CN103247862A - 一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的多层对称超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的多层对称超材料。其中多层对称超材料的谐振单元阵列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等），使多层对称超材料的透射谱中具有陡峭的非对称法诺谐振峰。然后在多层对称超材料中引入相变材料或拓扑绝缘材料，使该法诺共振频率具有可调谐性，从而解决超材料结构确定以后，法诺共振频率不能改变的技术问题。本发明利用相变材料或拓扑绝缘材料介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，实现多层对称超材料中法诺共振频率的可调谐功能，最大调节幅度可达40％。

Description

一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的多层对称超材料

技术领域

本发明涉及一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料，可应用于慢光、传感、非线性及光开关等领域。

背景技术

2001年，文献1：“R.A.Shelby et al,SCIENCE,2001(292):77”首次在微波段实验报道具有负折射率的人工电磁超材料，从此人工电磁超材料引起了人们的广泛关注。随着超材料研究的深入，超材料上法诺共振现象也备受关注。2007年，文献2：“V.A.Fedotove et al,PHYSICAL REVIEW LETTER,2007(99):147701”首次在非对称谐振环阵列中发现法诺谐振。但是超材料的结构一旦确定以后，超材料的法诺共振特性是不能改变的，这就极大地限制了超材料法诺共振的实际应用。因此，研究者们越来越关注于法诺共振特性可调谐得超材料的研究。有如文献3“V.A.Fedotov et al,OPTICS EXPRESS,2010(18):9015”报道的通过超导体超材料实现法诺共振的可调谐性。文献4“Q.Zhao et al,APPLIED PHYSICSLETTER,2007(90):011112”报道了基于液晶的超材料，可以通过外加恒定电场来调节超材料的谐振频率。文献5“L.Kang et al,APPLIED PHYSICSLETTER,2008(93):171909”设计了基于铁磁体的超材料，可以通过外加恒定磁场调节其谐振频率。

但是上述方法需要复杂的调谐装置，从而增加了超材料结构设计的复杂性和制备工艺的难度，使得上述调谐方法很难应用到更高的频段如近红外光频段。因此需要设计一种简单实用的方法对超材料的法诺共振频率进行调谐，他将对超材料法诺共振在光频段的实际应用具有非常重要的意义，大大推进其实用化进程。

因此，本发明提供一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料。其中多层对称超材料的谐振单元阵列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等），使多层对称超材料的透射谱中具有陡峭的非对称法诺谐振峰。然后在多层对称超材料中引入相变材料或拓扑绝缘材料，利用相变材料或拓扑绝缘材料介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，使其法诺共振频率具有可调谐性，而不需要改变原有超材料单元的结构，极大的简化了具有可调谐法诺共振现象的超材料的制备与应用，使其可以应用于光频段领域。

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和频率可调谐现象的多层对称超材料，该器件的法诺共振具有品质因数高、可调谐性强、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：

一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层不对称超材料，该多层不对称超材料由衬底层、下金属层、相变材料层/拓扑绝缘材料层、上金属层、氧化层，和穿透下金属层-相变材料/拓扑绝缘材料层-上金属层-氧化层的谐振单元阵列组成；所述的谐振单元阵列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等）。该多层结构通过控制外加电场或温度，改变相变材料/拓扑绝缘材料介电系数，进而实现其法诺共振频率的可调谐性。

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。谐振单元阵列水平方向周期长度L_x在40纳米至8微米，垂直方向周期长度L_y在40纳米至8微米。

相变材料层可以包括GeTe、Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₂Te₄、Ge₃Sb₄Te₈、Ge₁₅Sb₈₅、Ag₅In₆Sb₅₉Te₃₀。拓扑绝缘材料层可以包括Bi_xSb_1-x、HgTe、Bi₂Te₃、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃。

金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，相变材料层/拓扑绝缘材料层宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；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-beam lithography)、聚焦离子束曝光(FocusIon Beam lithography)和反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料示意图。L_x为水平方向周期长度，L_y为垂直方向周期长度。

图2为本发明提供的一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料制作流程示意图。

图3为本发明提供的一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料在相变材料或拓扑绝缘材料处于不同状态（即不同介电系数）下的透射谱。其中，L_x=700纳米，L_y=400纳米。

图4为本发明提供的一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料的各种形状示意图。

图中：L_x为水平方向周期长度，L_y为垂直方向周期长度，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可以产生法诺共振增强和可调谐现象的多层对称超材料，9基于N层结构的可以产生法诺共振增强和可调谐现象的多层对称超材料(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N(N>=1)层多层结构(金属层3-相变材料或拓扑绝缘材料层4-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，谐振单元阵列采用矩形晶格进行排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等）同时穿透下金属层-相变材料或拓扑绝缘材料层-上金属层-氧化层，如附图2(d)所示

最后，移除掩模6，得到法诺共振频率可调谐的多层不对称超材料8,如附图2(e)所示。其中基于N层结构的法诺共振频率可调谐的多层对称超材料(N>=1)9，如附图2(f)所示。

如图3所示为本发明提供的多层对称超材料在Lx=700纳米，Ly=400纳米时的透射谱，当多层对称超材料中的相变材料或拓扑绝缘材料介电系数发生改变时，其上的法诺共振频率也会发生改变，实现可调谐法诺共振。

综上所述，本发明提供的一种基于相变材料或拓扑绝缘材料多层对称超材料，可以通过温度和外加电场对改变相变材料或者拓扑绝缘材料的介电常数，进而使其法诺共振频率发生改变，具有结构简单、操作容易、调谐范围大等优点。

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 (10)

1.一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的多层对称超材料，是一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料，其特征在于，该多层对称超材料由衬底层、下金属层、相变材料层/拓扑绝缘材料层、上金属层、氧化层，和穿透下金属层-相变材料/拓扑绝缘材料层-上金属层-氧化层的谐振单元阵列组成；所述的谐振单元阵列采用矩形晶格排列，在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等；所述的多层结构通过控制外加电场或温度，改变相变材料或拓扑绝缘材料介电系数，进而实现其法诺共振频率的可调谐性。

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、矩形孔、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，相变材料是GeTe、Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₂Te₄、Ge₃Sb₄Te₈、Ge₁₅Sb₈₅或Ag₅In₆Sb₅₉Te₃₀。

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，拓扑绝缘材料是Bi_xSb_1-x、HgTe,Bi₂Te₃、Bi₂Se₃或Sb₂Te₃。

5.根据权利要求3所述的多层不对称超材料，其特征在于，拓扑绝缘材料是Bi_xSb_1-x、HgTe,Bi₂Te₃、Bi₂Se₃或Sb₂Te₃。

6.根据权利要求1、2或5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，相变材料层或拓扑绝缘材料层的宽度在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。

7.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，相变材料层或拓扑绝缘材料层的宽度在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。

8.根据权利要求4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，相变材料层或拓扑绝缘材料层的宽度在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。

9.根据权利要求6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；

所述的多层结构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。

10.根据权利要求7或8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；

所述的多层结构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。

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