技术摘要：
本发明涉及一种基于介电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸收器及其制备方法，所述基于介电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸收器包括：衬底基材，依次形成于所述衬底基材上的反射薄膜、介电常数近零薄膜和超薄无损介质薄膜；所述超薄无损介质薄膜的厚度小于近红外宽带完美  全部
背景技术：
高效的光学吸收器由于其巨大的应用前景，引起了全球诸多科研工作者的兴趣。 吸收器根据吸收光频率的不同可应用于不同的领域，如通讯、隐身、探测、储能、目标识别等 应用。 目前的吸收器主要有法布里-珀罗谐振腔吸收器以及超材料吸收器，法布里-珀罗 谐振腔吸收器是基于金属-电介质-金属(MIM)的谐振腔结构构建的，两个金属反射层由无 损介质层间隔开。常规的法布里-珀罗型吸收器至少具有四分之一波长的厚度，这会限制其 在较长波长下的应用前景，并且该结构的吸收器具有较大的角度依赖性。尽管可以将顶层 高损耗层替换为亚波长大小的图案化结构，这种超材料吸收器可以极大地减小薄膜厚度， 但需要光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制。因此，如何有效抑制反射 是实现完美吸收光的关键。
技术实现要素：
为此，本发明的目的在于提供一种基于介电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸收 器及其制备方法。该吸收器相较于传统的吸收器，吸收效率更高，吸收范围更宽，具有更好 的入射角度不敏感性，且为吸收器结构设计提供了一种新的思路。而且，该吸收器的制备方 法简单，成本低廉，易于大规模生产、批量化生产。 一方面，本发明提供了一种基于介电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸收器，包 括：反射薄膜，以及依次形成在反射薄膜表面的介电常数近零薄膜和超薄无损介质薄膜；所 述超薄无损介质薄膜的厚度小于近红外宽带完美吸收器中心吸收波长的十分之一，优选为 小于二十分之一。其中，中心吸收波长是指吸收器的吸收峰的波长，也就是吸收器的吸收最 高值对应的波长值。 在本公开中，将近零波段为近红外光波段的介电常数近零薄膜和超薄无损介质薄 膜相结合，可以在介电常数近零薄膜的近零波段内形成零反射结构。介电常数近零薄膜是 指在某个波段其介电函数实部为零，其实部变化是渐变，因此近零波段是指这个波段附近 的波段，例如介电常数实部从-1到1对应的波段就是介电常数近零波段。所得零反射结构的 零反射波段，基本接近“介电常数近零薄膜”的“近零波段”。其中，近零波段由近零薄膜本 身，通过调控无损介质薄膜厚度能在一定程度上改变吸收范围，但是也都在近零范围。而 且，吸收器吸收率为1-R-T(R为反射率，T为透过率)，因此可知实现高吸收不仅要降低反射 还要降低透过，将该零反射结构与高反射薄膜进一步结合，高反射薄膜能够有效降低吸收 器透过率，提高吸收率，从而实现在近红外波段实现宽带、高效和宽角度吸收。在本发明中， 3 CN 111596388 A 说　明　书 2/6 页 近红外吸收是指吸收器波段在近红外的某一波段，并非全波段吸收。 在本发明中，首次利用介电常数近零薄膜与超薄无损介质薄膜的结合，形成抗反 射结构(其最优结构为零反射结构)，再通过低透过率反射薄膜(即高反射率反射薄膜)，从 而构建了适用于近红外波段宽带、高效、角度不敏感的光学吸收器，其在性能上完全超越了 传统的吸收器。具体来说，当近红外光(780nm～2500nm)照射至超薄无损介质薄膜表面时， 利用传输矩阵方法对抗反射结构进行了仿真计算，介电常数近零薄膜(F1薄膜)以及超薄无 损介质薄膜(F2薄膜)形成抗反射结构(参见图8)的介电常数分布以及光学常数分布如图5a 和5b所示，其实线部分代表反射率为0％，彩色填充部分为反射率小于1％，最终实现了对近 红外光的完美吸收。应注意，在本发明中，当基于介电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸收 器的吸收率大于90％时，便可认定为“完美吸收”。 较佳的，所述反射薄膜形成在衬底基材之上；所述衬底基材的材质选自熔融石英、 蓝宝石和单晶硅中至少一种。 较佳的，所述超薄无损介质薄膜的材质为HfO2、SiO2和TiO2中至少一种；所述超薄 无损介质薄膜的厚度为50～80nm。相比于传统吸收器以及近些年提出的超材料吸收器，本 发明的吸收结构中由于超薄无损介质薄膜厚度小于中心吸收波长的二十分之一，使其具有 更好的宽角吸收性能，并且避免使用复杂的光刻加工技术，使生产成本显著下降，生产周期 显著缩短，便于大规模、批量化制备。 较佳的，所述反射薄膜在红外吸收波段的平均反射率至少为50％，优选选自Al、 Cu、贵金属和ITO中至少一种；所述反射薄膜的厚度为100～500nm。 较佳的，所述介电常数近零薄膜的材质为ITO、AZO、Si掺杂GaAs中至少一种；所述 介电常数近零薄膜的厚度为200～300nm。在本公开中，ITO薄膜的介电常数近零和高反射率 之间不冲突，高反射ITO薄膜也存在介电常数近零波段(如1120nm左右)，只是该波段的范围 不符合吸收器的吸收范围。而且，两者之间的氧化学计量比不一样。 较佳的，当入射光正入射近红外宽带完美吸收器时，所述近红外宽带完美吸收器 在波长1340～1890nm处的吸收率＞90％，在1340～1890nm波段范围内的平均吸收率≥ 96.49％。更进一步地，近红外宽带完美吸收器在1579nm处(正入射)的吸收率可达97.41％。 较佳的，当入射光入射近红外宽带完美吸收器的角度从0°上升至62°时，所述近红 外宽带完美吸收器在1340～1890nm波段范围内的吸收率＞90％。 另一方面，本发明提供了一种上述的基于介电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸 收器的制备方法，包括： (1)根据近红外宽带完美吸收器的吸收带宽要求和吸收波段的要求，选择符合要求的 介电常数近零薄膜； (2)根据所得介电常数近零薄膜，选择合适的反射薄膜材质和超薄无损介质薄膜材质， 并采用仿真设计软件设计优化得出各层薄膜的厚度，确定近红外宽带完美吸收器的膜系结 构； (3)最后采用真空镀膜的方式，依次在衬底基材表面沉积各膜层，制备得到所述基于介 电常数近零薄膜的近红外宽带完美吸收器。 较佳的，当反射薄膜材质为ITO，所述真空镀膜的参数包括：靶材为ITO靶，溅射功 率为100～130W，溅射时Ar气流量为80～100sccm，O2气流量为2sccm～3sccm，溅射时间为20 4 CN 111596388 A 说　明　书 3/6 页 ～30分钟。 较佳的，当所述介电常数近零薄膜的材质为ITO时，所述真空镀膜的参数包括：靶 材为ITO靶，溅射功率为100～130W，溅射时Ar气流量为80～100sccm，O2气流量为1sccm～ 2sccm，溅射时间为20～30分钟。 有益效果： 相比于传统的吸收器，本发明所得近红外宽带完美吸收器的吸收效率更高，吸收 范围更宽，具有更好的入射角度不敏感性。综合来看，本发明近红外宽带完美吸收器吸收性 能上完全超越了传统的吸收器，为现有的吸收器提供了一种新的设计思路。由于所得近红 外宽带完美吸收器是有多层平面薄膜组成，相比于近些年提出的超材料吸收器，结构更加 简单，避开了复杂的光刻技术，从而使得生产成本显著下降，生产周期显著缩短，从而便于 大规模、批量化生产。 本发明中，利用介电常数近零薄膜与超薄无损介质薄膜结合形成抗反射结构，因 而使得近红外宽带完美吸收器实现了高效率、宽带、广角吸收的近红外吸收。 附图说明 图1为本发明中近红外宽带完美吸收器的结构示意图； 图2为实施例1制备的近红外宽带完美吸收器的仿真实验吸收光谱图； 图3为实施例1制备的近红外宽带完美吸收器的角度吸收依赖性图； 图4为本发明中近红外宽带完美吸收器的制备流程图； 图5a和5b分别为F1薄膜以及F2薄膜形成抗反射结构的介电常数分布以及光学常数分 布图，其中ε1和ε2分别是F1薄膜的介电常数的实部和虚部，对于给定的F2薄膜的光学常数 (nF2＝1.5 ik、nF2＝2.5ik)，利用传输矩阵模型计算结构产生零反射时，F1薄膜介电常数需 要满足的条件； 图6为实施例3制备的近红外宽带完美吸收器的仿真实验吸收光谱图； 图7为实施例3制备的近红外宽带完美吸收器的仿真实验吸收光谱图； 图8为介电常数近零薄膜与超薄无损介质薄膜的结合形成的抗反射结构示意图； 图9为图5a中插图，示出了F1薄膜以及F2薄膜形成抗反射结构的介电常数分布。