CN104779447A - 一种宽频吸波器的结构与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽频吸波器的结构与制备方法，该结构包括基底层，设置在基底层上的半金字塔结构，所述半金字塔为多层金属-介质层交替叠加组合而成，且结构的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度递减，该结构为对称结构，对称轴为金属-介质层的中心的连线。采用镀膜的方式在基底上依次镀金属-介质层，然后刻蚀出金字塔结构。结构简单：该吸波器的结构单一，便于制备。光谱容易测量：在测量阶段，8-14μm为中红外波段，根据现有设备，很容易得到该结构的透射和反射光谱，从而得到吸收谱。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学领域，尤其涉及宽频吸波器的结构与制备方法。
背景技术
对特定频率的电磁波，现有吸波器的吸收带宽窄，不能在整个光谱范围内达到较高吸收。
对特定频率的电磁波，现有吸波器的吸收角较小，不能在较大的角度范围内达到较高吸收。
对特定频率的电磁波，现有吸波器对入射的电磁波的极化方向敏感，不能达到很好的吸收。
现有吸波器按照吸收带宽可以分为窄带吸波器、多频吸波器和宽频吸波器三种。其在结构上一般采用金属-介质-金属三层结构。
窄带吸波器对单频率电磁波具有很强的吸收，但由于其吸收的带宽极窄，一般只针对某一特定的频率，故其在应用上具有很大的限制性，不能在器件上得以应用。多频吸波器对某几个特定频率的电磁波具有较高的吸收，但存在较多缺陷。一般的多频吸波器其特定吸收的电磁波频率分散，不能达到连续吸收且对几个频率的吸收会相互妥协，不能兼顾，致使其吸收减弱。宽频吸波器一般采用多层设计，将几个不同的结构叠加耦合到一起，但存在的问题是结构复杂，制备困难。现有的吸波器还普遍存在吸收角度窄，且对入射电磁波的极化方向敏感，大大限制了现有吸波器的应用。
发明内容
针对现有吸波器的不足，为了设计制备出具有较宽吸收带、较宽入射角和对入射电磁波极化不敏感的吸波器，特提出以下半金字塔结构的吸波器以及制备方法。
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种宽频吸波器的结构，该结构包括基底层，设置在基底层上的半金字塔结构，所述半金字塔为多层金属-介质层交替叠加组合而成，且结构的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度递减，该结构为对称结构，对称轴为金属-介质层的中心的连线。
作为本发明的进一步改进，所述介质层为低损耗红外介质材料。
作为本发明的进一步改进，所述低损耗红外介质材料为非晶硅、锗、二氧化硅、氟化钙中的一种或几种。
作为本发明的进一步改进，所述导电层为钛、金、银、铜、铝中的一种。
作为本发明的进一步改进，半金字塔的上边长P1＝900±200nm，半金字塔的下边长P2＝1800±1000nm。
作为本发明的进一步改进，半金字塔的上边长P1＝900±100nm，半金字塔的下边长P2＝1800±500nm。
作为本发明的进一步改进，介质厚度D1在100nm和200nm内变化，厚度D2在250nm和500nm范围内变化。
作为本发明的进一步改进，介质厚度D1在120nm和180nm内变化，厚度D2在300nm和450nm范围内变化。
上述任意一项的宽频吸波器的结构的制备方法，采用镀膜的方式在基底上依次镀金属-介质层，然后刻蚀出金字塔结构。
作为本发明的进一步改进，所述镀膜的方式为电子束蒸镀、磁控溅射、CVD中的一种，基底为硅片或玻璃片,CVD:化学气相沉积。
本发明的有益效果是：
该宽频吸波器有如下优势：
宽频：该吸波器的主要吸收光谱在8-14微米，且在垂直入射时，在整个光谱内的吸收都能达到90％以上。
吸收角度宽：该吸波器在0-60°入射角范围内都能达到较高吸收。
极化不敏感：该吸波器在结构上为对称结构，其在吸收时极化不敏感。
结构简单：该吸波器的结构单一，便于制备。
光谱容易测量：在测量阶段，8-14μm为中红外波段，根据现有设备，很容易得到该结构的透射和反射光谱，从而得到吸收谱。
附图说明
图1是本发明吸波器三维结构示意图；
图2是本发明结构的俯视图；
图3是本发明结构的主视图、侧视图；
图4是垂直入射光的吸收；
图5是不同入射角下波长9μm的吸收；
图6是入射波长为9μm(a)和13μm(b)时磁场场强。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
在该设计中，吸波器采用半金字塔结构。该金字塔是由多层金属-介质层交替叠加组合而成。当电磁波入射到吸波器时，由于金属-介质界面处局域表面等离子体共振的作用，在吸波器的金属层中积聚电性相反的电荷，激发出金属薄膜中的电偶极子产生共振，导致局域电场增强。由于电偶极子的耦合作用，在相邻的金属层中产生磁偶极子，磁偶极子的作用又导致介质层中磁场的增强。由于金属和介质层具有不同的宽度，而不同的宽度对应不同的响应频率。当宽度越宽，对应的响应频率越低，相反，宽度越窄，对应的响应频率越高。由于金属和介质层的宽度是连续变化的，故响应频率也是连续的，从而实现吸收带宽的宽频。由于吸波器的多层设计和金字塔形状，使得该结构的吸波器的折射率能够连续过渡，从而大大抑制电磁波的反射，达到很强的吸收。由于该结构为对称结构，其对电磁波的极化方向不敏感。
具体实施方案如下：在该设计中，在结构上采用金属-介质多层重复叠加，且结构的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度递减。该结构示意图如图1所示。图中1为介质层(低损耗红外介质材料：如非晶硅、锗、二氧化硅、氟化钙等)，2为导电层(钛、金、银、铜、铝等一般金属)。理论上，如果加工工艺成熟，金字塔的层数没有限制。金字塔的层数越多，其吸收谱的范围就会越大，此处只是用四层结构作为例证，其吸收谱范围为8-14微米，随着结构层数的增多，其吸收范围会变大。金字塔上边长尺寸减小，吸收的波长相应向更短波长扩展，金字塔下边长尺寸增加，吸收的波长相应向更长波长扩展。当金字塔的上边长越小，其对应吸收波长向更短波长扩展；当金字塔的下边长越大，其对应吸收波长相应向更长波长扩展。此处，用图1的四层结构作为例证说明该结构的有效性。
由于结构采用多层设计且每层的金属和介质层的宽度不同，所以其对应有不同的磁响应和电响应频率。宽度越小对应的响应频率越高，宽度越大对应的响应频率越低。通过将宽度逐渐增加的多层金属-介质层叠加在一起，就能得到在特定波段内的宽频吸收。另外，由于该设计的半金字塔结构采用多层金属-介质层，折射率在Z方向上连续过渡，故该多层结构也相当于反透射层，其在另一角度也增加了该宽频吸波器的吸收。
该结构的几何示意图如图2、图3所示。图2结构的俯视图中，其中结构尺寸P＝2000±1000nm，金字塔的上边长P1＝900±200nm，金字塔的下边长P2＝1800±1000nm。厚度D的可调控范围非常广泛，理论上只要D的厚度比其对应的趋肤深度厚就可以。厚度D1和D2厚度也可在很大的范围内变动，其中D1可在100nm和200nm内变化，D2可在250nm和500nm范围内变化而不影响吸收。
如图4所示，当电磁波垂直入射时，在整个特定光谱范围内其吸收都达到90％以上。在整个光谱范围内呈一个完整平滑的吸收峰。
当电磁波以很宽的入射角入射时，该结构依然能达到较高的吸收。如图5所示，为在不同入射角时波长为9μm处的吸收。
当不同频率的电磁波作用在该金字塔结构时，会在该结构的不同位置处产生磁场增强。如图6所示，当入射的波长较短时(图6a)，在结构的上部产生强烈的磁场增强，当入射的波长较长时(图6b)，在结构的下部产生强烈的磁场增强，从而该结构可以吸收连续的不同波长的电磁波，从而达到宽频吸收。
涉及到的制备流程为：采用镀膜的方式(电子束蒸镀、磁控溅射、CVD等)在基底(硅片、玻璃片等)上依次镀金属-介质层，然后用刻蚀(聚焦离子束等)刻蚀出金字塔结构。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种宽频吸波器的结构，其特征在于：该结构包括基底层，设置在基底层上的半金字塔结构，所述半金字塔为多层金属-介质层交替叠加组合而成，且结构的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度递减，该结构为对称结构，对称轴为金属-介质层的中心的连线。
2.根据权利要求1所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：所述介质层为低损耗红外介质材料。
3.根据权利要求2所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：所述低损耗红外介质材料为非晶硅、锗、二氧化硅、氟化钙中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：所述导电层为钛、金、银、铜、铝中的一种。
5.根据权利要求1所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：半金字塔的上边长P1＝900±200nm，半金字塔的下边长P2＝1800±1000nm。
6.根据权利要求5所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：半金字塔的上边长P1＝900±100nm，半金字塔的下边长P2＝1800±500nm。
7.根据权利要求1所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：介质厚度D1在100nm和200nm内变化，厚度D2在250nm和500nm范围内变化。
8.根据权利要求7所述的宽频吸波器的结构，其特征在于：介质厚度D1在120nm和180nm内变化，厚度D2在300nm和450nm范围内变化。
9.权利要求1至权利要求8任意一项的宽频吸波器的结构的制备方法，其特征在于：采用镀膜的方式在基底上依次镀金属-介质层，然后刻蚀出金字塔结构。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述镀膜的方式为电子束蒸镀、磁控溅射、CVD中的一种，基底为硅片或玻璃片,CVD:化学气相沉积。
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