Advanced Optical Materials:黑硅上“光陷阱”与“等离子激元”协同抗反射

“黑硅”由于其表面极低的光反射率而呈黑色,故而得名,在光电、光热和光电化学领域应用前景广阔。黑硅的抗反射性归因于硅片表面的“光陷阱”结构,这类微纳结构的大小和几何形状各异,可以有序/无序形式排布。其中,具有较高深宽比、尺寸与入射光波长匹配的结构表现出优异的抗反射特性。这些表面结构可以改变并延长入射光的传播路径,增加光与材料耦合机会,使入射光在表面结构中被捕获并衰减,从而获得对可见光的低反射率。由于硅的固有带隙为1.12 eV,因此在近红外(NIR)范围(波长>1100 nm),黑硅的抗反射性仍然很弱。

为降低黑硅对近红外光的反射率,通常在六氟化硫气氛下采用飞秒激光轰击硅表面以产生纳米结构,同时实现硫掺杂,产生杂质能级。这些杂质能级可使被激发的电子通过吸收两个NIR光子而实现间接的带隙跃迁,从而有效捕获近红外光。但是,杂质掺杂分布和数量难以控制,掺杂工艺容易受到热退火和激光脉冲强度的影响。金属纳米粒子诱导的局部表面等离子共振(LSPR)也被用于降低黑硅对近红外光的反射率。这种方法涉及金属纳米粒子(NPs)中自由电子的集体振荡,以激发局部表面等离振子共振(LSPR),实现消光。消光能力取决于吸收和散射的光子之和。根据米氏理论,吸收和散射光子的比例在很大程度上取决于粒子的大小和形状,颗粒大小在50nm以下,光子吸收效应占主导。这些NPs通过与光相互作用,获得电子-空穴对激发并促进光能吸收的增加。取而代之的是,光散射主导了较大颗粒上的消光。此外,由于NPs上的电子振荡产生的电场还可以将光子直接限制在NPs附近,从而放大吸收和散射强度,这样的扩增在分离的NPs上急剧增加。因此推断,基于吸收主导的消光能够在粒径小于50nm且分离的NP中得到进一步增强。此外,微纳米结构分层布局还可扩大纳米颗粒的沉积面积,并使得粒径梯度分布,可以预见,通过微纳米分层纹理和吸收效应占主导的金属纳米颗粒相结合,有进一步降低黑硅宽带反射率的巨大潜力。

挪威东南大学王开鹰课题组和中北大学薛晨阳课题组合作,开发出一种具有微纳米分层级表面结构的黑硅,并在其上溅射、退火沉积粒径小于20nm的金纳米颗粒,分层三维结构可扩大颗粒沉积面,并使其粒径大小梯度分布,借助结构的“光陷阱”效应和纳米颗粒诱导的“等离子激元”效应间协同,实现黑硅在220-2600nm的宽波段小于1%的超低反射率。在这项研究中,研究人员采用两步反应离子刻蚀处理硅片表面,成功制备出具有微米级空心圆柱和纳米孔修饰的分层三维纹理。并通过磁控溅射、退火在结构表面沉积粒径小于20nm的金颗粒,作为吸收效应占主导的等离子激元。微米结构有序分布、侧壁光滑垂直,纳米孔随机分布在空心圆柱阵列的顶部和底部,使结构密度和深宽比增加。这样的设计允许更多种波长的光波入射,并在侧壁上延深度方向多次反射。反射光遇到金纳米颗粒时被吸收快速衰减,底部的纳米孔和纳米颗粒促使衰减后的反射光发生漫反射和进一步衰减,形成微纳米分层纹理与金纳米颗粒间协同消光机制。最终在,这种具有微纳米分层级纹理的黑色上实现超低宽带反射(<1%,波长220-2600 nm)。研究人员还对微纳复合结构设计(如尺寸,间距,形状和蚀刻时间)和金纳米颗粒尺寸对黑硅抗反射性的影响做了系统研究。这项研究为黑硅在光电、光催化、光热电、光控生物学等领域的拓展应用开辟了新途径。

相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.202000668)上。