吸收8336584_张晨,薛文瑞,陈岳飞,张敬,李昌勇_基于氮化钛和二氧化钛的可见近红外超宽带吸收器_张晨论文_20200326_xue

宽带测速器时间:2021-04-22 阅读:()

基于氮化钛和二氧化钛的可见近红外超宽带吸收器

电磁吸收器是一种能有效吸收特定波长的电磁波并将其转化为其它形式的能量的装置[1] 由不同的介质或谐振器组成其吸收性能主要取决于其结构、材料和吸收机理。它们在太阳能收集错误未找到引用源。、传感[3]、探测[4]和电磁隐身[5]等方面有潜在的应用前景。

电磁吸收器通常通过激发复杂结构的多种响应来吸收特定波长的电磁波结构的复杂程度与加工工艺息息相关。典型的电磁吸收器的结构一般基于“金属-绝缘体-金属” MIM三层结构通常在结构表面分布着周期性排列的金属微结构谐振单元并通过绝缘层与底部金属平板隔开。在MIM结构中可以采用不同的金属结构如光栅型[6]、薄膜型[7]、圆盘型[8]、柱型[9]等。通过对结构几何参数的优化这些吸收器可以在多个波段具有宽带吸收的特性。同时材料的固有吸收能力在很大程度上影响吸收器的吸收效率。应用于典型的吸收器的吸波材料有金属材料[10][11]、半导体材料[12][13]、新型材料[14][15]和电介质材料[16][17]等这些材料利用自身的光学特性能使吸收器对入射电磁波得到最大程度地损耗吸收。为了使电磁吸收器产生更强的吸收效应多种吸收机制相继被提出典型的物理机制是磁激元MP s共振[18]、表面等离子体SPP共振[19]、法布里-帕罗腔FP共振[20]和导模共振[21]等。

随着微纳结构加工技术的不断发展与完善 电磁吸收器得到了广泛的研究[22][23]。在可见光至近红外线波段采用传统材料构造的吸收器显示出了优异的吸收特性。 2011年 Aydin等人设计了一种基于银材料的吸收器[11] 在400~700 nm上产生偏振无关的吸收效果平均吸收率为71%。 2012年 Søndergaard等人设计一种金凹槽阵列的吸收器[22] 在450~850 nm范围内达到96%的平均吸收。 2014年 Cao等人设计了一种由相变材料Ge2Sb2Te5组成的吸收器[25] 该吸收器在80度广角范围内表现出偏振无关性。 2017年 Zhou等人设计了一种金纳米粒子可调宽带吸收器[26] 在可见光和红外光波段表现出90%的吸收率。 2018年 Le i等人设计了一种基于Ti-S iO2的超宽带吸收器[27] 基于等离子共振激发和法布里-帕罗腔共振效应得到了平均吸收率为97%的完美吸收工作波长范围为354~1066 nm。 2019年 Liu等人设计了一种基于Ti和S i的宽带太阳能吸收器[28] 在500~4000 nm的光谱范围内产生了高

达94.7%的平均吸收。虽然上述基于传统金属材料的吸收器都获得了高吸收但都存在难以应用于热光伏等高温环境领域的问题因此研究耐高温材料在吸收器中的应用是十分必要的。

氮化钛TiN是一种新型耐火材料其熔点高达2930℃并且具有良好的高温耐久性[29] 在可见光至近红外线波段范围内能激发表面等离子体共振[30] 。二氧化钛TiO2也是一种新型耐火材料其熔点高达1870℃在可见光至近红外线波段范围内表现为普通的电介质错误未找到引用源。。 2014年 Li等人通过实验验证了TiN在高温和激光照射条件下具有很好的热稳定性和化学稳定性[31] 。 2015年Wang等人设计了一种基于TiN纳米盘阵列的吸收器[33] 结果显示在400~700nm内电磁波被完全吸收。 2017年C ate lla ni等人解释了TiN在可见光范围内的主要特征并讨论了实验提出的TiN在不同介电材料上等离激元的形成和稳定性[34] 。2018年H uo等人提出了一种基于TiN纳米锥阵列的宽带吸收器[35] 实现了高达99.6%的平均宽带吸收并在波长为400~1500nm的范围内表现出与偏振无关的完美吸收。上述吸收器都应用了TiN耐火材料虽然解决了吸收器在高温环境中的应用问题但吸收带宽都受到了很大的限制不能全面覆盖太阳能辐射光谱。为了更好的应用于太阳能收集领域实现与太阳光谱带宽相近的带宽是必要的。

本文拟设计一种基于TiN和Ti O 2的可见近红外超宽带吸收器。利用有限元法分析了其结构参数、工作波长和入射角度对其吸收性能的影响。通过调整结构参数控制其吸收特性实现超宽带吸收。

2.结构模型及计算方法

本文设计的吸收器由在水平方向呈周期性排列的金字塔形单元结构的光栅组成 图1为其单元结构示意图。单元结构自下而上由L个宽度尺寸呈线性递减的TiN/TiO 2复合层构成最顶层中的TiN采用了半球结构。该结构的制作方法可参照文献[36]采用的方法。如图1所示复合层顶层的宽度为W 1 底层宽度为W2。除最顶层外复合层的上层是高度为h1的TiN层。复合层的下层是高度为h2的TiO 2层。单元结构最底层为厚度为d的钨W板用来防

止电磁波的透射。经过计算可知钨板的厚度d=100nm时可达到零透射的效果。计算时结构顶部和底端均设置了端口分别为Port 1和Port 2左右两个边界为周期性边界条件PBC其周期为P。横磁型TM电磁波以α角度入射到结构上。

TiN的介电常数T iN遵循德鲁德-洛伦兹模型[14] 

其中 b=4.855 p为离子体振荡频率其大小等于7.9308eV p为Drude阻尼参数其大小等于0.1795eV f1为振子的强度其大小等于3.2907 1为跃迁频率其大小等于

4.2196eV 1为Lorentz阻尼参数其大小等于2.0341 eV。

TiO2的介电常数与频率的关系式为[38] 

TiO2

其中 2.83 s为振子强度其大小等于4.07 t为频率其大小等于4.39eV 0为振子阻尼系数其大小等于0.20eV。

以不同角度入射的TM波在光栅的作用下会产生反射和透射通过有限元方法ComsolMultiphysics 5.1模拟可得到吸收器的电磁响应 由S参数可得到反射率、透射率和吸收率。反射率为R()S11 2 透射率为T()S21 2 。吸收器的吸收率可表示为A()1R()T() 其中 由于底板的防透射性 T()基本为0。在计算时将Port 1设置为入射端口和反射端口 Port 2设置为透射端口并且每个端口分别配置两个衍射级考虑0级和±1级的衍射效应。单元结构的左右边界采用周期性边界条件。自由剖分三角形网格的最大单元尺寸设置为30nm最小单元尺寸为4.11 nm 以确保解的高精度性。

3.吸收特性

时单元结构中归一化的磁场强度分布。从图3中可以看出当入射波波长为740nm时磁场主要分布在单元结构的顶部。当入射波波长为1000nm时磁场主要分布在单元结构的中部。当入射波波长为1980nm时磁场主要分布在单元结构的底部。磁场的局域化来自于单元结构中激发的磁激元[18]。因为在500~2000nm的波段范围内TiN表现为类金属材料TiO2表现为普通电介质材料所以单元结构中的TiN/TiO2/TiN复合层就构成了MIM结构这是激发磁激元的物理基础[18]。因为单元结构从上至下复合层的宽度在增大而磁激元的激发波长与单元结构复合层的宽度存在一定的关系所以当波长增加时磁激元在单元结构中所处的位置在逐渐下移。多个复合层宽度对应多个磁激元激发波长从而实现了宽带吸收。

的吸收曲线相比波长大于1500nm时W2=180nm的吸收曲线不断下降吸收带宽减小当W2取值增大时吸收带宽也随之增大。增大为W2=238 nm时其吸收曲线相比于优化曲线有略微的下滑由于此值接近于周期值考虑到制作工艺技术的限制本研究选取W2为210nm。

图4e展示了在仅改变周期P的条件下对应的吸收曲线。与优化值P=240 nm的吸收曲线相比 P=212 nm的吸收曲线在吸收带的尾部有所下降 当P取值为420 nm时吸收曲线500~800nm范围内下降较大导致吸收带宽减小。

图4 f展示了在仅改变层数L的条件下对应的吸收曲线。 L=6的吸收曲线在900 nm处和1300nm处出现波谷在大于1600 nm波长范围的吸收率不断下降。随着L值的增大平均吸收率和吸收带宽也不断增大。L=14和L=18吸收曲线与L=10的吸收曲线基本保持一致吸收率都保持在97%以上但由于考虑到材料成本以及制造工艺等因素本研究选取L为10层。

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