CN103247861B - 一种可以产生法诺共振增强的多层不对称超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料。通过将多层超材料的谐振单元移离其中心位置，使其电偶极子共振得到增强，并与超材料本身所具有的强磁偶极子共振互相作用，使其透射谱中单一法诺共振峰分裂为两个非对称共振峰，其中一个共振峰的色散特性更加陡峭，从而实现法诺共振增强，解决了谐振波长的偏移和间隔必须远大于谐振腔带宽的技术问题，提高了超材料的波长分辨率及其对生物样本折射率变化进行探测的灵敏度。同时该结构的法诺共振品质因数随谐振单元偏移其中心位置距离的增加而增加。

Description

一种可以产生法诺共振增强的多层不对称超材料

技术领域

本发明涉及一种可以产生法诺共振增强的多层不对称超材料，可应用于慢光、传感、非线性及光开关等领域。

背景技术

谐振现象在自然界中普遍存在，具有洛伦兹型和法诺型之分。其中法诺共振具有非对称谱线形状，可以显著提高表面等离激元功能器件的性能。超材料是近年来兴起的一类人工结构材料，通过设计一定的谐振结构可以对外加电磁场分别产生相应的耦合，从而获得奇异的电磁特性。随着超材料研究的深入，超材料的法诺共振也备受关注。有如文献1：“B.Luk′yanchuketal,NATUREMATERIAL,2010(9):707”报道的在表面等离激元纳米结构超材料中发现了法诺谐振现象。2007年，文献2：“V.A.Fedotoveetal,PHYSICALREVIEWLETTER,2007(99):147701”首次在非对称谐振环阵列中发现法诺谐振，该人工结构被定义为约束模超材料。文献3：“S.Zhangetal,PHYSICALREVIEWLETTER,2008(101):047401”利用辐射模和约束模之间的相互作用在表面等离子体超材料中实现了法诺共振。文献4：“Z.Dongetal,OPTICSEXPRESS,2010(18):22412.”研究了暗模激发与法诺共振现象之间的关系.文献5：“Z.Yangetal,APPLIEDPHYSICSLETTER,2010(96):131113”通过金属长度对法诺共振强度进行调谐。

上述工作都是通过具有非对称结构的单层平面超材料产生法诺共振，因此在短波长区域会出现磁响应饱和，同时结构复杂，制备工艺困难。相比之下，多层超材料的表面等离激元模式，能够更有效的突破传统的衍射极限，具有较长的传输距离、较小的损耗、较短的工作波段和简单的加工工艺，因此具有更广阔的实际应用前景。而关于多层超材料对法诺共振的影响却鲜有研究，从而限制了法诺共振的进一步应用。

本发明提供一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料。通过将多层超材料的谐振单元移离其中心位置，使其电偶极子共振得到增强，并与超材料本身所具有的强磁偶极子共振互相作用，使其透射谱中单一法诺共振峰分裂为两个非对称共振峰，其中一个共振峰的色散特性更加陡峭，从而实现法诺共振增强，解决了谐振波长的偏移和间隔必须远大于谐振腔带宽的技术问题，提高了超材料的波长分辨率及其对生物样本折射率变化进行探测的灵敏度。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料，该器件的法诺共振具有品质因数高、工作频率范围大、结构简单等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

一种可以产生法诺共振增强的多层不对称超材料，其特征在于，该多层不对称超材料由衬底层、下金属层、介质材料层、上金属层、氧化层组成；谐振单元偏离其自身中心位置，偏离距离在5纳米至1微米，谐振单元的孔径在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。所述多层结构的法诺共振波长覆盖红外到远红外波段。

谐振单元形状可以是三角形孔、方形孔、圆形孔、椭圆形孔、矩形孔、十字形孔、六边形孔；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。

金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；介质材料层包括Al₂O₃、MgF₂、HSQ、GaAs、InP、Si；氧化层宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米；金属层包括Al、Ag、Au、Cu、Ni；氧化层包括In₂O₃、SnO₂、ITO；衬底层包括BK7光学玻璃，SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃；多层结构可以通过材料生长工艺实现，如电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术；谐振单元阵列可以通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光(E-beamlithography)、聚焦离子束曝光(FocusIonBeamlithography)和反应离子束刻蚀(ReactiveIonEtching,RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。

所述的法诺共振品质因数随谐振单元偏移其中心位置距离的增加而增加。

本发明的测试系统由傅氏转换红外线光谱分析仪完成，通过傅氏转换红外线光谱分析仪对所述器件的透射光谱和反射光谱的幅度和相位分别进行测试，进而观测到具有陡峭色散特性的法诺共振峰。

附图说明

图1(a)为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料示意图。

图1(b)为可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料俯视图，其中δ是偏移距离。

图2为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料制作流程示意图。

图3为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料在谐振单元未偏离其中心位置（δ=0）和偏离其中心位置70纳米(δ=70纳米)时的透射谱线。

图4为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料品质因子Q随谐振单元偏离其中心位置δ的变化情况。

图5为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料的各种形状示意图。

图中：δ是偏移距离，1玻璃衬底，2多层结构，3金属层，4介质层，5氧化层，6掩膜，7谐振单元阵列，8一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料，9基于N层结构的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料(N>=1)。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀,如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。

例1

首先，利用材料生长工艺在玻璃衬底1上形成多层结构(下金属层3-介质层4-上金属层3-氧化层5)2，如附图2(a)所示。

其次，在多层结构2上沉积SiO₂薄膜作为掩模6，如附图2(b)所示。

然后，通过掩模工艺将设计好的谐振单元阵列转换到掩模上，如附图2(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。

然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备谐振单元阵列7，谐振单元偏离其中心位置同时穿透下金属层-介质层-上金属层-氧化层，如附图2(d)所示

最后，移除掩模6，得到可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料8,如附图2(e)所示。其中基于N层结构的可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料(N>=1)9，如附图2(f)所示。

如图3所示为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料在谐振单元未偏离其中心位置（δ=0）和偏离其中心位置70纳米(δ=70纳米)时的透射谱线。由图所示当谐振单元未偏离其中心位置时，其透射谱中具有单一的法诺共振峰其品质因数较小，当谐振单元偏离其中心位置70纳米(δ=70纳米)时，单一的法诺共振峰会分裂为两个非对称共振峰，其中一个共振峰的色散特性更加陡峭，具有较高的品质因数从而实现法诺共振增强。

如图4所示为本发明提供的一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料品质因子Q随谐振单元偏离其中心位置δ的变化情况。由图所示法诺共振品质因数随谐振单元偏移其中心位置距离的增加而增加。

综上所述，本发明提供一种可以产生法诺共振增强现象的多层不对称超材料可以通过将谐振单元移离其中心位置，使超材料的法诺共振得到增强。法诺共振品质因子随谐振单元偏离其中心位置的增加而变大。

以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (5)

1.一种可以产生法诺共振增强的多层不对称超材料，其特征在于，该多层不对称超材料由衬底层、下金属层、介质材料层、上金属层、氧化层自下而上依次层叠组成，谐振单元为穿透下金属层、介质材料层、上金属层、氧化层的孔状结构；相邻行上的谐振单元呈交错排布，其中一行上的一个谐振单元的中心与相邻行上与其距离最近的一个谐振单元的中心之间具有一偏离距离，偏离距离在5纳米至1微米，谐振单元为孔状结构，谐振单元的孔径在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米；所述的多层不对称超材料的法诺共振波长覆盖红外到远红外波段。

2.根据权利要求1所述的多层不对称超材料，其特征在于，所述的谐振单元形状是三角形孔、方形孔、圆形孔、椭圆形孔、十字形孔、六边形孔。

3.根据权利要求1或2所述的多层不对称超材料，其特征在于，所述上金属层或下金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，介质材料层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；氧化层的宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米。

4.根据权利要求1或2所述的多层不对称超材料，其特征在于，

所述的金属层是Al层、Ag层、Au层、Cu层或Ni层；

所述的介质材料层包括Al₂O₃、MgF₂、HSQ、GaAs、InPa、Si；

所述的氧化层是In₂O₃、SnO₂或ITO；

所述的衬底层是BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃；

所述的多层不对称超材料通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延技术；

所述的谐振单元阵列通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光、反应离子束刻蚀。

5.根据权利要求3所述的多层不对称超材料，其特征在于，

所述的金属层是Al层、Ag层、Au层、Cu层或Ni层；

所述的介质材料层包括Al₂O₃、MgF₂、HSQ、GaAs、InP、Si；

所述的氧化层是In₂O₃、SnO₂或ITO；

所述的衬底层是BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃；

所述的多层不对称超材料通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延技术；

所述的谐振单元阵列通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光、反应离子束刻蚀。