等效阻抗與真空阻抗匹配，反射電磁被抑制，且由于金屬膜的厚度較厚，電磁波也無法透射，從而形成寬帶近完美吸收結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在太陽能電池中捕獲更多的能量，也能為無油墨印刷中實現(xiàn)黑色提供解決方案，改變必須使用顏料才能實現(xiàn)黑色印刷的傳統(tǒng)觀念。
文檔編號G02B5/22GK102937727SQ20121051706
公開日2013年2月20日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者周云, 陳林森, 葉燕, 申溯 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司