一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線，屬于光學(xué)和納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 整流天線是由接收天線與整流器組成的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。經(jīng)天線耦 合的輻射光，傳輸?shù)秸髌鳎瑢⒏哳l交流電轉(zhuǎn)換成直流電，進(jìn)而實現(xiàn)電能的輸出。
[0003] 對整流天線的研宄中，除設(shè)法提高整流器的截止頻率外，更重要的是要設(shè)計能夠 吸收高頻率輻射光的天線。根據(jù)傳統(tǒng)的微波天線理論，天線尺寸與吸收的電磁波波長滿足 "長度匹配"定律，而研宄發(fā)現(xiàn)光學(xué)天線在可見光和紅外光波段的耦合吸收也滿足以上規(guī) 律。因此通過調(diào)整整流天線的形狀特征和幾何參數(shù)，可以實現(xiàn)對全波段輻射光的有效吸收， 使得光學(xué)天線與入射光產(chǎn)生的共振強(qiáng)度得到極大增強(qiáng)?？傊?，要實現(xiàn)天線對入射光強(qiáng)烈的 共振吸收，增大天線的耦合效率，關(guān)鍵在于精確地調(diào)控天線的形狀和尺寸等參數(shù)。由于納米 整流天線的加工難度極大、可重復(fù)性差、耗費時間長，實驗上要實現(xiàn)天線多參數(shù)調(diào)控的難度 和成本極大，另外目前對整流天線相關(guān)的機(jī)理認(rèn)識還不夠成熟。因此利用理論仿真模擬對 天線形狀和尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計與研宄，對指導(dǎo)實驗有目的地制備出高效的光電響應(yīng) 器件具有十分重要的意義。
[0004] 根據(jù)現(xiàn)有理論研宄背景，對該整流天線幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的主要難點有： 1.目前的光學(xué)和電學(xué)理論計算，是基于簡化模型的公式推導(dǎo)，無法準(zhǔn)確地表征整流天線的 性能；2.目前的光學(xué)和電學(xué)理論計算，無法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整流天線進(jìn)行分析；3.目前的光 學(xué)和電學(xué)理論計算，很難通過對幾何參數(shù)的精確調(diào)控實現(xiàn)入射光最大耦合的優(yōu)化設(shè)計。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型解決的技術(shù)問題是：提供了一種關(guān)于納米整流天線幾何參數(shù)優(yōu)化的設(shè) 計方法，解決了無法通過理論計算進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)整流天線幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的問題，實現(xiàn) 了整流天線與入射光的最大共振吸收、以及完善天線幾何參數(shù)對整流天線光電性能影響的 研宄。
[0006] 本實用新型的技術(shù)方案是：一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線，包括左臂、右臂以 及整流器；所述左臂與右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)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；
[0008] 所述整流器為碳納米管整流器或硅整流器或硒整流器或金屬-半導(dǎo)體二極管整 流器或金屬-絕緣體-金屬二極管整流器或金屬-絕緣體-絕緣體-金屬二極管整流器或 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體二極管整流器。
[0009] 納米天線左臂外沿至右臂外沿的距離為0. 1~100ym，左臂輻射體與右臂輻射體 在靠近交叉點處的張角均為10~150°，左臂輻射體、引線的結(jié)合處與右臂輻射體、引線的 結(jié)合處之間的間距為20~500nm，左臂福射體與右臂福射體的厚度均為20~500nm。
[0010] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：1.相對于光學(xué)和電學(xué)理論計算，本實用 新型技術(shù)可更準(zhǔn)確地表征整流天線的性能；2.本實用新型技術(shù)可對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整流天線 進(jìn)行分析；3.本實用新型技術(shù)可很難通過對幾何參數(shù)的精確調(diào)控實現(xiàn)入射光最大耦合的 優(yōu)化設(shè)計。本實用新型綜合現(xiàn)有理論設(shè)計方法，采用三維電磁場數(shù)值計算方法，提出了一種 關(guān)于天線幾何參數(shù)優(yōu)化的納米天線。不同于現(xiàn)有理論設(shè)計方法分別對天線結(jié)構(gòu)模型和其光 學(xué)性能進(jìn)行計算，本實用新型設(shè)計的整流天線模型是由納米天線與整流器組成的一體化結(jié) 構(gòu)，不僅計算得到了整流天線的光學(xué)性能，同時對其電學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研宄，并對相應(yīng) 的微觀機(jī)理進(jìn)行了深入的討論，給出了實現(xiàn)較強(qiáng)光電響應(yīng)器件的設(shè)計方案，這為整流天線 的實驗制備提供了理論依據(jù)，從而達(dá)到節(jié)約成本、節(jié)省時間、提高器件制備效率的目的。
【附圖說明】
[0011] 圖1為納米整流天線的結(jié)構(gòu)圖；
[0012] 圖2為納米整流天線優(yōu)化前后的共振波長和局域場增強(qiáng)系數(shù)圖；
[0013] 圖3為納米整流天線優(yōu)化前后的輸出電流圖；
[0014] 圖4為納米整流天線優(yōu)化前后的感應(yīng)電壓圖。
【具體實施方式】
[0015] 如圖1所示，一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線，包括左臂、右臂以及整流器，左 臂為電極I，右臂為電極II，中間為整流器。其中整流器包括、但不僅限于碳納米管整流器、 硅整流器、硒整流器、金屬-半導(dǎo)體（MS)二極管整流器、金屬-絕緣體-金屬（MM)二極管 整流器、金屬-絕緣體-絕緣體-金屬（MIIM)二極管整流器金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS) 二極管整流器等，優(yōu)先考慮碳納米管、MIM、MIIM二極管整流器。天線的形狀為蝴蝶結(jié)，包括、 但不僅限于三角形、扇形、梯形、錐形等。天線的長度為0.1-100um，優(yōu)先選擇1-20ym。蝴 蝶結(jié)的張角為10-150°，優(yōu)先選擇30-90°。天線兩臂尖端的有效間距為20-500nm，優(yōu)先選 擇50-300nm。天線厚度為20-500nm，優(yōu)先選擇50-300nm。激勵源為平面波，偏振方向沿天 線的軸向方向。研宄的紅外光波長范圍為1-100um，優(yōu)先選擇3-50ym。
[0016] 針對上述設(shè)計的整流天線模型，本實用新型采用三維電磁場數(shù)值計算方法進(jìn)行仿 真模擬，包括、但不僅限于時域有限差分法（FDTD)、矩量法（MOM)和有限元方法（FEM)等， 優(yōu)先選擇有限元方法，采用有限元法的仿真軟件包括、但不僅限于AnsoftHFSS和COMSOL Multiphysics等。
[0017] 利用上述數(shù)值計算方法，首先建立整流天線模型，然后設(shè)置具體的參數(shù)求解，并建 立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，最后運行仿真運算程序，得到結(jié)果。入射光與金屬自由電子作用產(chǎn)生的 表面等離子體共振現(xiàn)象會在整流器中產(chǎn)生一巨大的局域場，通過計算整流器中心的局域場 強(qiáng)度，可以得到整流天線在各個幾何參數(shù)下的光學(xué)性能。
[0018] 本實用新型通過求解三維電磁場麥克斯韋方程組，同時給出了整流天線輸出電 流和感應(yīng)電壓的理論計算公式。電磁波在介質(zhì)中傳播時，介電常數(shù)通常要用復(fù)數(shù)來描述。e(?) =ei(?)+ie2 (?)，由全電流定律知▽X/7二-/抓(〃;)￡ + ，其電流密度的等效 形式為J= _i?eJeJo^-lilE+oe2(?)e#，左側(cè)項為位移電流，垂直于電場方向，經(jīng) 過一個周期后，電荷做功為零；右側(cè)項為傳導(dǎo)電流，與電場方向同相，具有歐姆定律的形式。
[0019] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。
[0020] 本實施例是一種納米整流天線的模型建立。所述的整流天線為金屬I-介質(zhì)層-金 屬II一體化三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示。目標(biāo)工作波長為11ym，整流天線幾何參數(shù)初始設(shè) 置如下，天線形狀為扇形蝴蝶結(jié)，全長L= 6ym，張角0 =45°，兩臂尖端有效間距Geff= 500nm，天線厚度為h= 500nm。
[0021] 所述的整流天線采用基于有限元方法的3D頻域電磁場計算軟件AnsoftHFSS實 現(xiàn)整流天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計。計算收斂迭代次數(shù)為20,自適應(yīng)迭代分析精度為0. 01，掃描波長 范圍從5-20ym。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。通過計算可獲 取納米整流天線的局域場增強(qiáng)、輸出電流以及感應(yīng)電壓等結(jié)果。入射光與金屬自由電子作 用產(chǎn)生的表面等離子體共振現(xiàn)象會在整流天線的整流器中產(chǎn)生一個巨大的局域場，通過計 算整流器中心的局域場強(qiáng)度，可以得到整流天線在不同幾何參數(shù)下的光學(xué)性能，即相應(yīng)的 響應(yīng)波段\ 3和局域場增強(qiáng)系數(shù)1(，其中1(=|￡(?)|/|￡(||，因入射波電場振幅為1￥/111， 故IEcJ=lV/m，通過計算不同頻率下的電場幅值便可得到相應(yīng)的場增強(qiáng)系數(shù)K。電磁波 在介質(zhì)中傳播時，介電常數(shù)用復(fù)數(shù)來描述。e(?)=ei(?)+ie2(?)，由全電流定律知 ▽ ，其電流密度的等效開多式為J= -i〇e〇[eJo^-lllE+oe2(0) eQE，左側(cè)項為位移電流，垂直于電場方向，經(jīng)過一個周期后，電荷做功為零；右側(cè)項為傳導(dǎo) 電流，與電場方向同相，具有歐姆定律的形式。同理，兩金屬電極間的感應(yīng)電壓可以表示為 ▽ X五= /&>////。
[0022] 通過對天線形狀幾何參數(shù)的迭代分析，可得優(yōu)化后的天線幾何參數(shù)為全長L= 41^1]1，張角0=6〇°，兩臂尖端有效間距66；"=2〇〇111]1，天線厚度為11=1〇〇111]1。下圖2,3， 4為通過計算得到的優(yōu)化前后整流天線的光電學(xué)性能，其中圖2為納米整流天線優(yōu)化前后 的共振波長和局域場增強(qiáng)系數(shù)圖；圖3為納米整流天線優(yōu)化前后的輸出電流圖；圖4為納 米整流天線優(yōu)化前后的感應(yīng)電壓圖。根據(jù)以上結(jié)果，可看出通過優(yōu)化天線形狀的幾何參數(shù) 可將整流天線的共振波長調(diào)整到預(yù)期的范圍內(nèi)，可增大局域場增強(qiáng)系數(shù)圖、輸出電流和感 應(yīng)電壓。
[0023] 本實用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線，其特征在于：包括左臂、右臂以及整流器；所述 左臂與右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)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； 所述整流器為碳納米管整流器或硅整流器或硒整流器或金屬-半導(dǎo)體二極管整流器 或金屬-絕緣體-金屬二極管整流器或金屬-絕緣體-絕緣體-金屬二極管整流器或金 屬-絕緣體-半導(dǎo)體二極管整流器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線，其特征在于：納米天線 左臂外沿至右臂外沿的距離為〇. 1~IOOu m，左臂輻射體與右臂輻射體在靠近交叉點處的 張角均為10~150°，左臂輻射體、引線的結(jié)合處與右臂輻射體、引線的結(jié)合處之間的間距 為20~500nm，左臂福射體與右臂福射體的厚度均為20~500nm。
【專利摘要】本實用新型一種用于紅外能量轉(zhuǎn)換的納米天線包括左臂、右臂以及整流器；所述左臂與右臂為鏡像結(jié)構(gòu)；左臂與右臂交叉成蝴蝶結(jié)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；所述整流器為碳納米管整流器或硅整流器或硒整流器或金屬-半導(dǎo)體二極管整流器或金屬-絕緣體-金屬二極管整流器或金屬-絕緣體-絕緣體-金屬二極管整流器或金屬-絕緣體-半導(dǎo)體二極管整流器。本實用新型發(fā)現(xiàn)的理論規(guī)律如下，隨著天線的增加，共振波長發(fā)生明顯的紅移，且峰位處的局域場強(qiáng)度和感應(yīng)電流逐漸增大；同時適當(dāng)?shù)卦黾犹炀€的厚度、并降低兩臂尖端的有效間距等有利于獲得更強(qiáng)的局域場強(qiáng)度和更大的輸出電流。
【IPC分類】H01Q1-36, H01Q23-00
【公開號】CN204577575
【申請?zhí)枴緾N201520186809
【發(fā)明人】賀濤, 王凱, 胡海峰, 蘆姍, 郭令舉, 韓運忠, 周傲松, 張濤, 王穎, 徐明明, 高文軍
【申請人】北京空間飛行器總體設(shè)計部
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年3月30日