一種基于硅基襯底的納米整流天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于硅基襯底的納米整流天線,屬于光電子學和納米科學技術領 域。
【背景技術】
[0002] 將輻射光轉化成電能的裝置主要有傳統光伏器件、納米整流天線和熱功率器件 等。由可接收光的納米天線和金屬-絕緣體-金屬(MIM)二極管組成的納米整流天線制作 成本低、結構簡單,且能夠實現紅外光波段的整流,因而具有十分廣闊的應用前景。目前實 驗報道的整流天線的光電轉換效率很低,只有0. 1~1%,另外,對于整流天線的轉化效率 的理論研宄還不夠完善,因此從研制高效納米整流天線具有十分重要的意義。
[0003] 整流天線充分應用了光的波動性原理,即入射電磁波輻射源的電場能夠在導體中 產生一個隨時間變化的高頻交流電(AC),通過天線實現對太陽光的高效耦合作用向傳輸線 輸出交流電,經過MM隧道結后經整流而產生直流電流(DC),直流電極與外接負載相連接 后,即可實現能量轉移。但由于在高頻下電磁波的趨膚效應等因素會導致產生的交流電在 傳輸線上出現較大的損耗,而導致最終得到的整流天線的效率較低,因此從理論上設計一 個較好的具有光電響應的整流天線,并在定量計算其光電轉換效率的基礎上,探索不同響 應波段的轉化效率是一個較為突出的難題。
[0004] 根據現有的理論計算背景,設計這種納米整流天線需要克服的主要難點有:1.推 導出一套準確的、可用于計算光電轉化效率的理論公式;2.在整流天線的設計上要使整流 器與天線系統匹配;3.將天線置于不同襯底時,需探索襯底對整流天線的光電行為和轉換 效率的影響。
【發明內容】
[0005] 本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足,提供一種基于硅基襯底的納米 整流天線,克服現有整流天線實驗中光電轉換效率較低的問題、以及完善將整流天線置于 不同襯底時對轉換效率影響的理論研宄。
[0006] 本發明的技術方案是:一種基于硅基襯底的納米整流天線,包括左臂、右臂、整流 器以及襯底;所述左臂與右臂為鏡像結構;左臂與右臂交叉成蝴蝶結形狀,左臂與右臂中 間夾有整流器,且三者一體成型;
[0007] 所述左臂與右臂的輻射體形狀為三角形或扇形或錐形;所述納米天線左臂材質選 取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一種;所述納米天線右臂材質選取Ni、Ti、V、Ta、 Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一種;所述整流器中的絕緣體材料選取NiO、Ti02、Ta205、Nb205、 V205、V203、CoO、A1203、CuO、Si02、鈦酸鹽、鈮酸鹽和鍺酸鹽中的任意一種;左臂外沿至右臂外 沿的距離為1~10ym,左臂內沿至右臂內沿的距離為50~500nm,左臂輻射體與右臂輻射 體在靠近交叉點處的張角均為15~120°,納米天線厚度為50~300nm,所述整流器中的 絕緣體厚度為2~15nm;所述整流器中的絕緣體與金屬層的接觸面積為IOOnm2~Iym2;
[0008] 將上述納米天線置于襯底上;所述襯底面積為Iym2~Icm2;材料選取空氣、二氧 化硅、氮化硅、碳化硅、硅、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅中的任意一種。
[0009] 本發明與現有技術相比的優點在于:本發明是綜合現有理論計算方法,采用三維 電磁場數值計算方法,設計了一種基于襯底選擇的納米整流天線,并獲得了較好的光電性 能。本發明采用的是金屬-絕緣體-金屬二極管結構的一體化整流天線,相對于現有理論 上的設計思想和實驗上的制備方法,主要的改進有三點:
[0010] 一是整流天線的結構。首先天線的形狀設計為蝴蝶結,主要是由于蝴蝶結天線相 對其它天線結構具有最大的尖端效應,這樣能激發出更強的局域場;其次是將MIM二極管 精確地連接到納米天線中,并精確控制各個尺寸參數,形成完整的整流天線一體化結構,這 種模型建立方式不同于傳統的理論方法。
[0011] 二是理論計算使用的方法。本發明使用的方法是三維電磁場數值計算方法,優先 選擇有限元方法,該方法不僅能計算天線間隙處的局域場增強,更重要的是,可以通過自定 義函數的形式,實現對目標函數的編碼進行程序輸出。
[0012] 三是整流天線的效率計算。首先給出了理論公式的推導,并且發現整流天線的光 電轉換效率隨著襯底折射率增加而增大,該設計方法有望用于指導實驗,制備出具有高效 率的納米整流天線。
[0013]綜上所述,本發明采用三維電磁場數值計算方法,設計了一種高效的納米整流天 線,解決了光電轉換效率的理論計算問題,可以根據所需的響應波段準確地預測光電轉化 效率。這為實驗上制備納米整流天線提供了理論指導,有望促進新能源的可持續發展。
【附圖說明】
[0014] 圖1為納米整流天線的結構圖;
[0015] 圖2為三種襯底下局域場增強系數隨波長變化圖;
[0016] 圖3為三種襯底表面的電場分布圖;
[0017] 圖4為三種襯底下輸出功率隨波長的變化圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0019] 本發明是一種光學納米整流天線。所述的整流天線為Au-TiOx-Ti結構,如圖1所 示,天線形狀為扇形蝴蝶結,其中左臂金屬I為Au(功函數5.IeV),右臂金屬II為鈦Ti(功 函數4. 33eV),天線厚度為h=IOOnm;中間的介質層為鈦氧化合物,厚度d= 5nm。其它參 數的設置分別為:天線全長L= 4ym,張角0 =60°,兩臂有效間距Geff= 200nm。納米 整流天線器件的激勵源為平面波,方向為z軸,即垂直于天線的方向;偏振方向為y軸,即沿 著天線臂的軸向方向,入射光電場振幅為lV/m。紅外波的研宄范圍為5~30ym。
[0020] 襯底模型的建立。所設計的襯底上表面形狀為正方形,面積為10ymX10ym,厚度 為襯底Iym,材料分別為空氣、二氧化硅和硅,其介電常數分別為1. 0006、4和11. 9,即襯 底的折射率逐漸增大。
[0021] 計算方法的選擇和具體參數設置。所述的整流天線采用的是有限元方法的3D頻 域電磁場計算軟件,即整流天線結構的設計、仿真、參數設置和函數定義等均是由Ansoft HFSS軟件來實現,邊界條件采用的是輻射邊界條件。此外網格剖分設置足夠精確直至收斂, 模擬運行的時間足夠長,以降低求解誤差。具體參數是最大迭代次數為20,自適應迭代分析 精度為〇. 01,掃描頻率范圍從10~60THz(5~30ym)。
[0022] 本實施例是納米整流天線的局域場增強和光電轉換效率的理論計算。入射光與金 屬自由電子作用產生的表面等離子體共振現象會在整流天線介質層處產生一個巨大的局 域場,通過計算整流天線介質層中心的局域場強度,可以得到整流天線在三種襯底下的光 學性能,即相應的響應波段Are和局域場增強系數K,其中K= |E(?)|/|EJ,因入射波電 場振幅為lV/m,故IEcJ=lV/m,通過計算不同頻率下的電場幅值便可得到相應的場增強系 數K。
[0023] 整流天線光電轉化效率可以定義為f=PtjutA3in,Pin是天線的輸入功率, Pwt是輸出功率,即隧道結處的吸收功率。輸入功率Pin=S,^是入射光強度,
功率時,則即可得到納米整流天線的光電轉換效率。
[0024] 通過模擬仿真計算出了三種不同襯底下的整流天線的光電學性能,其中光學性能 包括共振波長、局域場強度及其場分布;電學性能包括輸出功率和光電轉換效率。最后得到 的各個性能參數和計算結果參見表1。
[0025] 表1不同襯底下的Au-TiOx-Ti整流天線的光電性能
[0026]
[0027] 由表1的結果可知,當襯底分別為空氣、二氧化硅和硅,即襯底折射率逐漸增大 時,共振波長A出現了較大的紅移,同時,峰位處的局域場增強系數Kmax也逐漸增大,其光 譜圖見圖2。襯底表面的電場分布圖如圖3所示,局域場集中分布在極薄的絕緣層附近,沿 著絕緣層以外的地方電場逐漸減弱,而且兩邊近似成對稱分布。當襯底從空氣變為二氧化 硅、再到硅時,電荷密度增大,表現出的局域場強度逐漸增強,這一現象符合圖2的結果。
[0028] 由表1還可以看出,三種襯底從空氣變為二氧化硅、再到硅,伴隨著響應波段的紅 移,且輸出功率逐漸增大,整流天線的輸出功率在不同的襯底下隨波長的變化如圖4。峰位 處的輸出功率逐漸增大主要是由于天線收集紅外光的能量有所增大,即如上所述的局域場 增大所致。同時,在三種不同襯底下得到的轉化效率隨著襯底折射率的增大而增大,這有利 于根據不同波段的響應波長,選擇不同的襯底以優化光電轉換效率。
[0029] 本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種基于硅基襯底的納米整流天線,其特征在于:包括左臂、右臂、整流器以及襯 底;所述左臂與右臂為鏡像結構;左臂與右臂交叉成蝴蝶結形狀,左臂與右臂中間夾有整 流器,且三者一體成型; 所述左臂與右臂的輻射體形狀為三角形或扇形或錐形;所述納米天線左臂材質選取 Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的任意一種;所述納米天線右臂材質選取Ni、Ti、V、Ta、 Nb、Co、Al、Cu和W中的任意一種;所述整流器中的絕緣體材料選取NiO、Ti0 2、Ta205、Nb205、 V 205、V203、CoO、A120 3、CuO、Si02、鈦酸鹽、鈮酸鹽和鍺酸鹽中的任意一種;左臂外沿至右臂外 沿的距離為1~10 ym,左臂內沿至右臂內沿的距離為50~500nm,左臂輻射體與右臂輻射 體在靠近交叉點處的張角均為15~120°,納米天線厚度為50~300nm,所述整流器中的 絕緣體厚度為2~15nm ;所述整流器中的絕緣體與金屬層的接觸面積為IOOnm2~I ym2; 將上述納米天線置于襯底上;所述襯底面積為I y m2~Icm2;材料選取空氣、二氧化硅、 氮化硅、碳化硅、硅、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅中的任意一種。
【專利摘要】本發明一種基于硅基襯底的納米整流天線。所述的整流天線為納米天線與金屬-絕緣體-金屬二極管組成的一體化結構,天線的左右臂分別為金屬I和金屬II,中間為絕緣層。將設計的納米整流天線分別置于不同的襯底上,通過采用三維電磁場數值計算方法,計算了不同入射光波長下,整流天線的局域場強度和輸出功率,最后計算出相應的光電轉換效率。本發明發現的理論規律如下,隨著襯底折射率的增加,共振波長發生紅移,最大場增強系數和光電轉換效率也逐漸增大。該理論計算為整流天線電池的實驗制備和生產應用提供了設計思想,有利于新能源技術的綠色低成本發展。
【IPC分類】H01Q1/38, H01L31/04
【公開號】CN104966745
【申請號】CN201510217779
【發明人】張濤, 韓運忠, 周傲松, 王穎, 徐明明, 高文軍, 賀濤, 胡海峰, 蘆姍
【申請人】北京空間飛行器總體設計部
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年4月30日