本發(fā)明涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可見至紅外寬帶吸收器及其制備方法。

背景技術(shù)：

寬帶完美吸收體一直以來都是科技領(lǐng)域的熱點課題，尤其是可見光紅外波段寬帶吸收因其在太陽能采集、紅外探測、信息傳感、光熱利用等眾多領(lǐng)域的重要應(yīng)用需求更是受到了人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)增強吸收方法通常是利用材料自身的吸收性質(zhì)結(jié)合減反增透的手段，或者采用較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系已達(dá)到寬帶吸收的目的。這些方法各有特點，但一般體系較厚或只能工作在特定的波段。

等離激元超構(gòu)材料的出現(xiàn)為該領(lǐng)域的研究提供了一個新的思路。基于等離激元超構(gòu)材料體系實現(xiàn)全吸收的方案有很多，金屬顆粒-介質(zhì)層-金屬層超構(gòu)材料體系是實現(xiàn)超吸收的典型結(jié)構(gòu)之一。與傳統(tǒng)方法相比，該體系具有深亞波長特性，一般體系的整體厚度只有工作波長的幾百分之一。但這種結(jié)構(gòu)一般工作波段較窄。為了實現(xiàn)寬波段吸收，人們相繼提出將頂層由單一大小金屬顆粒，改為由大小不一的周期性或非周期性金屬顆粒，或者在原有三層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再堆砌介質(zhì)-金屬周期層形成多層堆疊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些方法確實可以展寬體系的工作波長，但材料制備通常要用到電子束光刻或紫外光刻等先進(jìn)的現(xiàn)代微納加工技術(shù)，制備過程復(fù)雜，成本高，效率低。

本發(fā)明公開了通過簡單的氣相沉積或液相沉積生長薄膜，以聚苯乙烯球自組裝的方式在任意襯底上組裝雙層球殼結(jié)構(gòu)制備一種可見紅外寬帶吸收器。優(yōu)點包括：該結(jié)構(gòu)具有吸收效率高，峰值吸收率可高達(dá)100％；工作波段寬，半峰全寬可達(dá)2μm；波長可調(diào)，輻射峰位可以在1.1～15μm波段任意調(diào)節(jié)；對入射光偏振、角度不敏感；且工藝簡單、成本低廉、可大面積制備及可生長在柔性襯底上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種可見紅外寬帶吸收器，以及一種大面積，價格低廉，簡單可控，實現(xiàn)寬帶完美吸收器的制備方法。

本發(fā)明的方法是在襯底上采用氣相沉積或液相沉積生長金屬薄膜層，然后在該薄膜層利用聚苯乙烯球自組裝的方式鋪單層小球，其后在聚苯乙烯球上依次沉積金屬內(nèi)球殼層，介質(zhì)層，金屬外球殼層，最終形成雙球殼結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所涉及的雙球殼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為：在襯底1上依次是金屬薄膜層2，聚合物顆粒3，金屬內(nèi)層球殼層4，介質(zhì)層5，金屬外層球殼6，其中：

如附圖1所示，所述的金屬薄膜層2是鉑、金、銀、銅、鋁等貴金屬薄膜層，厚度為100nm或以上；

如附圖1所示，所述的聚合物顆粒可為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚合物/二氧化硅復(fù)合材料，顆粒直徑在100納米到1微米范圍內(nèi)可調(diào)。球與球之間近似是以六角密堆積的方式排列，長程有序；

所述的聚合物顆粒3采用的是室溫條件下在可見近紅外波段球介電常數(shù)為1.57-1.62之間的聚苯乙烯小球。球直徑可取值范圍100-1000nm，

如附圖1所示，所述的金屬內(nèi)層球殼層4是鉑、金、銀、銅、鋁等金屬薄膜層，厚度取值范圍為5-15nm；

如附圖1所示，所述的介質(zhì)層5可為對相應(yīng)工作波段弱吸收的氧化物或者硫化物等，如氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、硫化鋅等，薄膜層的厚度為5-100nm；

如附圖1所示，所述的金屬外層球殼6是鉑、金、銀、銅、鋁等金屬薄膜層，厚度為5-15nm。

該吸收器具有吸收效率高、工作波段寬、波長可調(diào)；對入射光偏振、角度不敏感；且工藝簡單、成本低廉、可大面積制備及可生長在柔性襯底上等一系列優(yōu)點。

附圖說明

圖1：金屬雙球殼結(jié)構(gòu)紅外寬帶吸收器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為硅襯底；2為金屬(金)底層，厚度為100nm；3為聚苯乙烯球，直徑為450nm；4為金屬內(nèi)層球殼層，厚度為5nm；5為介質(zhì)層(氧化鋁)厚度為50nm；6為金屬外層球殼層，厚度為5nm。

圖2：金屬雙球殼結(jié)構(gòu)中波紅外寬帶吸收器樣品掃描電鏡(sem)圖。a圖中聚苯乙烯球的直徑為300nm；b圖中聚苯乙烯球的直徑為450nm；c圖聚苯乙烯球直徑為800nm；d圖聚苯乙烯球直徑為4μm。

圖3：金屬雙球殼結(jié)構(gòu)中波紅外寬帶吸收器樣品吸收譜a圖為fdtd模擬計算的結(jié)果；b圖為實驗結(jié)果，實驗中所用聚苯乙烯球的直徑為450nm,金屬內(nèi)層球殼層和外層球殼層的厚度皆為5nm，氧化鋁介質(zhì)層的厚度為50nm。

具體實施方式：

為使本發(fā)明的內(nèi)容、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，這些實施例僅用于說明本發(fā)明，而本發(fā)明不僅限于以下實施例。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作詳細(xì)說明：

實施例1

在硅襯底上利用熱蒸發(fā)沉積100nm的金(au)薄膜，在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的聚苯乙烯球10wt％的水溶液。ps小球直徑為400nm。然后利用熱蒸發(fā)沉積5nm的金薄膜，金屬有機化學(xué)氣相法沉積10nm氧化鋅薄膜，再在最外層利用熱蒸發(fā)沉積5nm的金薄膜。樣品經(jīng)過測試，所得吸收譜在1.5-2.4μm樣品吸收率大于90％，峰值吸收率(98％)，半峰全寬為(0.5μm)。

實施例2

在玻璃襯底上電子束蒸發(fā)100nm的金薄膜，在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)印Ｋ褂玫膒s球為thermoscientific公司生產(chǎn)的聚苯乙烯球10wt％的水溶液。ps小球直徑為400nm。然后利用電子束蒸發(fā)5nm的金薄膜，原子層沉積30nm氧化鋁薄膜，再在最外層利用氬離子束濺射5nm的金薄膜。樣品經(jīng)過測試，所得吸收譜在1.5-2.9μm樣品吸收率大于90％，峰值吸收率(95％)，半峰全寬為(0.7μm)。

實施例3

在鎵砷襯底上氬離子束濺射100nm的金薄膜在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的聚苯乙烯球10wt％的水溶液。ps小球直徑為500nm,利用氧離子刻蝕到300nm,然后利用氬離子束濺射5nm的金薄膜，磁控濺射100nm氧化鋅薄膜，再在最外層利用氬離子束濺射5nm的金薄膜。樣品經(jīng)過測試，所得吸收譜在2-3.8μm樣品吸收率大于85％，峰值吸收率(98％)，半峰全寬為(0.9μm)。

實施例4

在銅板襯底上利用熱蒸發(fā)沉積100nm的金薄膜，在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的聚苯乙烯球10wt％的水溶液。ps小球直徑為450nm。然后利用熱蒸發(fā)沉積5nm的金薄膜，金屬有機化學(xué)氣相法沉積10nm氧化鋁薄膜，再在最外層利用熱蒸發(fā)沉積5nm的金薄膜。樣品經(jīng)過測試，所得吸收譜在2.2-4.4μm樣品吸收率大于90％，峰值吸收率(95％)，半峰全寬為(1μm)。

實施例5

在石英襯底上電子束蒸發(fā)100nm的金薄膜，在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的聚苯乙烯球10wt％的水溶液。ps小球直徑為450nm。然后利用電子束蒸發(fā)5nm的金薄膜，原子層沉積30nm氧化鋁薄膜，再在最外層利用氬離子束濺射5nm的金薄膜。樣品經(jīng)過測試，所得吸收譜在2.4-4.5μm樣品吸收率大于90％，峰值吸收率(99％)，半峰全寬為(1.8μm)。

實施例6

在鎵砷襯底上氬離子束濺射100nm的金薄膜，在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的聚苯乙烯球10wt％的水溶液。ps小球直徑為450nm。然后利用氬離子束濺射5nm的金薄膜，磁控濺射50nm氧化鋁薄膜，再在最外層利用氬離子束濺射5nm的金薄膜。樣品經(jīng)過測試，所得吸收譜結(jié)果如圖3所示。由圖可知，在2.9-6μm樣品吸收率大于90％，峰值吸收率(99％)，半峰全寬為(2μm)。

實施例7

在硅襯底上電子束蒸發(fā)150nm的鋁薄膜在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的10wt％的水溶液。ps小球直徑在200nm左右。然后利用電子束蒸發(fā)9nm的鋁薄膜，磁控濺射20nm氧化鋁薄膜，再在最外層利用電子束蒸發(fā)9nm的鋁薄膜?？蓪崿F(xiàn)紫外波段大于90％的寬波段吸收譜。

實施例8

在玻璃襯底上電子束蒸發(fā)200nm的銀薄膜在該薄膜上通過聚苯乙烯(ps)球自組裝的方式形成單層ps球?qū)?。我們所使用的ps球為thermoscientific公司生產(chǎn)的10wt％的水溶液。ps小球直徑在1000nm左右。然后利用電子束蒸發(fā)8nm的銀薄膜，磁控濺射30nm氧化鋁薄膜，再在最外層利用電子束蒸發(fā)8nm的銀薄膜。可實現(xiàn)可見光波段大于90％的寬波段吸收譜。