超寬波段近紅外吸收器的製作方法
2023-06-20 02:47:56
專利名稱：超寬波段近紅外吸收器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超寬波段近紅外吸收器，具體地說是一類新型的超寬波段的近紅外電磁波完美吸收結構，可用於近紅外電磁波吸收、探測以及熱輻射儀等領域。
背景技術：
傳統的近紅外電磁波人工電磁材料(Meta materials)完美吸收器是基於一種單一尺寸等離子體諧振結構產生的單一頻段的共振吸收，以及基於兩種及以上不同尺寸的複雜等離子體諧振結構產生的兩個及以上分立頻段的共振吸收。這類吸收器結構設計複雜、尺寸面積有限且製作成本高，使得這類吸收器難以有效推廣應用。目前研究者通過組合不同共振頻段的共振單元以獲得多個吸收頻帶從而展寬吸收帶寬，但卻進一步增加了製作工藝的難度和降低了生產的可重複性，限制了此類吸收器的實用性。有效的近紅外完美吸收器必須同時具有足夠寬的吸收波段、對角度不敏感和對偏振不敏感的特性，而其中寬的吸 收波段一直是研究者追求的重點也是現實應用的內在要求。局限於此類吸收器是基於內在的窄帶局域等離子體共振吸收特性，繼續開發和探索新型寬波段且低成本大面積的近紅外吸收器已成為實現器件規模化和產業化發展的要求。
發明內容
發明目的針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種工藝製作技術要求低、成本低、高可重複性和可大面積生產的超寬波段近紅外吸收器，達到寬帶、大角度範圍和偏振無關三個技術參數同時滿足的超寬波段近紅外的完美吸收，即結構的反射能量和透射能量幾乎為零。技術方案為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為一種超寬波段近紅外吸收器，包括一襯底；在所述襯底上沉積的厚度不小於100納米的第一金屬膜層；在所述第一金屬膜層上排列的混合有不同尺寸和/或不同材料的單層介質球陣列；在所述單層介質球陣列上沉積的第二金屬膜層。通過改變介質球的材料特性和幾何尺寸以及混合的比率，可以實現所需波段的近紅外超寬帶完美吸收。進一步的，所述襯底的材料為玻璃、石英或矽片。進一步的，所述第一金屬膜層和第二金屬膜層的材料為金或銀。進一步的，所述介質球的材料為聚苯乙烯或二氧化矽。進一步的，所述介質球的直徑為800納米至1600納米。進一步的，所述單層介質球陣列為沿水平方向排列的陣列，由於球本身的高度對稱性以及混排陣列的結構，本超寬波段近紅外吸收器適用於大入射角和不同偏振角度近紅外電磁波的吸收。進一步的，所述第二金屬膜層的厚度為8納米至50納米。進一步的，所述第二金屬膜層為半球形殼，第二金屬膜層的厚度基於鍍膜時間以及鍍膜環境所決定，第二金屬膜層厚度調製吸收強度和吸收帶寬。進一步的，所述第二金屬膜層垂直沉積在單層介質球陣列上。有益效果本發明的超寬波段近紅外吸收器具有易於加工、成本低、可大面積製作和容易集成等優點；本發明的超寬波段近紅外吸收器具有超寬頻段特性，在紅外探測、紅外成像以及熱輻射器等領域具有廣闊的應用前景；本發明的超寬波段近紅外吸收器對於大角度斜入射和不同偏振特性的紅外電磁波都具有完美的吸收效果，在實際應用中，複雜的電磁環境，斜入射比正入射波更加普遍，不同偏振電磁波比同一偏振電磁波更加普遍，因此本發明能很好地適應複雜的電磁環境。
圖I為本發明的一種結構掃描電子顯微鏡圖，其中介質球的材料為聚苯乙烯，直徑為1080納米和1570納米，兩種介質球的混合體積比率為1:1;圖2為實例I中超寬波段近紅外吸收器在近紅外波微弱角度8度入射下的實驗結果;圖3為實例2中超寬波段近紅外吸收器在近紅外波微弱角度8度入射下的實驗結果;圖4為實例3中超寬波段近紅外吸收器在近紅外波微弱角度8度入射下的實驗結果;圖5為實例4中超寬波段近紅外吸收器在近紅外波微弱角度8度入射下的實驗結果;圖6為實例5中超寬波段近紅外吸收器在近紅外波微弱角度8度入射下的實驗結果;圖7為實例6中超寬波段近紅外吸收器在近紅外波微弱角度8度入射下的實驗結
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具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。實施例I參見圖1，本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球(即介質球)，其直徑為1080納米和1570納米，混合體積比率為I :1 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列；然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為13納米的金膜；參見圖2，實驗結果顯示超寬波段近紅外吸收器在波長I. 497微米、I. 735微米和2. 139微米處分別呈現99. 7%、98· 1%和98. 7%的吸收率；在波長處於1.36微米到I. 301微米之間的超寬波段中，吸收率均超過90%，達到一個超寬光譜的近完美吸收。實施例2本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球，其直徑為1080納米和1570納米，混合體積比率為I :1 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為16納米的金膜；參見圖3，實驗結果顯示超寬波段近紅外吸收器在波長I. 486微米、I. 731微米和2. 089微米處分別呈現98. 9%,98. 8%和98. 5%的吸收率；在波長處於I. 36微米到I. 219微米之間的超寬波段中，吸收率均超過90%，達到一個超寬光譜的近完美吸收。
實施例3本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球，其直徑為1080納米和1570納米，混合體積比率為I :1 ;首先在玻璃襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為20納米的金膜；參見圖4，實驗結果顯示超寬波段近紅外吸收器在波長I. 467微米、I. 754微米和2. 056微米處分別呈現97. 5%,98. 8%和98. 7%的吸收率；在波長處於I. 36微米到I. 221微米之間的超寬波段中，吸收率均超過90%，達到一個超寬光譜的近完美吸收。實施例4本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球，其直徑為1080納米和1570納米，混合體積比率為I :1 ;首先在矽片襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為8納米的金膜；參見圖5，實驗結果顯示超寬波段近紅外吸收器在波長I. 531微米和2. 262微米處分別呈現98. 2%和99. 2%的吸收率。實施例5本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球，其直徑為1080納米和1570納米，混合體積比率為2 1 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為13納米的金膜；參見圖6，實驗結果顯示在波長處於I. 36微米到2. 42微米之間的超寬波段中，吸收率均超過90%，達到一個超寬光譜的近完美吸收。實施例6本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球，其直徑為1080納米和1570納米，混合體積比率為I :2 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為13納米的金膜；參見圖7，實驗結果顯示在波長處於I. 36微米到2. 41微米之間的超寬波段中，吸收率均超過88. 7%，達到一個超寬光譜的近完美吸收。
實施例7本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球和二氧化矽微球，其直徑均為800納米，混合體積比率為1:1;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為13納米的金膜。實施例8本實施例選用兩種單分散的二氧化矽微球，其直徑為800納米和1300納米，混合體積比率為I :2 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的銀膜；其次，在此銀膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為30納米的銀膜。實施例9
本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球和二氧化矽微球，其直徑分別為800納米和1300納米，混合體積比率為2 1 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的銀膜；其次，在此銀膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為50納米的銀膜。實施例10本實施例選用兩種單分散的聚苯乙烯微球，其直徑為800納米和1300納米，混合體積比率為I :1 ;首先在石英襯底上採用氬離子濺射鍍膜的方法沉積一層厚度為100納米的金膜；其次，在此金膜襯底上自組裝二維混合排列的介質球陣列。然後採用氬離子濺射鍍膜的方法在此二維介質球陣列表面直接沉積一層厚度為16納米的金膜。
權利要求
1.一種超寬波段近紅外吸收器，包括 一襯底； 在所述襯底上沉積的厚度不小於100納米的第一金屬膜層； 在所述第一金屬膜層上排列的混合有不同尺寸和/或不同材料的單層介質球陣列； 在所述單層介質球陣列上沉積的第二金屬膜層。
2.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述襯底的材料為玻璃、石英或矽片。
3.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述第一金屬膜層和第二金屬膜層的材料為金或銀。
4.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述介質球的材料為聚苯乙烯或二氧化矽。
5.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述介質球的直徑為800納米至1600納米。
6.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述單層介質球陣列為沿水平方向排列的陣列。
7.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述第二金屬膜層的厚度為8納米至50納米。
8.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述第二金屬膜層為半球形殼。
9.根據權利要求I所述雙寬帶近紅外吸收器，其特徵在於所述單層介質球陣列包括2種不同尺寸和/或不同材料的介質球，混合體積比例為I : 2至2 : I。
全文摘要
本發明公開了一種超寬波段近紅外吸收器，包括一襯底；在所述襯底上沉積的厚度不小於100納米的第一金屬膜層；在所述第一金屬膜層上排列的混合有不同尺寸和/或不同材料的單層介質球陣列；在所述單層介質球陣列上沉積的第二金屬膜層。本發明的超寬波段近紅外吸收器對大角度入射的超寬頻段近紅外電磁波具有完美的吸收效果，並且對近紅外電磁波的偏振特性不敏感。本發明的超寬波段近紅外吸收器具有製作工藝簡單、成本低、可重複性高和可大面積生產的優點，在電磁能量探測、吸收和轉換等領域具有很大的應用前景。
文檔編號G02B5/00GK102928898SQ20121045083
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者劉正奇, 王振林 申請人:南京大學