大面积低成本介质完美吸收膜

完美吸收体对电磁波有很高的吸收,对太阳能捕获和杂散光消除等诸多领域具有非常重要的作用。近年来,对可见、红外等波段光的完美吸收研究形成了一个热点,报导了基于纳米孔、纳米盘、光栅基结构、打孔金属膜、超材料等多种结构和方法。近期,也有关于将金纳米颗粒自组装到纳米多孔模板上的宽带等离激元吸收器的报导,以及通过Au、Ag等贵金属与介质复合膜与金属膜之间通过介质间隔层共振增强吸收的结构,效果都非常不错。但其核心吸收层和金属反射层都采用了Au、Ag等贵金属材料,一方面工艺复杂、成本高,另一方面核心吸收层置于顶层,金属纳米颗粒本身造成的光反射逃逸损失无法消除。

红外物理国家重点实验室王少伟、陆卫研究员及合作者提出并实现了基于无序相位与梯度相位耦合的完美吸收新模式,通过阻抗匹配将入射光全部诱导至由高吸收介质颗粒嵌埋的核心吸收区进行高效吸收,消除了无序与微腔耦合模式的光反射逃逸损失。仅利用3层总厚度不到230nm的介质超薄膜结构(Sub/TiN@AlN/TiO2/SiO2),就将整个可见波段的光子逃逸率在国际报道的最好水平上再降8倍至0.4%。而且极易通过大规模生产磁控溅射技术来直接实现大面积快速制备,无需任何其他工艺,全部采用廉价的介质材料来替代昂贵的金属材料,可以大幅降低成本。本工作采用小型工业化多靶磁控溅射系统在玻璃衬底上演示制备出了200´200 mm大小的样品,还可镀制在金属、陶瓷甚至PET、布、纸等柔性衬底上,大大拓宽了其潜在应用范围。作为对光子捕获能力的验证,以激光共焦显微荧光成像系统为例,该系统需要精确检测激光激发出来的微弱荧光信号,但光强远大于荧光信号的激光散射会给系统造成很强的杂光干扰,从而导致成像清晰度和对比度很差。将所研制的可见光完美吸收膜应用到该系统中,以消除激发激光形成的强烈杂散光,结果表明,可以很好地消除激光共焦显微荧光成像系统的杂散光,对比度和清晰度显著提升,成像质量得到明显改善。利用该技术还可以对整个太阳光谱段光子进行捕获,实现高效的太阳能光热等利用,相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801596)上。