基于多脊和非周期亚波长结构的增强吸收效应及其应用

In the past few years, the enhancement of absorption in subwavelength structures has became a hot subject due to their potential wide application. There are two kinds of perfect absorbers based on subwavlength structure. One is the broadband absorber and can found application in solar power harvesting [Nat.Mater.9 205(2010)]. The other one is a spectrum selective absorber and can be applied in sensitive detectors, thermal imaging devices and narrowband absorber/thermal emitters for thermo-photovoltaics [Phys.Rev.Lett.100,207402(2008)]. Therefore, in this project, the effects of enhancing absorption for multiple-groove, aperiodic and cascaded subwavelength structures are theoretically investigated based on the past researches about double-groove grating structure. Based on these effects, novel ultra-broad band polarization-dependent and -independent absorber/thermal emitter, multi-band spectrum selective absorber and broadband thin film solar cell are designed. Also, the corresponding devices are fabricated and measured. The conclusions of this research will be important for the development of novel solar cells, sensors and thermal imaging devices. And they are also significance for the development of the optoelectronic industry, such as thin film photovoltaics and sensors, of our country.

近年来，基于亚波长结构的增强吸收器件由于具有广泛的应用前景，使得它们成为目前的研究热点。增强吸收器件分为两种，一种是宽带吸收器，主要应用于薄膜太阳能电池领域[Nat.Mater.9 205(2010)]，另一种是窄带光谱选择性吸收器，主要应用于高灵敏度的探测器、热成像器件以及用于热光伏器件中的窄带吸收/热辐射器等领域 [Phys.Rev.Lett.100 207402(2008)]。本项目拟基于我们深入研究过的双脊光栅结构，探讨多脊周期性和非周期性亚波长结构及级联多层亚波长结构的增强吸收效应；基于此效应，拟设计新型的超宽带偏振相关和无关吸收/辐射器件、多带的窄带光谱选择性吸收器和宽带吸收薄膜太阳能电池；在实验方面，拟制作相关的器件，并测试相应的性能。本项目的研究结果将对未来太阳能电池、探测器和热成像器件的发展具有重要的意义，也对发展我们国家的薄膜光伏器件和传感器等光电子产业具有重要的意义。

基于微纳结构的增强吸收器件由于具有广泛的应用前景，使得它们成为目前的研究热点。本项目基于我们深入研究过的光栅结构器件，深入探讨了多脊周期性和非周期性微纳结构及级联多层微纳结构的增强吸收效应；基于此效应，设计了若干种新型的增强吸收器件。本项目首先研究了基于级联金属-电介质光栅器件的宽带吸收效应的物理机制，基于此机制，设计了两种TE偏振宽带吸收器，所得结论可用于指导基于级联金属光栅结构的宽带吸收器的设计。接着探讨了基于单层金属光栅-布拉格反射光栅的超窄带吸收/热辐射效应，在此基础上设计出了线宽仅为16纳米的TE偏振超窄带光谱选择性吸收器，可以用于窄带吸收热辐射器和红外热成像等领域，极大地拓展了光栅的应用范围。此外，详细研究了基于双脊光栅和减反层的宽带增强吸收效应，基于此效应设计了一种新型的太阳能电池，在可见光波段具有较高的积分吸收效率和大的角度无关性。另外，我们还详细研究了红外波段基于多层三角和梯形金属光栅结构的宽带增强吸收效应，在此基础上设计了两种超宽带偏振无关吸收器，其在中红外波段一个较宽的波段范围和较大的入射角范围内具有极高的吸收。紧接着，利用电介质光栅的导模谐振效应和布拉格光栅的光子能缝效应所产生的临界耦合效应，实现了近红外波段石墨烯纳米条中的完全吸收和THz波段石墨烯单层中的可调谐理想吸收，所设计的石墨烯吸收器同时具有极窄的吸收谱线和高度的方向性。最后，利用两维光栅的导模谐振效应和光子能缝效应所产生的临界耦合效应，实现了红外光在石墨烯纳米块中的偏振无关理想吸收。所得结果可以用来设计宽带吸收器，超窄带吸收器、太阳能电池和基于石墨烯的可调谐光电子器件等。