宽带可调谐完美吸收器的制备方法及完美吸收器.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010245240.3 (22)申请日 2020.03.31 (71)申请人 苏州科技大学 地址 215000 江苏省苏州市高新区科锐路1 号 (72)发明人 魏涛刘波李宛飞凌云胡敬 程淼刘倩倩陈兴旺 (74)专利代理机构 苏州市中南伟业知识产权代 理事务所(普通合伙) 32257 代理人 王玉仙 (51)Int.Cl. H01Q 17/00(2006.01) H01L 23/58(2006.01) H01L 23/60(2006.01) H01L 21/02(2006.0

2、1) (54)发明名称 一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法及 完美吸收器 (57)摘要 本发明公开了一种宽带可调谐完美吸收器 的制备方法及完美吸收器， 该方法包括： S1、 在基 片上沉积第一层相变薄膜； S2、 在第一层相变薄 膜上沉积一层透明介质薄膜； S3、 在透明介质薄 膜上沉积第二层相变薄膜； S4、 在第二层相变薄 膜上放置一层阳极氧化铝纳米结构模板； S5、 在 阳极氧化铝纳米结构模板上沉积一层金属薄膜； S6、 移除阳极氧化铝纳米结构模板； S7、 刻蚀第二 层相变薄膜； S8、 移除金属薄膜， 得到完美吸收 器。 本发明通过利用相变材料的晶态和非晶态显 著光学对比度对完美吸收

3、器的吸收特性进行调 节， 拓展了器件的功能； 采用全介质结构设计， 避 免了金属结构容易腐蚀的缺点， 拓展了器件的应 用范围； 同时可实现300800nm波段的完美吸 收。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 111403922 A 2020.07.10 CN 111403922 A 1.一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： S1、 在基片上沉积第一层相变薄膜； S2、 在所述第一层相变薄膜上沉积一层透明介质薄膜； S3、 在所述透明介质薄膜上沉积第二层相变薄膜； S4、 在所述第二层相变薄膜上放置一层阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板； S5、 在所述阳极

4、氧化铝(AAO)纳米结构模板上沉积一层金属薄膜； S6、 移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板； S7、 刻蚀所述第二层相变薄膜； S8、 移除所述金属薄膜， 得到完美吸收器。 2.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述第一层相 变薄膜和第二层相变薄膜的厚度均为1nm10 m。 3.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述第一层相 变薄膜和第二层相变薄膜是由Ge、 Sb、 Te、 In和Ag组成的化合物， 包括GeTe、 Sb2Te、 Sb70Te30、 Sb2Te3、 Ge1Sb4Te7、 Ge2Sb2Te5和AgInSbTe

5、。 4.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述透明介质 薄膜包括SiO2、 ZnS、 ZnS-SiO2、 ITO和Si3N4， 所述金属薄膜包括Al、 Cr、 Au、 Cu、 Fe、 Mg和Ag。 5.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述第一层相 变薄膜、 第二层相变薄膜和透明介质薄膜均通过射频溅射且功率为10150W， 溅射气压为 0.52Pa， 样品盘转速为110r/min， 溅射时间为10s60min。 6.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述阳极氧化 铝(AAO)纳米结构模板为周期性圆孔

6、结构， 半径50nm800nm， 高度500nm5 m， 周期150nm 2 m。 7.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述移除所述 阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板， 具体包括： 采用酸性、 碱性或盐溶液移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板。 8.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 所述移除所述 金属薄膜， 具体包括： 采用酸性、 碱性或盐溶液移除金属薄膜。 9.如权利要求1所述的宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 其特征在于， 刻蚀所述第二 层相变薄膜， 具体包括： 通过反应离子刻蚀系统刻蚀所述第二层相变薄膜； 其中， 所述

7、反应离子刻蚀系统的刻蚀功率10200W， 刻蚀气压10250mTorr， 刻蚀气体 为CHF3、 SF6或CF4， 流量为150sccm， 刻蚀时间为1min60min。 10.一种宽带可调谐完美吸收器， 其特征在于， 采用如权利要求1-9任一所述的制备方 法得到。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111403922 A 2 一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法及完美吸收器 技术领域 0001 本发明涉及吸波器技术领域， 具体涉及一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法及 完美吸收器。 背景技术 0002 紫外-可见波段的完美吸收器由于在消除杂散光、 空间探测、 成像、 光热转换等领 域具有重大应用

8、前景而获得了广泛研究。 研究人员提出了各种不同波段及宽带吸收器结构 Opt.Lett.38,2247-2249(2013)； ACS Photonics 1,618-624(2014)； Opt.Express 26, 5686(2018)。 但当前的吸收器研究大多采用不透光的金属薄膜作为全反射层， 从而降低透 过损耗。 然而， 所采用的金属材料不耐腐蚀， 这极大地限制了吸收器的应用范围。 尽管申请 号为201711129345.7的中国专利提出了一种全介质的宽带完美吸收器， 但其制备过程需要 复杂的激光光刻、 电子束光刻、 离子束光刻等加工手段， 这导致器件的制备流程复杂， 加工 难度大且难

9、以实现批量化、 大面积的结构制造。 另外， 所设计的完美吸收器结构固定后， 其 吸收特性固定， 无法再调节， 这也限制了完美吸收器在其它领域的应用。 因此， 突破现有的 结构体系， 设计具有非金属结构且可大面积制造的紫外-可见波段宽带可调谐完美吸收器 是目前面临的一个挑战。 发明内容 0003 本发明要解决的技术问题是提供一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法及完美 吸收器， 实现全介质的结构设计， 其制备工艺简单， 无需复杂的光刻手段、 成本低廉且可大 面积制造。 0004 为了解决上述技术问题， 本发明提供了一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 包括以下步骤： 0005 S1、 在基片上沉积第

10、一层相变薄膜； 0006 S2、 在所述第一层相变薄膜上沉积一层透明介质薄膜； 0007 S3、 在所述透明介质薄膜上沉积第二层相变薄膜； 0008 S4、 在所述第二层相变薄膜上放置一层阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板； 0009 S5、 在所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板上沉积一层金属薄膜； 0010 S6、 移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板； 0011 S7、 刻蚀所述第二层相变薄膜； 0012 S8、 移除所述金属薄膜， 得到完美吸收器。 0013 作为本发明的进一步改进， 所述第一层相变薄膜和第二层相变薄膜的厚度均为 1nm10 m。 0014 作为本发明的进一步改进，

11、所述第一层相变薄膜和第二层相变薄膜是由Ge、 Sb、 Te、 In和Ag组成的化合物， 包括GeTe、 Sb2Te、 Sb70Te30、 Sb2Te3、 Ge1Sb4Te7、 Ge2Sb2Te5和 AgInSbTe。 说明书 1/4 页 3 CN 111403922 A 3 0015 作为本发明的进一步改进， 所述透明介质薄膜包括SiO2、 ZnS、 ZnS-SiO2、 ITO和 Si3N4， 所述金属薄膜包括Al、 Cr、 Au、 Cu、 Fe、 Mg和Ag。 0016 作为本发明的进一步改进， 所述第一层相变薄膜、 第二层相变薄膜和透明介质薄 膜可通过磁控溅射、 离子溅射、 化学气相沉积、

12、 原子层沉积、 激光脉冲沉积、 热蒸发得到。 0017 具体的， 通过射频磁控溅射的条件包括： 功率为10150W， 溅射气压为0.52Pa， 样品盘转速为110r/min， 溅射时间为10s60min。 0018 作为本发明的进一步改进， 所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板为周期性圆孔结 构， 半径50nm800nm， 高度500nm5 m， 周期150nm2 m。 0019 作为本发明的进一步改进， 所述移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板， 具体包 括： 0020 采用酸性、 碱性或盐溶液移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板。 0021 作为本发明的进一步改进， 所述移除所述金

13、属薄膜， 具体包括： 0022 采用酸性、 碱性或盐溶液移除金属薄膜。 0023 作为本发明的进一步改进， 刻蚀所述第二层相变薄膜， 具体包括： 0024 通过反应离子刻蚀系统刻蚀所述第二层相变薄膜； 0025 其中， 所述反应离子刻蚀系统的刻蚀功率10200W， 刻蚀气压10250mTorr， 刻蚀 气体CHF3、 SF6或CF4， 流量为150sccm， 刻蚀时间为1min60min。 0026 本发明还提供了一种宽带可调谐完美吸收器， 采用上述任一所述的制备方法得 到。 0027 本发明的有益效果： 0028 本发明通过利用相变材料的晶态和非晶态显著光学对比度对完美吸收器的吸收 特性进行

14、调节， 拓展了器件的功能， 可实现300800nm波段的完美吸收， 丰富了完美吸收器 的应用领域。 另外， 采用非金属结构设计， 提高了器件的耐腐蚀性能， 拓宽了器件的应用范 围。 其次， 采用非光刻手段制备， 降低了制造成本， 简化了制备工艺， 降低了制备难度； 采用 AAO模板法进行结构制备， 可实现大面积、 批量化制造； 通过光、 电及热激励可实现器件的吸 收特性调节， 操作方便。 附图说明 0029 图1是本发明实施例1中完美吸收器的结构示意图； 0030 图2是本发明实施例1中ZnS-SiO2薄膜的折射率和消光系数曲线； 0031 图3是本发明实施例1中Ge2Sb2Te5薄膜的折射率

15、和消光系数曲线； 0032 图4是本发明实施例1中完美吸收器的吸收光谱； 0033 图5是本发明实施例2中完美吸收器的吸收光谱。 具体实施方式 0034 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明， 以使本领域的技术人员可以 更好地理解本发明并能予以实施， 但所举实施例不作为对本发明的限定。 0035 实施例1 0036 本实施例提供了一种宽带可调谐完美吸收器的制备方法， 该方法包括以下步骤： 说明书 2/4 页 4 CN 111403922 A 4 0037 S1、 在基片上沉积第一层相变薄膜； 0038 在本实施例中， 采用射频磁控溅射法在石英玻璃基片上沉积Ge2Sb2Te5相变薄膜，

16、其射频溅射功率50W， 溅射气压为0.75Pa， 样品盘的转速为5r/min以保证薄膜厚度均匀， 溅 射时间10min； 图2是Ge2Sb2Te5相变薄膜的折射率和消光系数曲线。 0039 S2、 在所述第一层相变薄膜上沉积一层透明介质薄膜； 0040 在本实施例中， 在第一层相变薄膜上通过磁控溅射镀膜机沉积一层ZnS-SiO2薄 膜， 其射频溅射功率100W， 溅射气压0.5Pa， 样品转速5r/min， 时间30min； 图3是ZnS-SiO2薄 膜的折射率和消光系数曲线。 0041 S3、 在所述透明介质薄膜上沉积第二层相变薄膜； 0042 在本实施例中， 在ZnS-SiO2薄膜上通过磁

17、控溅射镀膜机再沉积一层Ge2Sb2Te5相变 薄膜， 其射频溅射功率50W， 溅射气压为0.75Pa， 样品盘转速为5r/min， 溅射时间20min； 0043 S4、 在所述第二层相变薄膜上放置一层阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板； 0044 在本实施例中， 阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板为周期性圆孔结构， 优选结构参数 为： 半径50nm800nm， 高度500nm5 m， 周期150nm2 m。 0045 S5、 在所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板上沉积一层金属薄膜； 0046 在本实施例中， 通过热阻蒸发仪在阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板上沉积一层Al 薄膜， 其中， 加热电

18、流为150A， 电压为6V， 蒸发时间10min。 圆孔内的Al颗粒沉积在Ge2Sb2Te5 薄膜上。 0047 S6、 移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板； 0048 在本实施例中， 采用碱性溶液移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板。 优选的， 采用0.1-10mol/L的NaOH、 KOH或四甲基氢氧化铵移除所述阳极氧化铝(AAO)纳米结构模板。 在第二层Ge2Sb2Te5相变薄膜上得到具有周期性的Al阵列结构。 0049 S7、 刻蚀所述第二层相变薄膜； 0050 优选的， 反应离子刻蚀系统的刻蚀条件优选为： 刻蚀功率10200W， 刻蚀气压10 250mTorr， 刻蚀气体为

19、CHF3、 SF6或CF4中的一种， 流量为150sccm， 刻蚀时间为1min 60min。 0051 在本实施例中， 以Al阵列结构作为硬掩模， 通过反应离子刻蚀系统刻蚀第二层相 变薄膜； 其中， 采用CHF3作为刻蚀气体， 流量为60sccm， 刻蚀气压100mTorr， 刻蚀功率150W， 刻蚀时间20min。 0052 S8、 移除所述金属薄膜， 得到完美吸收器。 0053 在本实施例中， 采用酸性溶液移除所述金属薄膜。 优选的， 采用0.1-10mol/L的磷 酸或硝酸溶液移除残余的Al薄膜， 得到最终的完美吸收器。 其器件结构如图1所示， 其中， Ge2Sb2Te5薄膜厚度100

20、nm， ZnS-SiO2薄膜厚度200nm， GST纳米柱半径150nm， 高度200nm， 周期 450nm。 0054 图4给出了该完美吸收器的吸收光谱， 其光谱在300800nm波段具有80以上的 吸收率， 且吸收率在Ge2Sb2Te5相变薄膜为非晶态和晶态时可调谐。 0055 实施例2 0056 与实施例1的不同之处在于将Ge2Sb2Te5薄膜替换为GeTe薄膜， 其余条件与实施例1 相同。 在本实施例中， GeTe薄膜厚度100nm， ZnS-SiO2薄膜厚度200nm， GeTe纳米柱半径 说明书 3/4 页 5 CN 111403922 A 5 150nm， 高度200nm， 周

21、期450nm。 本实施例中完美吸收器样品的吸收光谱如图5所示， 可知 GeTe薄膜为晶态时的器件在300800nm波段的吸收率高于80， 且非晶态到晶态的吸收特 性可调谐。 0057 在本发明的其他实施例中， 第一层相变薄膜和第二层相变薄膜可以替换为Sb2Te、 Sb70Te30、 Sb2Te3、 Ge1Sb4Te7和AgInSbTe。 优选为Te基硫系化合物。 0058 在本发明的其他实施例中， 第一层相变薄膜、 第二层相变薄膜和透明介质薄膜可 通过射频溅射、 直流溅射、 脉冲溅射、 离子溅射等方法， 比如采用射频溅射的条件可以为： 功 率10150W， 溅射气压为0.52Pa， 样品盘转速

22、为110r/min， 溅射时间为10s60min。 0059 在本发明的其他实施例中， 透明介质薄膜可以替换为SiO2、 ZnS、 ITO、 Si3N4。 0060 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例， 本发明的保护范 围不限于此。 本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换， 均在本发明 的保护范围之内。 本发明的保护范围以权利要求书为准。 说明书 4/4 页 6 CN 111403922 A 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 111403922 A 7 图3 图4 说明书附图 2/3 页 8 CN 111403922 A 8 图5 说明书附图 3/3 页 9 CN 111403922 A 9