CN112366236A - 光能量收集微结构、感光元件和光学器件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光能量收集微结构、感光元件和光学器件。其中，该光能量收集微结构包括：纳米粒子二聚体阵列，该纳米粒子二聚体阵列由周期排列的纳米粒子二聚体构成；纳米粒子二聚体的排列方向垂直于入射光的传播方向；纳米粒子二聚体中的第一纳米粒子和第二纳米粒子沿入射光的传播方向分布，且第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在入射光偏振方向错位分布。在入射光的照射下，该光能量收集微结构中构成纳米粒子二聚体的两个纳米粒子将分别被激发，形成电偶极子，产生局域表面等离激元共振，进而发生耦合发生表面等离激元共振增强现象，可以显著提高光能量收集效率。
Description
技术领域
本申请涉及光能量收集领域，特别是涉及一种光能量收集微结构、感光元件和光学器件。
背景技术
43年前，第一台红宝石激光器诞生，由这台激光器引发、孕育出的光电技术给人类的生活带来了翻天覆地的变化。光电技术因其优异的性能特征得到了快速的发展，形成了一大批以光电技术为载体的产业，如光通信、光显示、光存储、太阳能电池等。无论是何种应用，都需要先收集入射光，再对收集到的入射光进行处理或转化。
传统的光能量收集方法，利用感光元件的光电转换功能，将入射光传输至感光元件，由感光元件将接收到的光信号转化成电信号。由于收集过程中存在较大的光能量损耗，在确定的入射条件下，传统的感光元件可以用来转化成电信号的光信号受限，进而导致输出的电信号较弱。通常，需要在前端设计聚光结构以增大入射光能量，在后端设计放大电路对电信号进行放大后再输出。
因此，传统的感光元件，有能量收集效率低的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能量收集效率高的光能量收集微结构、感光元件和光学器件。
第一方面，提供了一种光能量收集微结构，包括：
纳米粒子二聚体阵列，所述纳米粒子二聚体阵列由周期排列的纳米粒子二聚体构成；所述纳米粒子二聚体的排列方向垂直于入射光的传播方向；所述纳米粒子二聚体中的第一纳米粒子和第二纳米粒子沿所述入射光的传播方向分布，且所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在所述入射光偏振方向错位分布。
在其中一个实施例中，所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在所述入射光偏振方向的错位距离不超过所述纳米粒子二聚体之间的较小间距的一半。
在其中一个实施例中，所述纳米粒子二聚体之间的间距为370nm-1000nm。
在其中一个实施例中，所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在所述入射光传播方向紧密分布。
在其中一个实施例中，所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子的半径为10nm-100nm。
在其中一个实施例中，所述纳米粒子二聚体为惰性金属纳米粒子二聚体。
在其中一个实施例中，所述纳米粒子二聚体中的纳米粒子的半径与晶格常数的比值为1:10-1:7。
第二方面，提供了一种感光元件，包括上述的光能量收集微结构。
第三方面，提供了一种光学器件，包括上述的感光元件。
上述光能量收集微结构，包括纳米粒子二聚体阵列，该纳米粒子二聚体阵列由周期排列的纳米粒子二聚体构成。其中，纳米粒子二聚体的排列方向垂直于入射光的传播方向。纳米粒子二聚体中的两个纳米粒子沿入射光的传播方向分布，且在入射光偏振方向错位分布。在入射光的照射下，两个纳米粒子将同时被激发，形成电偶极振荡，产生局域表面等离激元共振，进而发生耦合促进表面等离激元共振增强现象，可以显著提高光能量收集效率。
附图说明
图1为一个实施例中纳米粒子二聚体阵列的示意图；
图2为一个实施例中表面等离激元共振吸收光谱的示意图；
图3为一个实施例中共振模式下纳米粒子二聚体正负电荷分布的示意图；
图4为一个实施例中纳米粒子二聚体在三种共振模式下的空间相位分布和光能流收集的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一纳米粒子称为第二纳米粒子，且类似地，可将第二纳米粒子称为第一纳米粒子。第一纳米粒子和第二纳米粒子都是纳米粒子，但其不是同一纳米粒子。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有光信号或数据的传递，则应理解为“光连接”、“光学连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，提供了一种光能量收集微结构，包括：纳米粒子二聚体阵列，该纳米粒子二聚体阵列由周期排列的纳米粒子二聚体构成；该纳米粒子二聚体的排列方向和垂直于入射光的传播方向；该纳米粒子二聚体中的第一纳米粒子和第二纳米粒子沿入射光的传播方向分布，且第一纳米粒子和第二纳米粒子在入射光偏振方向错位分布。
其中，纳米粒子又称超细微粒，是由数目不多的原子或分子组成的集团。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。纳米粒子二聚体是指由两个纳米粒子构成的整体。表面等离激元是指材料表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁振荡。表面等离激元共振是指表面等离激元沿界面方向传播的现象。纳米粒子的特殊结构使其具有一些特殊的物理化学特性。在光场的激励下，纳米粒子中的自由电子集体振动，与晶格内的正电荷形成电偶极子产生局域表面等离激元共振。第一纳米粒子和第二纳米粒子沿所述入射光的传播方向分布，是指入射光不能同时到达第一纳米粒子和第二纳米粒子，即二者在入射光的传播方向上存在错位，具体包括：第一纳米粒子与第二纳米粒子在入射光的偏振方向的投影之间间隔一定的距离、相切或重叠。第一纳米粒子和第二纳米粒子在入射光偏振方向错位分布，是指第一纳米粒子与第二纳米粒子的中心连线与入射光的传播方向不重合。
具体的，请参考图1，为一个典型的纳米粒子二聚体阵列。图1中，E为入射光的偏振方向，k为入射光的传播方向。纳米粒子二聚体100的排列方向为x和y，垂直于入射光的传播方向k。其中E与x方向重合，k与z方向重合。两个纳米粒子二聚体之间在x方向的间距为Px，在y方向的间距为Py。每组纳米粒子二聚体100均由成对的第一纳米粒子110和第二纳米粒子120组成。第一纳米粒子110和第二纳米粒子120在入射光偏振方向错位距离为Sx。可以理解，第一纳米粒子110相对于第二纳米粒子120，可以沿x的正方向错位，也可以沿x的负方向错位，如图1中，即为第一纳米粒子110相对于第二纳米粒子120，沿x的正方向错位的情况。
在入射光光场的激励下，纳米粒子二聚体100中的第一纳米粒子110和第二纳米粒子120分别被激发，形成电偶极子，产生第一局域表面等离激元共振和第二局域表面等离激元共振。由于第一纳米粒子110和第二纳米粒子120在入射光的偏振方向存在错位，两个粒子的局域表面等离激元共振可以通过光栅耦合模式实现在晶格常数范围内的共振光谱调制，发生表面等离激元共振增强现象，实现稳定的光能量持续环流，提高光能量收集效率。可以理解，制作纳米粒子的材料，可以是金属，也可以是石墨烯；纳米粒子的形状，可以是球形，也可以是椭球形，还可以是圆锥形；可以采用半导体工艺制作凹槽，再将纳米粒子放入凹槽，也可以使用飞秒激光直接制作出阵列分布的纳米粒子二聚体阵列。总之，本实施例对纳米粒子的材料、形状以及制作方法不作限定。
上述光能量收集微结构，包括纳米粒子二聚体阵列，该纳米粒子二聚体阵列由周期排列的纳米粒子二聚体构成。其中，纳米粒子二聚体的排列方向垂直于入射光的传播方向。纳米粒子二聚体中的两个纳米粒子沿入射光的传播方向分布，且在入射光的偏振方向存在错位。在入射光的照射下，两个纳米粒子将同时被激发，形成电偶极振荡，产生局域表面等离激元共振，进而发生耦合促进表面等离激元共振增强现象，实现稳定的光能量持续环流，可以显著提高光能量收集效率。此外，由于光能量收集效率的提高，无需在后端增加信号放大功能模块，可以简化器件结构，降低体积和制作成本，加快器件小型化进程。
在一个实施例中，请继续参考图1，第一纳米粒子110和第二纳米粒子120在入射光传播方向k紧密分布。
具体的，如图1所示，第一纳米粒子和第二纳米粒子在入射光传播方向紧密分布，是指第一纳米粒子110与第二纳米粒子120的公切线L垂直于入射光的传播方向z。
上述实施例中，第一纳米粒子和第二纳米粒子在入射光传播方向紧密分布，可以降低工艺难度，进而降低制作成本。
在一个实施例中，第一纳米粒子和第二纳米粒子的半径为10nm-100nm。
具体的，第一纳米粒子和第二纳米粒子的半径可以相同，也可以不相同，只需半径在10nm-100nm范围内即可。例如，第一纳米粒子和/或第二纳米粒子的半径可以为10nm、20nm、40nm、50nm、70nm、80nm或100nm。
上述实施例中，选择合适的尺寸作为纳米粒子的半径，可以提升局部表面等离激元共振耦合的效果，提高光能量收集效率。
在一个实施例中，纳米粒子二聚体之间的间距为370nm-1000nm。
如上文所述，纳米粒子二聚体在x方向的间距为Px，在y方向的间距为Py。其中，Px和Py可以相同也可以不相同。进一步的，可以在370nm-1000nm的范围内，选择任意一个数值作为纳米粒子二聚体之间的间距。例如，该间距可以是370nm、400nm、500nm、700nm、850nm或1000nm。进一步的，当入射光为单色光时，可以选择与入射光波长相等的数值作为纳米粒子二聚体之间的间距。例如，当入射光波长为532nm时，可以选择532nm作为纳米粒子二聚体之间的间距。
上述实施例中，选择合适的尺寸作为纳米粒子二聚体之间的间距，可以提升局部表面等离激元共振耦合的效果，提高光能量收集效率。在一个实施例中，请继续参考图1，，第一纳米粒子110和第二纳米粒子120在入射光偏振方向E的错位距离为Sx不超过纳米粒子二聚体之间的较小间距的一半。
如上文所述，在两个周期排列的方向上，纳米粒子二聚体之间的间距Px和Py可能不相等。在Px和Py不相等时，错位距离Sx不超过Px和Py中较小值的一半，可以避免相邻的两个纳米粒子二聚体互相干扰，有利于形成稳定的表面等离激元共振，进一步提高光能量收集效率。
在一个实施例中，纳米粒子二聚体为惰性金属纳米粒子二聚体。
具体的，惰性金属是指不能将氢化物中的氢元素置换出来的金属，即元素周期表中排在氢之后的金属。具体的，惰性金属材料包括金、银和铂金等。由于惰性金属材料的优异光学性能，当激发光波长在可见光及部分近红外区域时，均能产生局域表面等离激元共振，进而发生耦合发生表面等离激元共振增强现象，可以显著提高光能量收集效率。
上述实施例中，使用惰性金属纳米粒子二聚体，可以增大光能量收集微结构的适用波长范围，使器件的应用场景更加灵活。
在一个实施例中，纳米粒子二聚体中的纳米粒子的半径与纳米粒子二聚体之间的间距的比值为1:10-1:7。
具体的，确定了纳米粒子的半径和纳米粒子二聚体之间的间距的其中一个参数后，可以在1:10-1:7的范围内选择一个任意的比值，再根据该比值确定另外一个参数。例如，纳米粒子二聚体之间的间距Px和Py均为532nm时，选择1:10、1:9、1:8和1:7作为半径与晶格常数的比值时，得出的纳米粒子的半径分别为53.2nm、59.1nm、66.5nm和76nm。
上述实施例中，通过限定纳米粒子二聚体中的纳米粒子的半径与纳米粒子二聚体之间的间距的比值，可以提升局部表面等离激元共振耦合的效果，提高光能量收集效率。
在一个实施例中，纳米粒子的材料为银，纳米粒子半径为90nm，纳米粒子二聚体之间的间距为630nm，水平方向错位为120nm，入射光波长范围为500nm-800nm。入射光沿着竖直k方向传播，偏振方向E与水平方向重合。
入射平面光沿着竖直方向传播照射到光能量收集微结构上，会同时激发多种共振模式。如图2为本实施例的表面等离激元共振吸收光谱。其中，横坐标为波长，纵坐标为归一化吸收率。由图2可以看出，本实施例的光能量收集微结构有三个明显共振吸收峰，对应吸收波长分别为648nm，665nm和748nm。
图3为本实施例共振模式下的纳米粒子二聚体正负电荷分布示意。可以看出648nm，665nm和748nm吸收峰分别对应了横向共振模式，局域共振模式以及纵向共振模式。局域共振模式下与单个纳米粒子电偶极子振荡情况一致，两个纳米粒子之间并未发生等离激元耦合现象。横向共振模式下的电偶极距方向与入射光偏振方向垂直，纵向共振模式下的电偶极矩方向与入射光偏振方向一致，这两种共振模式均来源于两个纳米粒子之间的等离激元耦合。
图4为本实施例的纳米粒子二聚体在三种共振模式下的空间相位分布和光能流收集示意图。从图4可以直观看出，横向模式和纵向模式中出现了明显的相位翻转现象，这说明纳米粒子周围的光能量会受到方向调制。此外，可以看出纳米粒子周围光能流以涡旋形式集中在金属纳米粒子表面附近区域，正向反向均可实现稳定的光能量持续环流，因此表面等离激元光能量损失较小。
上述实施例中，通过选择合适的纳米粒子二聚体之间的间距，纳米粒子的材料、半径、以及水平方向错位，可以实现局部表面等离激光的三种共振模式，实现光能量的调制和光能量的持续环流，有利于减小光能量损失，提高能量收集效率。
在一个实施例中，提供了一种感光元件，上述任意实施例所述的光能量收集微结构。
其中，感光元件是指用于收集光信号的元件。感光元件可以是电荷耦合元件，也可以是互补金属氧化物半导体器件，还可以包括其他类型的器件。本实施例对感光元件的具体类型不作限定。具体的，可以将光能量收集微结构嵌入到感光元件中，通过光学和电学连接与其他微结构协调作用，实现光信号的收集与转换功能。关于光能量收集微结构的具体限定可以参见上文，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种光学器件，包括上述任意实施例所述的感光元件。
其中，光学器件包括但不限于纳米激光器、量子存储计算机、光能电池以及降速光导通讯。总之，本实施例对光学器件的种类不作限制。关于感光元件的具体限定可以参见上文，在此不再赘述。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种光能量收集微结构，其特征在于，包括：
纳米粒子二聚体阵列，所述纳米粒子二聚体阵列由周期排列的纳米粒子二聚体构成；所述纳米粒子二聚体的排列方向垂直于入射光的传播方向；所述纳米粒子二聚体中的第一纳米粒子和第二纳米粒子沿所述入射光的传播方向分布，且所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在所述入射光偏振方向错位分布。
2.根据权利要求1所述的光能量收集微结构，其特征在于，所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在所述入射光偏振方向的错位距离不超过所述纳米粒子二聚体之间的较小间距的一半。
3.根据权利要求1所述的光能量收集微结构，其特征在于，所述纳米粒子二聚体之间的间距为370 nm -1000nm。
4.根据权利要求1所述的光能量收集微结构，其特征在于，所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子在所述入射光传播方向紧密分布。
5.根据权利要求1所述的光能量收集微结构，其特征在于，所述第一纳米粒子和所述第二纳米粒子的半径为10nm-100nm。
6.根据权利要求1所述的光能量收集微结构，其特征在于，所述纳米粒子二聚体为惰性金属纳米粒子二聚体。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的光能量收集微结构，其特征在于，所述纳米粒子二聚体中的纳米粒子的半径与所述纳米粒子二聚体之间的间距的比值为1:10-1:7。
8.一种感光元件，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的光能量收集微结构。
9.一种光学器件，其特征在于，包括权利要求8所述的感光元件。
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