一種基于隧穿二極管的納米天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于隧穿二極管的納米天線，屬于光電子學(xué)和納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 整流天線是一種實現(xiàn)光能向電能轉(zhuǎn)化的裝置，從其誕生至今已經(jīng)有50多年的歷 史。金屬-絕緣體-金屬（MIM)二極管結(jié)構(gòu)的整流天線成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、、環(huán)境友好，是 一種頗具前景的光電能量轉(zhuǎn)化器件。
[0003] 與傳統(tǒng)光伏電池不同，整流天線不受半導(dǎo)體禁帶寬度的限制，利用光的波動性原 理，通過接收天線將輻射光轉(zhuǎn)換為高頻交流電（AC)，經(jīng)整流二極管將高頻交流電轉(zhuǎn)化為直 流電OC)從而供外加負(fù)載使用。在接收天線對輻射光的吸收達到最大、天線與整流器完全 匹配的條件下，整流天線可以實現(xiàn)從光能到電能的完全轉(zhuǎn)換，其電池效率可達到卡諾定理 的極限效率。目前國際上對于整流天線的研宄尚處于實驗中，真正意義上的天線電池還沒 有出現(xiàn)，面臨的主要問題是所制備的器件不具有光電響應(yīng)、或測得的電學(xué)信號極其微弱以 至于難以檢測等。導(dǎo)致這些問題的主要因素之一是金屬天線系統(tǒng)與整流器的不匹配，而實 現(xiàn)二者匹配的關(guān)鍵在于介質(zhì)層的精確設(shè)計。介質(zhì)層的設(shè)計主要包括兩個方面，即尺寸參數(shù) (介質(zhì)層厚度和結(jié)區(qū)面積等因素）與自身成分特性（介電性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)等因素）對整流 天線光電行為的影響。由于實驗上對介質(zhì)層的設(shè)計面臨著成本高、可重復(fù)性差和設(shè)計機理 空缺等缺點，因此，從理論上對介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、介電性能和導(dǎo)電性能進行研宄與設(shè)計，以及由 此指導(dǎo)實驗制備出具有較強光電響應(yīng)的器件十分迫切與重要。
[0004] 基于現(xiàn)有的理論計算背景，設(shè)計該整流天線的介質(zhì)層設(shè)計需要克服的主要難點 有：1.對整流天線同時實現(xiàn)光學(xué)和電學(xué)上的理論計算；2.介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)和導(dǎo)電性 質(zhì)對整流天線光電性能影響規(guī)律的分析；3.通過對整流天線介質(zhì)層的設(shè)計，實現(xiàn)天線系統(tǒng) 與整流器匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于隧穿二極管的納 米天線，克服了現(xiàn)有整流天線實驗中金屬天線系統(tǒng)與整流器不匹配的問題，以及完善介質(zhì) 層的結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)對整流天線光電行為影響的理論研宄。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于隧穿二極管的納米天線，包括左臂、右臂以及整流 器；所述左臂與右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)形狀，左臂與右臂中間夾有整 流器，且三者一體成型；
[0007] 所述左臂與右臂的輻射體形狀為三角形或扇形或錐形；
[0008] 所述整流器為金屬-絕緣體-金屬型隧穿整流器；
[0009] 所述納米天線左臂材質(zhì)選取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一種；
[0010] 所述納米天線右臂材質(zhì)選取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一種；
[0011] 所述整流器中的絕緣體材料選取 Ni0、Ti02、Ta205、Nb20 5、V205、V203、Co0、Al 203、Cu0、 Si02、鈦酸鹽、鈮酸鹽和鍺酸鹽中的任意一種；
[0012] 所述整流器中的絕緣體厚度為2~15nm，所述整流器中的絕緣體與金屬層的接觸 面積為l〇〇nm 2~1 ym2。
[0013] 選取的整流器中的絕緣體材料的相對介電常數(shù)為1~1000,電導(dǎo)率為1(T14~ 10 7S/m〇
[0014] 左臂材質(zhì)選取金，右臂材質(zhì)選取鈦，整流器中的絕緣體材料選取二氧化鈦。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明是綜合現(xiàn)有的理論計算方法和三維 電磁場數(shù)值計算方法，提出了一種關(guān)于介質(zhì)層優(yōu)化的納米整流天線，該整流天線是由金 屬-絕緣體-金屬二極管組成的一體化結(jié)構(gòu)。相比于現(xiàn)有設(shè)計方法，本發(fā)明實現(xiàn)了對整流 天線同時進行光學(xué)和電學(xué)計算，本發(fā)明實現(xiàn)了對包含介質(zhì)層的介電性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)在內(nèi)的 參數(shù)優(yōu)化，同時給出了天線系統(tǒng)與整流器實現(xiàn)匹配的方法。
【附圖說明】
[0016] 圖1為納米整流天線的結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2為納米整流天線優(yōu)化前后的共振波長和局域場增強系數(shù)圖；
[0018] 圖3為納米整流天線優(yōu)化前后的輸出電流圖；
[0019] 圖4為納米整流天線優(yōu)化前后的感應(yīng)電壓圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明一種基于隧穿二極管的納米天線，包括左臂、右臂以及整流器；所述左臂與 右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)形狀，左臂與右臂中間夾有整流器，且三者一 體成型；所述左臂與右臂的輻射體形狀為三角形或扇形或錐形；所述整流器為金屬-絕緣 體-金屬型隧穿整流器。其中左臂包括但不僅限于Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W，右臂 包括、但不僅限于Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W等，整流器包括但不僅限于NiO、Ti0 2、 Ta205、Nb205、V 205、V203、Co0、Al20 3、Cu0、Si02、鈦酸鹽、鈮酸鹽和鍺酸鹽等，由此可以構(gòu)成一系 列的MIM二極管整流天線一體化三明治結(jié)構(gòu)。
[0021] 本發(fā)明提出了整流天線整流器即介質(zhì)層的設(shè)計方案。在介質(zhì)層的設(shè)計中，介質(zhì) 層的介電性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)分別對應(yīng)其相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率。在上述使用的介質(zhì)層材料 中，相對介電常數(shù)為1-1000,優(yōu)先選擇2-400 ;電導(dǎo)率為10_14-107s/m，優(yōu)先選擇10_12-10 5s/ m。介質(zhì)層的厚度為2-15nm，優(yōu)選選擇3-8nm。二極管金屬層與絕緣層的接觸面積為 100nm 2-l ym2,優(yōu)先選擇1000nm2-50000nm2。介質(zhì)層材料包括、但不僅限于Ti0 2、Ni0、Ta205、 Nb205、V 205、V203、C〇0、A120 3、CuO、Si02、鈦酸鹽、鈮酸鹽和鍺酸鹽等。優(yōu)先選擇 Ti02、NiO、 Ta205、Nb20 5〇
[0022] 針對上述設(shè)計的整流天線模型，本發(fā)明采用三維電磁場數(shù)值計算方法進行仿真 模擬，包括、但不僅限于矩量法（MOM)、時域有限差分法（FDTD)和有限元方法（FEM)等， 優(yōu)先選擇有限元方法，采用有限元法的仿真軟件包括、但不僅限于Ansoft HFSS和C0MS0L Multiphysics 等。
[0023] 利用上述數(shù)值計算方法，首先建立整流天線模型，然后設(shè)置具體的參數(shù)求解，并建 立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，最后運行仿真運算程序，得到結(jié)果。入射光與金屬自由電子作用產(chǎn)生的 表面等離子體共振現(xiàn)象會在整流天線介質(zhì)層中產(chǎn)生一巨大的局域場，通過計算整流天線介 質(zhì)層中心的局域場強度，可以得到整流天線在不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率下的光學(xué)性能，即相 應(yīng)的響應(yīng)波段和局域場增強系數(shù)K，其中K= |E(?) |/|Eq|。
[0024] 本發(fā)明通過求解三維電磁場麥克斯韋方程組，同時給出了整流天線輸出電流和感 應(yīng)電壓的理論計算公式。電磁波在介質(zhì)中傳播時，介電常數(shù)通常要用復(fù)數(shù)來描述。e (?) =e i(?)+i e2(?)，由全電流定律知
【主權(quán)項】
1. 一種基于隧穿二極管的納米天線，其特征在于：包括左臂、右臂以及整流器；所述左 臂與右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)形狀，左臂與右臂中間夾有整流器，且三者 一體成型； 所述左臂與右臂的輻射體形狀為三角形或扇形或錐形； 所述整流器為金屬-絕緣體-金屬型隧穿整流器； 所述納米天線左臂材質(zhì)選取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一種； 所述納米天線右臂材質(zhì)選取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一種； 所述整流器中的絕緣體材料選取 Ni0、Ti02、Ta205、Nb20 5、V205、V203、Co0、Al 203、Cu0、Si02、 鈦酸鹽、鈮酸鹽和鍺酸鹽中的任意一種；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隧穿二極管的納米天線，其特征在于：所述整流 器中的絕緣體厚度為2~15nm，所述整流器中的絕緣體與金屬層的接觸面積為100nm2~ 1 μ m2〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隧穿二極管的納米天線，其特征在于：選取的整流 器中的絕緣體材料的相對介電常數(shù)為1~1000,電導(dǎo)率為KT14~10 7S/m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隧穿二極管的納米天線，其特征在于：左臂材質(zhì)選 取金，右臂材質(zhì)選取鈦，整流器中的絕緣體材料選取二氧化鈦。
【專利摘要】本發(fā)明一種基于隧穿二極管的納米天線，包括左臂、右臂以及整流器；所述左臂與右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)形狀，左臂與右臂中間夾有整流器，且三者一體成型；所述左臂與右臂的輻射體形狀為三角形或扇形或錐形；所述整流器為金屬-絕緣體-金屬型隧穿整流器；所述納米天線左臂材質(zhì)選取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一種；所述納米天線右臂材質(zhì)選取Ni、Ti、V、Ta、Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一種。該仿真模擬對整流天線的實驗制備、特別是為解決天線系統(tǒng)與整流器的匹配問題提供了理論指導(dǎo)，有利于提高天線的光電響應(yīng)強度，從而促進其應(yīng)用。
【IPC分類】H01Q1-38, H01Q1-50, H01Q1-36
【公開號】CN104836018
【申請?zhí)枴緾N201510217922
【發(fā)明人】張濤, 韓運忠, 周傲松, 王穎, 徐明明, 高文軍, 賀濤, 王凱, 胡海峰, 蘆姍
【申請人】北京空間飛行器總體設(shè)計部
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月30日