CN107146827A - 一种红外超材料吸收器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种红外超材料吸收器，所述超材料吸收器包括依次设置的基底、薄膜层、电介质层、共振圈结构层，所述共振圈结构层包括至少一个金属纳米环，所述金属纳米环的半径不大于2000nm，所述金属纳米环的宽度不大于100nm。能够应用于红外探测上，能够实现对不同红外波段双峰或多峰的吸收，可提高其吸收效率至98％以上。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测领域，具体涉及一种红外超材料吸收器及其制备方法。
背景技术
中远红外的吸收器可以用于制造红外探测器，在生物传感、热成像、医疗诊断方面具有广泛应用。传统的红外探测材料需要低温环境，不仅高成本，还牺牲了它们的便捷性；IV-VI族的探测器材料已经得到广泛研究，但它们的机械性能较差，介电常数大；III-V族的元素的材料已经有很成熟的技术，并可制成单片集成电路，但它们在形成异质外延时会形成晶格失配；量子点和量子阱也被应用在光探测器上，但常温下量子点弱吸收限制了其大规模应用。
人工超材料由于其具有如负折射率的独特性质，显示出在红外探测上的应用前景。人工超材料吸收器展现出了自然材料没有的优点，例如高吸收特性、共振频率可调性、易生产性、高品质，因此超材料探测器的优良性能日益凸显。虽然在太赫兹领域有了高速的发展，但大多数的超材料吸收器仍停留在单峰吸收上，与单边吸收器相比，双边吸收有很多的优势，比如更好的影像对比特性，更长的测距和在特定波段上更高的空间分辨率。但是，传统双边带探测器由于存在复杂的材料部件和表面结构，使它的信号响应效率很低。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种红外超材料吸收器及其制备方法，能够应用于红外探测上，能够实现对不同红外波段双峰或多峰的吸收，可提高其吸收效率至98％以上。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种红外超材料吸收器，所述超材料吸收器包括依次设置的基底、薄膜层、电介质层、共振圈结构层，所述共振圈结构层包括至少一个金属纳米环，所述金属纳米环的半径不大于2000nm，所述金属纳米环的宽度不大于100nm。
具体的，当金属纳米环的个数为1时，优选的，所述金属纳米环的半径为450nm或1050nm，所述金属纳米环的宽度为100nm。
优选的，所述共振圈结构层包括至少2个金属纳米环，每个所述金属纳米环的圆心重合，相邻所述金属纳米环的环距不小于100nm。
更为优选的，相邻所述金属纳米环的半径差值为300～600nm。
具体的，当金属纳米环的个数为2时，优选的，沿半径方向由内到外的第一金属纳米环的半径为450nm，第二金属纳米环半径为1050nm，所述第一金属纳米环和所述第二金属纳米环的宽度为100nm。
具体的，当金属纳米环的个数为3时，优选的，沿半径方向由内到外的第一金属纳米环的半径为450nm，第二金属纳米环的半径为750nm，所述第三金属纳米环的半径为1050nm，所述第一金属纳米环、所述第二金属纳米环、所述第三金属纳米环的宽度为100nm。
优选的，所述基底的材料为硅或砷化镓，所述薄膜层的材料为金、银、铜、铝中的任意一种。
更为优选的，所述基底的材料为p型掺杂硅、n型掺杂硅、未掺杂硅中的任意一种。
优选的，所述电介质层的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种。
优选的，所述金属纳米环的材料为金、银、铜、铝中的任意一种。
优选的，所述薄膜层的厚度不大于200nm。
优选的，所述电介质层的厚度不大于300nm。
优选的，所述金属纳米环的厚度为50～200nm。
本申请技术方案还提供一种红外超材料吸收器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)提供一基底，所述基底的材料为硅或砷化镓；
(2)在所述基底上生长薄膜层，所述薄膜层的材料为金、银、铜铝中的任意一种；
(3)在所述薄膜层上生长电介质层，所述电介质层的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种；
(4)在所述电介质层上形成共振圈结构层，所述共振圈结构层包括至少一个金属纳米环，所述金属纳米环的半径不大于2000nm，所述金属纳米环的宽度不大于100nm，所述金属纳米环的材料为金、银、铜、铝中的任意一种；
(5)封装后得到所述红外超材料吸收器成品。
优选的，所述薄膜层采用电子束蒸发或磁控溅射方法形成；所述电介质层采用电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积方法中的任意一种形成；所述金属纳米环采用深紫外光刻或电子束曝光方法形成。
优选的，所述薄膜层的厚度不大于200nm。
优选的，所述电介质层的厚度不大于300nm。
优选的，所述金属纳米环的厚度为50～200nm。
优选的，所述的封装后得到所述红外超材料吸收器成品具体为：通过连接外围电路，封装测试，制作成红外超材料吸收器成品。
另外，也可以连接外围的光电转换电路，制作成探测器。
在本申请技术方案中，所述的红外超材料吸收器，能够应用于红外探测上，通过共振圈结构层的金属纳米环的个数、不同的半径、金属纳米环的间距等，可以增加红外超材料吸收器的吸收峰数，从而增加其在用于红外探测时的分辨率、敏感度以及测距，同时通过调节以上不同参数制备出的红外超材料吸收器，能够实现对不同红外波段双峰或多峰的吸收，可提高其吸收效率至98％以上。
具体来说，所述超材料吸收器包括了基底、薄膜层、电介质层、共振圈结构层，其中，共振圈结构层包括了至少一个金属纳米环，金属纳米环的个数可以为1，2，3，4……，金属纳米环的半径不大于2000nm，宽度不大于100nm，当金属纳米环的个数大于1时，各金属纳米环的圆心重合，各金属纳米环的半径不同，且具有一定的环间距，通过调节金属纳米环的数量、半径的大小、环间距的大小，可以实现双峰或多峰的吸收，此外，通过增加多环，可以实现中远红外任意波长的全吸收。此外，通过调整不同的电介质层的材料，以调整电介质层的折射率或者是电介质常数，可使实现不同红外波段双峰或多峰的吸收，同时通过以上设置，可以提高红外超材料吸收器的吸收率。
因此，与现有技术相比，本申请所述技术方案的有益效果在于：
(1)通过环状的对称结构可降低材料对入射波偏振的敏感度，从而吸收任意偏振的红外电磁波。
(2)通过改变环状结构的环数，改变吸收的峰数，一个单元可实现多峰的吸收。
(3)通过改变环状大小及环间距可以改变吸收峰所处的波段，实现一个单元的可调节性。
(4)相对于现有的结构式吸收材料，本申请技术方案的吸收峰值发生在中和远红外波段。
(5)具有多个窄带频谱特性，在红外探测、红外成像以及热辐射器等领域具有广泛的应用前景。
(6)对于宽角度入射和不同偏振特性的红外电磁波都具有完美的吸收效果，易于很好的适应复杂的电磁环境。
(7)由于环状结构易于制作和排列，简化了工艺过程。
(8)由于环状结构的稳定性，可以适应一定的恶劣环境而其性能并不发生偏离。
附图说明
图1是本申请所述红外超材料吸收器的结构示意图，其中金属纳米环的个数为2；
图2是图1的俯视图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本申请所述的一种红外超材料吸收器，如图1、图2所示，包括依次设置的基底1、薄膜层2、电介质层3、共振圈结构层4，所述共振圈结构层4包括至少一个金属纳米环5，每个金属纳米环5的半径不大于2000nm，宽度不大于100nm，厚度为50～200nm，每个金属纳米环5的圆心重合，相邻金属纳米环5的半径差值不小于100nm。
其中，基底1的材料为硅或砷化镓，薄膜层2的材料为金、银、铜、铝中的任意一种，所述电介质层3的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种。
其中，所述薄膜层2的厚度不大于200nm，所述电介质层3的厚度不大于300nm。
其制备方法包括以下步骤：
(1)提供一基底1，所述基底1的材料为硅或砷化镓；
(2)在所述基底1上生长薄膜层2，所述薄膜层2的材料为金、银、铜铝中的任意一种，厚度不大于200nm，采用电子束蒸发或磁控溅射方法形成；
(3)在所述薄膜层2上生长电介质层3，所述电介质层3的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种，厚度不大于300nm，采用电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积方法中的任意一种形成；
(4)在所述电介质层3上形成共振圈结构层4，所述共振圈结构层4包括至少一个金属纳米环5，所述金属纳米环5的半径不大于2000nm，所述金属纳米环5的宽度不大于100nm，厚度为50～200nm，采用深紫外光刻或电子束曝光方法形成；
(5)封装后得到所述红外超材料吸收器成品。
为了验证本申请技术方案的技术效果，在上述具体实施方式要求的基础上，采用具体参数进行试验验证，得到以下具体实施例。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，包括依次设置的基底1、薄膜层2、电介质层3、共振圈结构层4，所述共振圈结构层4包括至少一个金属纳米环5。
其具体制备方法如下：
(1)提供一基底1，所述基底1的材料为硅或砷化镓；
(2)在所述基底1上生长薄膜层2，采用电子束蒸发或磁控溅射方法形成；
(3)在所述薄膜层2上生长电介质层3，采用电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积方法中的任意一种形成；
(4)在所述电介质层3上形成共振圈结构层4，所述共振圈结构层4包括至少一个金属纳米环5，采用深紫外光刻或电子束曝光方法形成图案，进一步形成图形；
(5)封装后得到所述红外超材料吸收器成品。
实施例2
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用p型掺杂硅为材料，薄膜层2采用金为材料，厚度为100nm；电介质层3采用氧化硅为材料，厚度为250nm；金属纳米环5的数量为1，采用金为材料，厚度为100nm，金属纳米环5的半径为450nm，宽度为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在中红外的4300nm附近的波的全吸收。
实施例3
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用n型掺杂硅为材料，薄膜层2采用银为材料，厚度为150nm；电介质层3采用氮化硅为材料，厚度为200nm；金属纳米环5的数量为1，采用银为材料，厚度为50nm，金属纳米环5的半径为450nm，宽度为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在4300nm(中红外)波段97.1％的吸收。
实施例4
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用未掺杂硅为材料，薄膜层5采用铜为材料，厚度为200nm；电介质层3采用氧化铝为材料，厚度为300nm；金属纳米环5的数量为1，采用铜为材料，厚度为200nm，金属纳米环5的半径为450nm，宽度为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在4300nm(中红外)波段97.3％的吸收。
实施例5
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用砷化镓为材料，薄膜层2采用铝为材料，厚度为100nm；电介质层3采用氟化镁为材料，厚度为250nm；金属纳米环5的数量为1，采用铝为材料，厚度为100nm，金属纳米环5的半径为450nm，宽度为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在4300nm(中红外)波段95.2％的吸收。
实施例6
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用未掺杂硅为材料，薄膜层2采用金为材料，厚度为100nm；电介质层3采用氧化硅为材料，厚度为250nm；金属纳米环5的数量为1，采用金为材料，厚度为100nm，金属纳米环5的半径为2000nm，宽度为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在4300nm(中红外)波段99.1％的吸收。
实施例7
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用未掺杂硅为材料，薄膜层2采用金为材料，厚度为100nm；电介质层3采用氧化硅为材料，厚度为250nm；金属纳米环5的数量为1，采用金为材料，厚度为100nm，金属纳米环5的半径为1050nm，宽度为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在9800nm(远红外)波段94.3％的吸收。
实施例8
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用未掺杂硅为材料，薄膜层2采用金为材料，厚度为100nm；电介质层3采用氧化硅为材料，厚度为250nm；金属纳米环5的数量为2，采用金为材料，厚度为100nm，沿半径方向由内到外的第一金属纳米环的半径为450nm，第二金属纳米环半径为1050nm，宽度均为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在中红外(4300nm)和远红外(9800nm)附近波的双边吸收，平均最大吸收效率为96.7％。
实施例9
根据实施例1，本实施例所述的一种红外超材料吸收器，基底1采用未掺杂硅为材料，薄膜层2采用金为材料，厚度为100nm；电介质层3采用氧化硅为材料，厚度为250nm；金属纳米环5的数量为2，采用金为材料，厚度为100nm，沿半径方向由内到外的第一金属纳米环的半径为450nm，第二金属纳米环半径为750nm，第三纳米环的半径为1050nm，宽度均为100nm；周期P为2400nm，采用实施例1所述的制备方法进行制备成为成品。通过此实施例，能实现在中红外(4300nm，6400nm)和远红外(9800nm)附近波的双边吸收，其平均最大吸收效率为94.5％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器包括依次设置的基底、薄膜层、电介质层、共振圈结构层，所述共振圈结构层包括至少一个金属纳米环，所述金属纳米环的半径不大于2000nm，所述金属纳米环的宽度不大于100nm。
2.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述共振圈结构层包括至少2个金属纳米环，每个所述金属纳米环的圆心重合，相邻所述金属纳米环的环距不小于100nm。
3.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述基底的材料为硅或砷化镓，所述薄膜层的材料为金、银、铜、铝中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述电介质层的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述金属纳米环的材料为金、银、铜、铝中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述薄膜层的厚度不大于200nm。
7.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述电介质层的厚度不大于300nm。
8.根据权利要求1所述的一种红外超材料吸收器，其特征在于：所述金属纳米环的厚度为50～200nm。
9.一种红外超材料吸收器的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
(1)提供一基底，所述基底的材料为硅或砷化镓；
(2)在所述基底上生长薄膜层，所述薄膜层的材料为金、银、铜铝中的任意一种；
(3)在所述薄膜层上生长电介质层，所述电介质层的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种；
(4)在所述电介质层上形成共振圈结构层，所述共振圈结构层包括至少一个金属纳米环，所述金属纳米环的半径不大于2000nm，所述金属纳米环的宽度不大于100nm，所述金属纳米环的材料为金、银、铜、铝中的任意一种；
(5)封装后得到所述红外超材料吸收器成品。
10.根据权利要求9所述的一种红外超材料吸收器的制备方法，其特征在于：所述薄膜层采用电子束蒸发或磁控溅射方法形成；所述电介质层采用电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积方法中的任意一种形成；所述金属纳米环采用深紫外光刻或电子束曝光方法形成。
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