本發(fā)明屬于電磁功能材料技術領域，涉及電磁波吸收結構，具體涉及一種基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料。

背景技術：

太赫茲(Terahertz，THz)波是指頻率從0.1THz到10THz，介于毫米波與紅外光之間的電磁波，其波長跨度為30μm～3mm。該頻段是宏觀電子學向微觀電子學過渡的頻段，具有很多優(yōu)越的特性，在國防軍事，衛(wèi)星通信，醫(yī)療診斷等方面顯示出了巨大的應用潛力。因此，太赫茲領域的相關研究對國民經濟和國家安全有重大的實際意義。

太赫茲波吸收材料在太赫茲波能量捕獲、探測、隱身以及構建高性能的太赫茲應用系統方面均有重要應用價值，是國際上研究的一個熱點。然而，由于絕大多數自然物質對太赫茲波缺乏有效的電磁響應，因此太赫茲吸收往往依靠復雜的人工電磁結構，如人工電磁超材料和光子晶體。例如，申請?zhí)枮?00910216064.4，發(fā)明名稱為“一種太赫茲波平面吸收材料”的中國專利，公開了一種具有兩個窄帶吸收頻段，且每個吸收峰均具有80％以上吸收強度的超結構太赫茲波吸收材料，其結構包括襯底、金屬反射層、介質層和人工電磁媒質層等多層結構；兩個強吸收頻段可以提供不同頻段的選擇吸收和探測，同時可以吸收更大頻譜范圍的太赫茲輻射，提高了太赫茲波平面吸收材料的性能和效率；但是基于超材料的太赫茲吸收器件，總體上吸收帶寬比較窄。又如，2015年，文獻“Yan Peng，Ultra-broadband terahertz perfect absorber by exciting multi-order diffractions in a double-layered grating structure，Optics Express 2032，2015”公開了一種基于雙層Si基周期結構的寬帶太赫茲波吸收器；這種結構是利用Si襯底制備出周期性的光子晶體結構，每個周期是有兩個大小不同的方塊堆疊而成，該吸收器在0.59THz～2.58THz的頻帶內存在三個吸收峰，分別是由空隙共振，一階和二階光柵衍射造成的，這三個吸收峰的疊加使得器件在較寬的頻帶內對太赫茲波的吸收率達到90％。但由于太赫茲波的頻率較高，特征尺寸均在微米量級，因此太赫茲器件通常無法使用機械加工的方法進行加工，必須借助復雜的微細加工技術；而以上基于超材料和光子晶體的太赫茲波吸收器，為了提高吸收率和拓展吸收帶寬，需要設計極為復雜的多層結構或者嵌套結構，導致其制作工藝復雜、器件穩(wěn)定性差、制備成本高昂，在很大程度上限制了其實際應用范圍。急需研究結構簡單，制備方便、成本低廉且具有寬帶吸收特性的太赫茲波吸收材料。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于硅納米針(Silicon Nano-tip，SiNT)的寬帶太赫茲波吸收材料，用以克服現有太赫茲波吸收器件吸收帶寬窄、制作工藝復雜、器件穩(wěn)定性差、制備成本高昂的缺陷；本發(fā)明提供一種特殊設計的硅納米針陣列結構，作為太赫茲波吸收材料，結構簡單，在0.2THz～1.2THz范圍內，對太赫茲波的吸收率高達90％；采用簡易金屬輔助的化學刻蝕(Metal-Assisted Chemical Etching，MACE)方法制備，制備工藝簡單，成本低廉；能夠應用于太赫茲波輻射熱測定器，太赫茲隱身技術，太赫茲成像和光譜技術，以及太赫茲熱發(fā)射器的極有潛力的新型吸收材料。同時，該材料對可見光也具有很高的吸收率，可同時應用于可見光和太赫茲波段。

為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料，包括硅納米針陣列和硅襯底兩部分，其特征在于，所述硅納米針陣列由均勻分布于硅襯底上的若干個硅納米針構成，硅納米針垂直設置于硅襯底表面；所述硅納米針陣列和硅襯底為同一材料，均采用n型或p型重摻雜半導體硅、其電阻率≤0.1Ω·cm。

進一步的，所述硅納米針呈上細下粗的垂直針狀結構，硅納米針的直徑≤100nm、高度≥5μm，硅納米針的填充率(filling ratio)為50％～80％。

進一步的，所述硅襯底的厚度為≥300μm。

上述基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料，在0.2THz～1.2THz的頻帶內對太赫茲波的吸收率≥90％，對300nm～880nm的可見光同樣具有90％以上的吸收效率，因此可同時應用于可見光和太赫茲波段。

從工作原理上講：

當太赫茲波入射到硅片上時，反射率約為30％，70％的太赫茲波進入硅片，被硅片內部的載流子(電子或空穴)所吸收。本發(fā)明提出的硅納米針陣列，由于其上細下粗的垂直針狀結構能夠顯著降低太赫茲波在界面上的反射，使其反射率低于10％，使得90％及以上的太赫茲波進入吸收材料內部而被完全吸收，因此吸收率能夠達到90％以上；其具體吸收過程如圖1所示：

當太赫茲波①垂直于硅襯底表面入射到硅納米針上時，被納米針內部的載流子所吸收，而部分反射的太赫茲波②入射到硅襯底上，經過納米針之間的Si襯底反射后又有一部分能量被載流子吸收，而反射太赫茲波③仍然在納米針陣列內部傳播；經過相鄰納米針的第三次反射后，太赫茲波④反射出納米針陣列；實際上，由于入射光絕大多數情況下是以一定角度入射，這使得太赫茲波通常會經過3次以上的反射，能量幾乎全部被吸收，反射波④的能量微乎其微。因此，納米針在很大程度上將反射的太赫茲波局限于納米針陣列內部，使得反射率大大降低，顯著提高太赫茲波的吸收率。

根據以上原理所知，本發(fā)明中，硅納米針的高度、填充率是影響太赫茲波吸收效率的重要因素。

與其他現有的太赫茲波吸收材料相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明提供的一種基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料，具有寬帶強吸收特性，在0.2THz～1.2THz的頻帶內對太赫茲波的吸收率≥90％；

2、本發(fā)明提供的一種基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料，同時對300nm～880nm的激光也具有90％以上的強吸收特性，因此可同時應用于可見光和太赫茲波段；

3、本發(fā)明提供的一種基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料，相比于現有的基于超材料和光子晶體的太赫茲波吸收器，具有結構簡單、制備工藝簡單，成本低廉，易于實現等諸多優(yōu)勢；還可制成與CMOS兼容的大尺寸器件，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產和應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中太赫茲波垂直于硅襯底表面入射到硅納米針上的示意圖，其中，101表示入射的太赫茲波，102表示硅納米針陣列，103表示載流子，104表示硅襯底；①、②、③、④表示的是太赫茲波在硅納米針陣列內部的傳播路徑。

圖2是本發(fā)明實施例中硅納米針陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)斷面圖。

圖3是本發(fā)明實施例中所使用的重摻雜硅片和本實施例所制備的硅納米針樣品的紫外-可見光-紅外光譜測試曲線，其中以BaSO₄的反射曲線作為基準線。

圖4是本發(fā)明實施例中所使用的重摻雜硅片和本實施例所制備的硅納米針樣品在0.2THz到1.2THz范圍內的反射譜。

圖5是本發(fā)明實施例中所使用的重摻雜硅片和本實施例所制備的硅納米針樣品在0.2THz到1.2THz范圍內的吸收譜。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，本發(fā)明并不局限于該實施例。

本實施例所提供的基于硅納米針的太赫茲波寬帶吸收材料，其結構如圖1、圖2所示，包括硅納米針陣列和重摻雜硅襯底兩部分。

下面以長度為15μm的n型硅納米針陣列說明上述吸收材料的制備過程：

步驟一：首先將重摻雜的n型單晶硅片切割成15mm×15mm的正方形，然后將其先后用適當濃度的丙酮、無水乙醇和去離子水分別超聲清洗10分鐘，隨后用高壓氮氣將硅片吹干；

步驟二：將清洗過后的硅片放入事先調配好的AgNO₃/HF溶液中浸泡60分鐘，使Ag納米顆粒均勻涂覆在硅片表面，隨后放入HF/H₂O₂混合溶液中進行反應，通過控制反應時間的長短獲得不同長度的硅納米針陣列；

步驟三：最后用去離子水和BOE溶液(體積之比為6:1的HF(40％)與NH₃F(49％))去除表面多余金屬離子，用高壓氮氣將樣品吹干，即在硅片表面合成了致密排列的硅納米針陣列。

硅納米針太赫茲波寬帶吸收材料的測試過程：

采用反射式太赫茲時域光譜系統(THz-TDS)，太赫茲波由飛秒激光泵浦光電導天線產生，垂直于硅襯底表面入射到樣品表面，反射波由光電導天線接收。具體操作步驟如下：

步驟一：打開太赫茲時域光譜(TDS)測試設備及其操作軟件，并等待設備的TDS峰峰值示數穩(wěn)定；

步驟二：調節(jié)太赫茲發(fā)射器的位置，將其與事先準備好的樣品架進行對準，并保存此時的TDS數據(空氣的TDS譜)作為參考數據；將需要測試的硅納米針太赫茲波吸收材料置于樣品架上，保存樣品的TDS數據；

步驟三：通過傅里葉轉換獲得頻域光譜和太赫茲波反射譜，并利用Origin等數據處理軟件繪制成測試圖。

如圖3所示為本實施例所使用的重摻雜硅片與本實施例所制備的硅納米針樣品的紫外-可見光-紅外光譜測試曲線(以BaSO₄為全反射參考)。從圖中可以看出，硅納米針對激光的反射率遠低于硅片的反射率；激光波長在約1050nm以下時，硅納米針樣品對激光的反射率均低于20％；對于300nm～880nm的激光的反射率低于10％，有明顯降低激光反射的作用；由于激光無法透過重摻雜的低阻硅片，所以硅納米針對于可見光的吸收率≥90％。

如圖4所示為本實施例所使用的重摻雜硅片與本實施例所制備的硅納米針樣品在太赫茲時域光譜系統上測得的反射譜。從圖中可以看出，重摻雜低阻硅片在0.2THz～1.2THz范圍內的反射率在20％～30％，而硅納米針的反射率≤10％，反射率明顯低于重摻雜的低阻硅片。

如圖5所示為本實施例所使用的重摻雜硅片與本實施例所制備的硅納米針樣品的吸收譜。根據圖4所示的反射率R，不同樣品的吸收率A＝1-R-T，忽略重摻雜的低阻硅片對太赫茲波的透射率T，得到圖5所示的吸收譜。

綜上，本實施例所制備的硅納米針在0.2THz～1.2THz范圍內吸收率≥90％，遠遠高于本實施例所使用的重摻雜硅片的吸收率。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。