一種增強(qiáng)寬譜光吸收的二維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種由吸收層和反射層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，特別是一種含二維光子晶體 結(jié)構(gòu)和隨機(jī)金屬棱錐槽反射結(jié)構(gòu)，以提高寬譜光吸收效率的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高效的寬帶光吸收器在太陽能電池、光電檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了很大的關(guān)注。 1982年，Yablonovitch提出了在均勾半導(dǎo)體薄膜內(nèi)的光吸收極限。然而，Yablonovitch 極限僅適用于幾何光學(xué)，對于亞波長結(jié)構(gòu)，通過合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)，其吸收效率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 Yablonovitch 極限。
[0003] 目前，科學(xué)家們已經(jīng)提出了很多含貴金屬材料的光耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)寬譜光吸 收的增強(qiáng)，這些耦合結(jié)構(gòu)分周期性和非周期性結(jié)構(gòu)。2009年，Hu等人在結(jié)構(gòu)上層引入 周期性排列的方形金屬塊結(jié)構(gòu)，提高了近紅外波段內(nèi)（Iym~5.5ym)多個窄帶高吸 收（文南犬 1，Boyang Zhang, Joshua Hendrickson and Junpeng Guo, Multi-Spectral Near Perfect Metamaterial Absorbers Using Spatially Multiplexed Plasmon Resonance Metal Square Structures, JOURANL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICAL PHYSICS, 2013, 30(3) :656) ;2011年，Liu等人在結(jié)構(gòu)上層引入周期性排列 的金屬半球殼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了近紅外波段內(nèi)（Iym~2.6 ym)雙窄帶高吸收（文獻(xiàn)2， Zhengqi Liu, Peng Zhan, Jing Chen,Chaojun Tang, Zhendong Yan, Zhuo Chen, and Zhenlin Wang, Dual broadband near-infrared perfect absorber based on a hybrid plasmonic-photonic，Optics Express, 2013, 21 (3) :3021-3030) ;2012 年，：S:0n,(le；rgaarel 等人在結(jié)構(gòu)上層引入周期性排列的尖金屬凸槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了可見光范圍內(nèi)（450nm~ 850nm)的高吸收（文獻(xiàn) 3，T. S0ndergaar(i，S. M. Novikov, T. Holmgaard, R. L. Eriksen，J. Beermann,Z. Han, K. Pedersen, and S. I.Bozhevolnyi, Plasmonic black gold by adiabatic nanofocusing and absorption of light in ultra-sharp convex Grooves, Nature Commun.，2012. 3 :969)。但由于周期性結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)在共振模處的窄帶高吸收， 所以為了實現(xiàn)寬帶吸收，非周期性結(jié)構(gòu)也受到科學(xué)家們很大的關(guān)注。2004年，Joachim等 人設(shè)計了由Si、TCO和金屬銀反射板構(gòu)成的耦合結(jié)構(gòu)，且Si的上表面、下表面以及底部 金屬銀表面都具有隨機(jī)排列的三角槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在可見光范圍內(nèi)（400nm~700nm)高 效吸收（文獻(xiàn) 4，Joachim Muller, Bernd Rech, Jiri Springer, Milan Vanecek, TCO and light trapping in silicon thin film solar cells,2004. 77:917-930) ；2009 年， Rahul Dewan等人提出了類似的結(jié)構(gòu)，由透明導(dǎo)電氧化物、Si以及金屬反射板構(gòu)成的親 合結(jié)構(gòu)，且Si的上表面和下表面都具有隨機(jī)排列的三角槽結(jié)構(gòu)，而底部金屬為平板結(jié) 構(gòu)，實現(xiàn)了在波長范圍300nm~IlOOnm內(nèi)的較高的量子效率（文獻(xiàn)5, Rahul Dewan and Dietmar Knipp, Light trapping in thin-film silicon solar cells with integrated diffraction grating, Journal Of Applied Physics, 2009, 106(7) :074901)。但這些非周 期結(jié)構(gòu)依然存在吸收帶寬窄或吸收效率低等問題，而在太陽能捕獲、寬帶光電檢測等領(lǐng)域， 同時提高紫外至紅外波段，甚至更寬波段的寬帶、高效的光吸收是很重要的。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，同時實現(xiàn)在p偏振 與s偏振寬波段的高效光吸收，其目的是提供一種增強(qiáng)寬譜光吸收的二維光子晶體復(fù)合結(jié) 構(gòu)。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種增強(qiáng)寬譜光吸收的二維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)，包 括金屬材料和非金屬材料，其特征在于：
[0007] 所述復(fù)合結(jié)構(gòu)是由吸收層和反射層復(fù)合而構(gòu)成；
[0008] 所述吸收層是在非金屬材料Si的上端面開設(shè)有二維周期性倒金字塔型槽光子晶 體結(jié)構(gòu)，并在倒金字塔型槽內(nèi)填充有膠體量子點薄膜；所述反射層是在非金屬材料Si底端 面X方向和y方向開設(shè)有隨機(jī)棱錐槽，并在底端面表面涂覆金屬材料Au。
[0009] 進(jìn)一步地，附加技術(shù)方案如下：
[0010] 所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的厚度d是：d>T/2。
[0011] 所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的周期T是：T>0。
[0012] 所述倒金字塔型槽結(jié)構(gòu)的高度是T/2。
[0013] 所述倒金字塔型槽的X方向和y方向是分別對應(yīng)于反射層表面X方向和y方向的 多個隨機(jī)棱錐槽。
[0014] 所述倒金字塔的高度和底端面最大棱錐槽的高度之和小于d。
[0015] 所述金屬材料Au的厚度t是：t彡100nm。
[0016] 所述填充有聚合物薄膜或者膠體量子點薄膜的折射率是1. 3-1. 77。
[0017] 實現(xiàn)上述本發(fā)明所提供一種增強(qiáng)寬譜光吸收的二維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其直接帶 來的和必然產(chǎn)生的優(yōu)點與積極效果如下。
[0018] 本復(fù)合結(jié)構(gòu)增加了光學(xué)路徑，從而增強(qiáng)光衍射和散射，實現(xiàn)了最大程度的光吸收 增強(qiáng)。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，通過調(diào)整T的大小，對于p偏振、s偏振的入射光，可以實現(xiàn)高 效的、寬帶的、寬角度電磁波吸收；隨著T的增加，高吸收波段也隨之變寬，平均吸收效率高 達(dá)80%以上，在紅外波段光吸收超過了Yablonovitch極限，且入射角度的變化對p偏振、s 偏振入射光的吸收影響不大。
[0019] 本復(fù)合結(jié)構(gòu)具有明顯的場強(qiáng)增強(qiáng)效果，在較短波長范圍，電場增強(qiáng)主要集中在吸 收層表面的倒金字塔形槽內(nèi)，在較長波長范圍，電場在吸收層表面的倒金字塔內(nèi)和由吸收 層表面的倒金字塔和反射層構(gòu)成的腔內(nèi)都有增強(qiáng)，在場強(qiáng)增強(qiáng)的位置添加膠體量子點薄膜 可進(jìn)一步增強(qiáng)吸收。
[0020] 本發(fā)明所提供的一種增強(qiáng)寬譜光吸收的二維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)，在設(shè)計太陽能電 池、光電檢測、軍事隱身等方面有很大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a的一個周期的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a的X方向側(cè)視圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a的y方向側(cè)視圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a表面單個倒金字塔的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖5是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a的底部在隨機(jī)棱錐槽內(nèi)涂覆的金屬薄膜的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖6是與本發(fā)明結(jié)構(gòu)a對比的結(jié)構(gòu)b的一個周期的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖7是與本發(fā)明結(jié)構(gòu)a對比的結(jié)構(gòu)c的一個周期的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖8是本發(fā)明在0. 3~2. 0 y m波長范圍內(nèi)，Au和Si的折射率。
[0029] 圖9是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a在T從0. 5 y m變化到5. 0 y m時，垂直入射條件下p偏振在 0. 3~2. 0 y m波長范圍內(nèi)的吸收效率。
[0030] 圖10是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a在T從0. 5 y m變化到5. 0 y m時，垂直入射條件下s偏振在 0. 3~2. 0 y m波長范圍內(nèi)的吸收效率。
[0031] 圖11是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a在T = I. 8 ym，入射角度從0度變化到80度時，p偏振在 0. 3~2. 0 y m波長范圍內(nèi)的吸收效率。
[0032] 圖12是本發(fā)明結(jié)構(gòu)a在T = I. 8 ym，入射角度從0度變化到80度時，s偏振在 0. 3~2. 0 y m波長范圍內(nèi)的吸收效率。
[0033] 圖13是本發(fā)明T = I. 8 y m時，結(jié)構(gòu)（a-c)在0. 3~2. 0 y m波長范圍內(nèi)的吸收對 比。圖13(a)為結(jié)構(gòu)（a-c)在p偏振下的吸收效率與Yablonovitch極限對比；圖13(b)為 結(jié)構(gòu)（a-c)在s偏振下的吸收效率與Yablonovitch極限對比。
[0034] 圖14是本發(fā)明T和d分別同時為3 y m，6 y m和10 y m時，結(jié)構(gòu)（a)在0. 3~9. 9 y m 波長范圍內(nèi)P偏振的吸收效率對比。
[0035] 圖15是本發(fā)明在T = I. 8 ym，p偏振下，Si的厚度d對本發(fā)明結(jié)構(gòu)吸收效率的影 響。
[0036] 圖16是本發(fā)明在T = I. 8 y m，s偏振下，Si的厚度d對本發(fā)明結(jié)構(gòu)吸收效率的影 響。
[0037] 圖17是本發(fā)明在T = 10 y m，p偏振下，Si的厚度d對本發(fā)明結(jié)構(gòu)吸收效率的影 響。