CN112764140B - 一种基于氧化铟锡准周期结构的超材料吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧化铟锡准周期结构的超材料吸收器，该超材料吸收器由基片及镀制于基片上的准周期结构薄膜组成，所述准周期结构薄膜的膜系机构为：基底/BABABBABABBABBABABBAB/Air，其中A表示厚度为87nm的氧化铟锡薄膜，B表示厚度为220nm的氧化铪薄膜，该超材料吸收器在300‑1000nm的波长范围内实现高达96%的平均吸收率。本发明提出了一种基底无关且对应用环境具有良好适应性的吸收器，该吸收器在较宽的入射角以及不同偏振情况下依然能够保持宽带光谱吸收性能。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种基于非金属材料氧化铟锡（ITO）准周期结构的超材料吸收器。
背景技术
随着社会的发展，能源紧缺已经成为了人类当前面对的一个重大挑战，对太阳能等可再生能源的充分利用早已成为了人们研究的热门领域。早期关于超材料吸收器的研究很多，但是通常都是基于诸如金、银、铬、钛等金属制制备而成。这些基于金属的吸收器虽然能够显着增加光物质的相互作用，从而大大提高由等离子体效应引起的在某些光谱范围内的吸收增强，但是其同样存在着诸多弊端，比如难以形成连续光滑的薄膜；与标准半导体工艺的制造不兼容；较差的化学和热稳定性以及与基底（如硅和熔融石英）的粘合性较差等。
超材料吸收器在实际的生产应用中，除了高吸收的性能外，还应具有较强的环境适应性。比如太阳能吸收器随着一年四季的气候变化以及每天的日升到日落，良好的稳定性、角度和偏振不敏感等是保证吸收器高效的工作性能的必要条件。而基底无关的性能更是可以使吸收器具有更加灵活多变的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供了一种具有良好吸收性能的基于氧化铟锡准周期结构的超材料吸收器，因为这种吸收器所选择的均是非金属材料且只有平坦化的薄膜结构，所以该超材料吸收器对基底没有依赖性，无论是在硅基底还是玻璃基底上（甚至是柔性材料基底上）都能在整个太阳光谱（300-1000nm的波长范围内）实现高达96%的平均吸收率，最高吸收率更是超过了99%。而且本发明所设计的超材料吸收器更是为宽入射角和不同偏振光提供了有效的宽带吸收增强。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种基于非金属材料和准周期结构的超材料吸收器，其特征在于由基片及镀制于基片上的准周期结构薄膜组成，所述准周期结构薄膜的膜系机构为：基底/BABABBABABBABBABABBAB/Air，其中A表示厚度为87nm的氧化铟锡薄膜，B表示厚度为220nm的氧化铪薄膜，该超材料吸收器在300-1000nm的波长范围内实现高达96%的平均吸收率。
进一步限定，所述基片为硅基片或玻璃基片。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明提出了一种基底无关且对应用环境具有良好适应性的吸收器，该吸收器在较宽的入射角以及不同偏振情况下依然能够保持宽带光谱吸收性能。尤其是在300-1000nm的波长范围内实现高达96%的平均吸收率，且最高吸收率更是超过了99%。最重要的是在85%的湿度和85℃的环境下能够表现出良好的稳定性。
附图说明
图1是所设计的超材料吸收器的剖面结构示意图。
图2是基片（硅基片和玻璃基片）的吸收率曲线。
图3是以硅片和玻璃为基底的非金属宽带光吸收器的光谱吸收率曲线。
图4是所设计的非金属宽带光吸收器（这里以硅基片为例）在不同角度（15°、30°、45°和60°）和不同偏振（S偏振、P偏振和无偏振）入射光下的吸收率曲线。
图5是分别以硅片和玻璃为基底的非金属宽带光吸收器在85%的湿度和85℃的环境下经过0小时、48小时、96小时、120小时后的光谱吸收曲线。
图中：1-准周期结构薄膜，2-基片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步详细说明。
本发明的超材料吸收器具有较宽的光谱吸收范围（在300-2000nm的范围内均有明显吸收效果），尤其在300-1000nm的波长范围内实现高达96%的平均吸收率，且最高吸收率更是超过了99%。
设计之初，首先在所需光谱范围内选择合适的光学薄膜材料，考虑到金属薄膜的一些弊端，所以本设计最终选择ITO和HfO2两种薄膜材料，其中ITO 为吸收层。ITO和HfO2材料均采用电子束热蒸发，蒸发速率分别为2.5Å/S和2Å/S，同时在ITO的蒸发过程中保持30SCCM（标准毫升/分钟）的充氧速率。
本发明的基于非金属材料和准周期结构的超材料吸收器由基片2及镀制于基片2上的准周期结构薄膜1组成。本发明增透膜系为多层膜准周期膜系结构。膜系沉积过程中采用石英晶体监控，控制膜层厚度沉积误差，从而得到更加接近设计的结果。膜系结构通过膜系设计软件优化，得到宽带光谱吸收膜系的膜系结构为：
基底/BABABBABABBABBABABBAB/Air
其中，A为厚度87nm的氧化铟锡（ITO）薄膜，B为厚度220nm的氧化铪（HfO2）薄膜；基底则分别选择硅基片或玻璃基片两种材料的一英寸圆基片。
通过比较图2与图3可以看出，无论是硅基片还是玻璃基片，本发明所设计的吸收器膜系在300-1900nm的整个光谱范围内均有明显增强吸收的效果，尤其在300-1000nm的波长范围内更是实现了高达96%的平均吸收率，且最高吸收率更是超过了99%，所以本发明所设计的超材料吸收器明显具有不依赖于基底的宽带光谱吸收性能。从图4可以看出，本发明所设计的超材料吸收器在不同入射角度和不同偏振下均能保持较好的吸收性能。从图5中可以看出本发明所设计的吸收器在85%的湿度和85℃的环境下吸收性能变化不大，所以该发明所设计的超材料吸收器具有良好的化学和热稳定性。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (2)
1.一种基于氧化铟锡准周期结构的超材料吸收器，其特征在于由基片及镀制于基片上的准周期结构薄膜组成，所述准周期结构薄膜的膜系机构为：基底/BABABBABABBABBABABBAB/Air，其中A表示厚度为87nm的氧化铟锡薄膜，B表示厚度为220nm的氧化铪薄膜，该超材料吸收器在300-1000nm的波长范围内实现高达96%的平均吸收率。
2.根据权利要求1所述的基于氧化铟锡准周期结构的超材料吸收器，其特征在于：所述基片为硅基片或玻璃基片。
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