中國科學院微電子研究所毛海央研究員課題組與中國科學院長春光機所李紹娟研究員課題組、中北大學熊繼軍教授課題組合作，通過使用等離子體轟擊聚合物工藝并結(jié)合金屬納米顆粒的磁控濺射工藝，得到了一種對偏振和入射角不敏感的寬譜高吸收復合納米森林結(jié)構(gòu)，通過將該結(jié)構(gòu)原位集成于MEMS熱電堆傳感器上實現(xiàn)了器件輸出電壓的顯著提升。

太陽能被認為是一種可再生、免費、清潔和廣泛可用的能源，寬光譜高吸收結(jié)構(gòu)體可以高效率地利用太陽能。近年來，探索在寬光譜范圍內(nèi)具有高吸收系數(shù)的材料或結(jié)構(gòu)引起了廣泛關注?；诘入x激元共振效應的光吸收材料與結(jié)構(gòu)因其在特定范圍內(nèi)超高的吸收率以及超強的光-電、光-熱轉(zhuǎn)化能力而受到廣泛關注。但是，可激發(fā)等離激元共振效應的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)其高吸收波段的帶寬一般較窄，大大降低了對光的利用效率，限制了結(jié)構(gòu)的應用。另外，傳統(tǒng)制備等離激元結(jié)構(gòu)的工藝一般較為復雜，常需依賴尖端設備，這也進一步限制了它們與微器件的大規(guī)模集成應用。

作者創(chuàng)新性地利用銀納米顆粒包裹的準有序納米森林結(jié)構(gòu)(Ag-QNF)來實現(xiàn)多重雜化等離激元共振效應，得到了太陽光譜(300nm-2500nm)范圍內(nèi)的高吸收，且對光的偏振和入射角度不敏感。這種結(jié)構(gòu)制備簡單，又具有良好的工藝兼容性，可原位集成在MEMS熱電堆傳感器上，實現(xiàn)器件性能的顯著提升。

本文亮點

1. 利用在聚酰亞胺(PI)中添加硅烷偶聯(lián)劑(SCA)并使用等離子體轟擊的方法，通過簡單的工藝流程制備了準有序納米森林結(jié)構(gòu)。

2. 利用銀納米顆粒包裹的準有序納米森林結(jié)構(gòu)(Ag-QNF)實現(xiàn)了多重雜化等離激元共振效應，得到了太陽光譜(300nm-2500nm)范圍內(nèi)超過90%的吸收率。

3. 將結(jié)構(gòu)原位集成于MEMS熱電堆傳感器上，相比于原來的熱電堆器件，實現(xiàn)了433%的輸出電壓提升。

4. 工藝簡單，兼容性好，可以批量生產(chǎn)，有望在更多的光電器件中應用。

圖文導讀

圖1 (a)包裹銀納米顆粒的準有序納米森林結(jié)構(gòu)(Ag-QNF)制備工藝流程;(b)Ag-QNF的晶圓級制備結(jié)果;(c-e)Ag-QNF結(jié)構(gòu)的SEM圖。

圖2 使用等離子體轟擊添加了硅烷偶聯(lián)劑(SCA)的聚酰亞胺(PI)以制備QNF的過程，以及QNF的形成機制：(a)添加了SCA的PI旋涂;(b)點狀納米結(jié)構(gòu)的形成;(c)微小納米線結(jié)構(gòu)的出現(xiàn);(d)高度增加的直立納米森林。

圖4 (a)圖展示Ag-QNF吸收體在寬譜范圍內(nèi)的偏振不敏感性;(b)圖為不同偏振角下吸收特性的模擬結(jié)果。這里，0°極化角代表TM極化，90°極化角代表TE極化。(c)圖展示入射角度對光吸收特性的影響;(d)圖為不同入射角下吸收特性的模擬結(jié)果。Ag-QNF吸收體的結(jié)構(gòu)在X-Y平面上具有準對稱性，所以其對入射光的偏振性不敏感。

圖5 Ag-QNF吸收體與MEMS熱電堆傳感器的原位集成。(a)圖展示吸收區(qū)原位集成Ag-QNF吸收體的MEMS熱電堆傳感器結(jié)構(gòu);(b)圖為原始熱電堆 (S1) 和集成Ag-QNF吸收體后的熱電堆 (S3)照片。利用等離激元的光熱效應，吸收體能夠?qū)⑺盏墓廪D(zhuǎn)化為熱，并傳導到熱電堆傳感器的熱端，在器件冷熱端間形成溫度差，使傳感器有電壓輸出。(c)圖為集成前后熱電堆器件在不同功率密度光作用下的光致電壓;(d)圖為集成前后熱電堆器件在同功率不同波長下的輸出電壓對比。