CN105609963B - 一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，所述太赫兹波吸收器包括呈周期性阵列排列的基本单元，基本单元具有正面呈正方形，所述正面具有凹陷的四棱锥，基本单元之间无缝连接，所述太赫兹波吸收器的材料是磷掺杂的n型硅片或者其他半导体材料。本发明提出的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，通过向凹陷的结构设计，产生宽频等离子体谐振效应，增强了吸收率,同时大大提高了相对带宽，简化工艺流程，降低制作成本。

Description

一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器

技术领域

本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种太赫兹波吸收器，特别涉及一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器。

背景技术

太赫兹波吸收器在高分辨率频谱成像、高数据速率短距离通信、材料分析、化学和生物传感以及太赫兹隐身等领域具有巨大的应用潜力。现阶段，人们利用超材料技术制备了各种太赫兹波吸收器，可实现单频带、多频带以及宽频带吸收。国内外研究的太赫兹波吸收器一般为“电谐振器-介质层-金属层”结构，其工作原理是对吸收电磁波的电和磁响应的微结构单元进行独立设计，产生局域的电磁共振，使其达到理想的阻抗匹配，从而实现对入射电磁波的理想吸收。这种太赫兹波吸收器虽然可以实现吸收率大于90％的强吸收，但工作频带窄。

目前实现多频与宽频带吸收的方法主要有两种，一种是在厚度方向上多层金属嵌套实现宽带吸收；另一种是在平面内将不同尺寸金属单元组合排列在一起构成超单元来实现宽带吸收。第一种方法虽然可以设计成宽带吸收器，但展宽频带有限，吸收率超过90％的相对带宽很难超过100％，另外工艺要求高，制备过程复杂，加工成本高，难以制备实现；第二种方法设计为三层结构，在工艺上容易实现，而且成本低，但是难以实现超宽带强吸收。

发明内容

针对现有技术的缺陷和需求，本发明提出了一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，其目的在于解决现有超材料太赫兹波吸收器带宽不足和吸收效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的基本单元，所述基本单元为正面呈正方形的长方体，所述正面具有凹陷的立体几何图形。

进一步地，所述立体几何图形是棱锥、圆锥、圆柱或者长方体。

进一步地，所述立体几何图形是四棱锥。

进一步地，所述基本单元的周期性长度(p)为50-300μm、厚度(t_s)为50-500μm，所述立体几何图形的缺口长度(l)为48-290μm、缺口深度(h)为25-250μm，所述立体几何图形的缺口长度(l)小于等于所述基本单元的周期性长度(p)，所述立体几何图形的缺口深度(h)小于所述基本单元的厚度(t_s)。

进一步地，所述棱锥或者所述圆锥的倾斜角度(α)≥20°。

更进一步地，所述基本单元的周期性长度(p)为200μm、厚度(t_s)为250μm，所述棱锥的缺口长度(l)为160μm、缺口深度(h)为160μm、倾斜角度(α)为54.74°。

进一步地，所述基本单元的材料是半导体。

更进一步地，所述半导体的生长取向为(100)、电阻率为0.01-0.8Ωcm。

再进一步地，所述半导体是磷掺杂的n型硅片或者硼掺杂的n型硅片。

一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，包括所述硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的基本单元，所述基本单元呈周期性阵列排列，所述基本单元之间无缝连接。

本发明提出的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，利用超材料设计理念，将光电子信息行业中使用最多的半导体磷掺硅设计成具有太赫兹波吸收特性的周期性结构，可实现超宽频带超强太赫兹波的吸收，极大程度地简化了工艺流程，同时降低了制备成本，最终实现太赫兹高速率数据通信、成像、探测以及太赫兹隐身。本发明提出的超宽频带太赫兹波吸收器将在环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域具有广阔的应用前景和应用价值，带来巨大的社会经济效应。

附图说明

图1是本发明提出的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的平面示意图；

图2是本发明提出太赫兹波吸收器的四棱锥型基本单元的立体图；

图3是本发明提出太赫兹波吸收器的四棱锥型基本单元的水平剖面图；

图4是本发明提出的太赫兹波吸收器的仿真实验吸收率图。

图中标号说明：

p-基本单元的周期性长度；

t_s-基本单元的厚度；

l-四棱锥的缺口长度；

h-四棱锥的缺口深度；

α-四棱锥的倾斜角度。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，包括呈矩周期性陈列排列的基本单元，基本单元之间无缝连接。

如图2所示，基本单元为正面呈正方形的长方体，正面具有凹陷的四棱锥。凹陷的四棱锥主要用于产生等离子体谐振效应，从而把入射的太赫兹波束缚在结构内，然后利用半导体材料的欧姆损耗将其耗散掉。

如图3所示，基本单元的周期性长度p为50-300μm、厚度t_s为50-500μm，四棱锥的缺口长度l为48-290μm、缺口深度h为25-250μm、倾斜角度α≥20°，其中l≤p、h＜t_s，优选的，四棱锥的缺口深度h是基本单元的厚度t_s的一半，太赫兹波吸收器的尺寸参数决定了其工作频率范围。

优选的，基本单元的周期性长度p为200μm、厚度t_s为250μm，四棱锥的缺口长度l为160μm、缺口深度h为160μm、倾斜角度α为54.74°。

可选的，基本单元的周期性长度p可为50μm、厚度t_s可为50μm，四棱锥的缺口长度l可为48μm、缺口深度h可为25μm、倾斜角度α可为20°。

可选的，基本单元的周期性长度p可为300μm、厚度t_s可为500μm，四棱锥的缺口长度l可为290μm、缺口深度h可为250μm、倾斜角度α可为85°。

可选的，基本单元的周期性长度p可为100μm、厚度t_s可为200μm，四棱锥的缺口长度l可为80μm、缺口深度h可为120μm、倾斜角度α可为35°。

可选的，基本单元的周期性长度p可为250μm、厚度t_s可为400μm，四棱锥的缺口长度l可为230μm、缺口深度h可为220μm、倾斜角度α可为70°。

太赫兹波吸收器的材料是磷掺杂的n型硅片。可选的，太赫兹波吸收器的材料还可以是硼掺杂的n型硅片或者其他半导体材料，半导体材料通过半导体工艺进行制备，半导体材料的生长取向为(100)、电阻率为0.01-0.8Ωcm。

关于本实施例提出的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的电磁波吸收特性，采用时域有限差分(FDTD)算法对其进行全波数值模拟仿真分析，其吸收率如图4，模拟表明：相对带宽为147％(频段为1.5THz-10THz)范围内，最高吸收率达100％，平均吸收率超过90％。

本实施例提出的基本单元的正面具有凹陷的四棱锥，所述四棱锥还可以是棱锥、圆锥、圆柱、长方体或者其他立体几何图形，本实施例提出的基本单元的尺寸和材料同样适用于正面具有凹陷的上述立体几何图形的基本单元。

本发明提出的一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的制备方法，采用激光刻蚀工艺制备，步骤为：

(1)使用丙酮和异丙醇溶液洗涤半导体材料，然后脱水烘干；

(2)在干燥后的半导体材料上旋涂光刻胶并采用深反应离子刻蚀技术刻蚀太赫兹波吸收器的结构模型；

(3)将涂胶后的半导体材料和旋涂光刻胶的掩模在紫外线下进行曝光；

(4)将曝光后的胶层显影，然后烘干；

(5)使用氧等离子体清理刻蚀后的半导体材料上的聚合物残渣。

上述过程均在真空环境下进行。

Claims (5)

1.一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的基本单元，其特征在于，所述基本单元为正面呈正方形的长方体，所述正面具有凹陷的立体几何图形；

所述立体几何图形是棱锥、圆锥、圆柱或者长方体；

所述棱锥或圆锥的倾斜角度(α)≥20°；

所述基本单元的周期性长度(p)为50-300μm、厚度(t_s)为50-500μm，所述立体几何图形的缺口长度(l)为48-290μm、缺口深度(h)为25-250μm，所述立体几何图形的缺口长度(l)小于等于所述基本单元的周期性长度(p)，所述立体几何图形的缺口深度(h)小于所述基本单元的厚度(t_s)；

所述基本单元的材料是半导体；

所述半导体的生长取向为(100)、电阻率为0.01-0.8Ωcm；

所述半导体是磷掺杂的n型硅片或者硼掺杂的n型硅片。

2.根据权利要求1所述的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的基本单元，其特征在于，所述立体几何图形是四棱锥,四棱锥的缺口深度(h)是基本单元的厚度(t_s)的一半。

3.根据权利要求2所述的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的基本单元，其特征在于，所述基本单元的周期性长度(p)为200μm、厚度(t_s)为250μm，所述棱锥的缺口长度(l)为160μm、缺口深度(h)为160μm、倾斜角度(α)为54.74°。

4.一种硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器，其特征在于，包括如权利要求1至3任一所述的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的基本单元，所述基本单元呈周期性阵列排列，所述基本单元之间无缝连接。

5.一种如权利要求4所述的硅基等离子体超宽频带太赫兹波吸收器的制备方法，其特征在于，采用激光刻蚀工艺制备，步骤为：

(1)使用丙酮和异丙醇溶液洗涤半导体材料，然后脱水烘干；

(2)在干燥后的半导体材料上旋涂光刻胶并采用深反应离子刻蚀技术刻蚀太赫兹波吸收器的结构模型；

(3)将涂胶后的半导体材料和旋涂光刻胶的掩模在紫外线下进行曝光；

(4)将曝光后的胶层显影，然后烘干；

(5)使用氧等离子体清理刻蚀后的半导体材料上的聚合物残渣；上述过程均在真空环境下进行。