CN107275796A - 一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用，该太赫兹吸波体包括从上至下依次排列的天线阵列、介质层以及金属层，天线阵列包括多个呈阵列排布的天线单元，天线单元包括四个呈旋转对称的天线结构，天线结构呈未封闭的凹字形结构，天线结构开口位于凹字形左侧；介质层厚度为使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π，由于天线结构呈未封闭的凹字形结构，能够在天线结构所占据面积小情况下增加天线结构的有效长度，实现对太赫兹波段光吸收，介质层厚度使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相消，进而提高太赫兹吸波体的吸收率。

Description

一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用

技术领域

本发明属于太赫兹波吸收体领域，更具体地，涉及一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用。

背景技术

THz波(太赫兹波)或称为THz射线(太赫兹射线)是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将此统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03mm到3mm范围，介于微波与红外之间。

超表面是人工制造的具有亚波长量级尺寸的周期单元结构，其周期长度一般小于入射波长，它与电磁波互相作用时将在金属表面发生等离子体谐振效应，吸收峰通常出现在谐振频率附近，一般可以通过调整超表面的几何结构参数与材料性质对吸收峰进行调控，其高度的人工可操作性与广泛的应用前景受到各国研究人员的关注。

近年来,研究人员在等离激元光学天线以及能量的吸收过程方面进行了大量的研究。由于太赫兹波的独特性能，使其在宽带通信、雷达电子对抗、太赫兹成像、无损检测、安防等领域展现出了巨大的潜力，因此基于电磁超表面光学天线的太赫兹吸收体,引起了人们极大的兴趣。

过去几年里,大量的纳米结构被应用到红外吸收体的设计上。但是这些结构多数对入射光的入射角和偏振态敏感，吸收效率不高，同时制备工艺困难。其次，当天线为亚波长尺寸时，经典的基于十字天线、圆盘阵列天线的红外吸波体，其选择吸收波长大多在近红外、中红外波段，而在太赫兹波段吸收率不佳。要想实现在太赫兹波段的全吸收，必须增大十字、圆盘天线结构尺寸，失去了微纳结构的优势。

此外，传统的红外气体传感器根据NDIR的原理，红外光源发出红外辐射，经过充满待测气体的气室，红外辐射波经过气室与待测气体充分吸收后，经过一个滤光片的滤波，目的是把待测气体特征吸收峰之外的红外能量滤除，即实现选择性吸收，只留下可以反映光谱光强变化的那部分能量，再被红外探测器接收，实现探测目的。但是这种探测系统，如图5所示，多是采用分离光学元器件的方式，光学加工要求高，器件不易于进一步集成，成本高，封装技术难度大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用，旨在解决由于阵列天线结构使现有太赫兹吸波体的尺寸无法兼顾小尺寸和高吸收率的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹波吸波体，包括：

从上至下依次排列的天线阵列、介质层以及金属层，

天线阵列包括多个呈阵列排布的天线单元，天线单元包括四个呈旋转对称的天线结构，天线结构呈未封闭的凹字形结构，天线结构开口位于凹字形左侧；能够增加天线结构的有效长度，实现对太赫兹波段光吸收；

介质层厚度为使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π。

上述太赫兹吸波体中，由于天线结构呈未封闭的凹字形结构，能够在天线结构所占据面积小情况下增加天线结构的有效长度，实现对太赫兹波段光吸收。介质层厚度为使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π，实现经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相消，由太赫兹吸波体反射光强度变弱，提高太赫兹吸波体的吸收率。

优选地，通过增加天线结构的凹陷深度增大太赫兹吸波体中心吸收波长的值。

优选地，通过减少天线阵列的厚度增大太赫兹吸波体吸收光谱宽度。

本发明提供了一种太赫兹吸波体的制备方法，包括如下步骤：

S1在衬底上附着金属层获得第一中间产物；

S2在第一中间产物上附着介质层获得第二中间产物；

S3通过图形转移方法在第二中间产物上附着具有天线阵列反结构的曝光胶层，获得第三中间产物；

S4通过在第三中间产物的曝光胶层上附着有金属层获得第四中间产物；

S5对第四中间产物采用湿化学法去除曝光，获得所述太赫兹波全体吸收体。

优选地，步骤S3中通过如下步骤获得第三中间产物：

S31在第二中间产物的介质层上旋涂曝光胶层；

S32对曝光胶层依次进行曝光处理、显影处理以及定影处理，获得具有天线阵列反结构的曝光胶层；

S33在具有天线阵列反结构的曝光胶层表面附着金属层获得第四中间产物。

优选地，步骤S1和步骤S4中采用电子束蒸发或磁控溅射实现金属层附着。

优选地，步骤S2中采用磁控溅射或化学气相沉积实现介质层附着。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得如下有益效果：

1、本发明提供的太赫兹吸波体中天线结构为呈未封闭凹字形，能够使天线结构所包围面积小的情况下增大天线结构的有效长度，实现太赫兹波段电磁波吸收。

2、由于使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π，实现经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光干涉相消，由太赫兹吸波体反射光强度变弱，提高太赫兹吸波体的吸收率。

附图说明

图1为本发明提供的太赫兹吸波体的三维结构示意图；

图2为本发明提供的太赫兹吸波体中天线单元的结构示意图；

图3为本发明提供的不同硅介质层厚度对太赫兹波吸收体吸收率影响的效果示意图；

图4为在相同参数不同天线结构情况下太赫兹吸波体的吸收谱；

图5为本发明提供的红外探测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的太赫兹吸波体的三维结构示意图，太赫兹吸波体包括从上至下排列的衬底11、金属层12、介质层13以及天线阵列14，天线阵列14包括多个呈阵列排布的天线单元，天线单元包括四个呈旋转对称的天线结构，天线结构为呈未封闭凹字形结构，可以在小面积内增大天线结构的有效长度，进而实现在亚波长尺寸实现太赫兹波的吸收。

本发明提供的太赫兹全吸收中，介质层13的厚度使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π，实现经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相消，由太赫兹吸波体反射光强度变弱，提高太赫兹吸波体的吸收率。

图2为本发明提供的太赫兹吸波体中天线单元的结构示意图，其中，天线单元的天线单元周期为天线结构所覆盖正方形区域的边长，天线单元中天线结构呈凹字形结构，凹字形结构的凹陷深度标记为第三长度d3，凹字形结构的凹陷宽度标记为第二长度d2，凹字形结构凹陷部分距离天线单元中心较近的端点到天线单元中心的距离标记为第一长度d1。

本发明提供的太赫兹吸波体的实施例中，衬底11的材料为硅，金属层12的材料为金，介质层13的材料为硅，天线阵列14材料为金，天线阵列的周期L为30微米，天线高度为50微米，第一长度d1和第二长度d2均为2微米，第三长度d3为7微米，让介质层13的厚度依次为5微米、10微米、15微米、20微米、25微米，进行仿真分析后得到太赫兹吸波体的吸收谱如图3所示，由图3可知，当介质层厚度大于15微米时，中心波长上吸收率大于0.7，当介质层厚度为25微米时，中心波长吸收率大于0.9，实现较好的吸收，即当介质层厚度在25微米左右时，可以实现经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π，进而提高太赫兹吸波体的吸收率。

本发明提供的太赫兹吸波体的实施例中，衬底11的材料为硅，金属层12的材料为金，介质层13的材料为硅，天线阵列14材料为金，天线阵列的周期L为30微米，天线高度为50微米，第一长度d1和第二长度d2均为2微米，介质层厚度为25微米，第三长度d3为在3微米到9微米之间变化，并进行仿真分析，可以得出，当第三长度d3增大时，天线结构的有效长度增加明显，吸收峰向长波长方向移动。更具体为，当第三长度d3为3微米时，吸收峰处的波长为420微米；当第三长度d3为7微米到9微米之间时，吸收峰处波长均为450微米。从上述实施例中可以得出，太赫兹吸波体的吸收波长为450微米，天线阵列中天线单元的尺寸为30微米，为中心吸收波长的十五分之一，实现亚波长下太赫兹波的吸收。

本发明提供的太赫兹吸波体的实施例中，衬底11的材料为硅，金属层12的材料为金，介质层13的材料为硅，天线阵列14材料为金，天线阵列的周期L为30微米，天线高度为50微米，第三长度d3为7微米，介质层厚度25微米，改变第一长度d1和第二长度d2的值，其中，第一长度d1的范围为0.5微米到2微米，第二长度d2的范围为0.5微米到3微米，进行数值模拟，可知改变第一长度和第二长度大小并未对太赫兹全吸波体吸收峰有影响，吸收峰波长仍在450微米。

本发明提供的太赫兹吸波体的实施例中，衬底11的材料为硅，金属层12的材料为金，介质层13的材料为硅，天线阵列14材料为金，天线阵列的周期L为30微米，第一长度d1和第二长度d2均为2微米，第三长度d3为7微米，介质层厚度25微米，让天线高度在50微米到150微米之间变化，进行数值模拟，可知改变第一长度和第二长度大小并未对太赫兹全吸波体吸收峰有影响，吸收峰波长仍在450微米。天线高度影响吸收峰的半高全宽，随着天线高度的增大，半高全宽越小。所以为了在THz波段能有更多的吸收，应该选择更大的吸收谱范围，即更小的天线高度50nm。

本发明提供的对比实施例参数如下表所示：

实施例	天线阵列结构	天线阵列周期	介质层厚度	天线阵列厚度
					1	未封闭凹字形结构	30微米	25微米	50微米
2	圆盘天线结构	30微米	25微米	50微米
					3	十字天线结构	30微米	25微米	50微米

图4为在相同参数不同天线结构情况下太赫兹吸波体的吸收谱，其中，曲线1为未封闭凹字形结构天线阵列的吸收谱，曲线2为圆盘天线结构天线阵列的吸收谱，曲线3为十字天线结构天线阵列的吸收谱，由图4可知，不同的阵列结构，对太赫兹波的吸收率对比明显，采用本发明提出未封闭凹字形结构，吸收率达到90％以上，而十字天线结构其吸收率不足15％，圆盘天线阵列结构不足10％。可见，本发明提出未封闭凹字形结构相比传统的电磁吸波体在太赫兹波段具有明显优势。

本发明提出的太赫兹波吸波体制作方法包括如下步骤：

S1选取单晶硅衬底11，本实施中选取普通商用单晶硅片。第一步用丙酮溶液超声波清洁3分钟；第二步用无水乙醇溶液超声波清洁3分钟；最后在去离子水中用超声波清洁2分钟，将表面清洗干净以便于后续蒸镀。接着，用电子束蒸发镀膜机在洁净的衬底表明蒸镀100nm厚的金，获得第一中间产物。

S2再用磁控溅射方法或化学气相沉积方法在第一中间产物的金膜上生长一层25厚的硅介质层。

S3设计天线阵列，并制成版图。先在衬底上均匀旋涂一层PMMA曝光胶，旋涂时间60秒，匀胶机转速2000转/分钟，旋涂PMMA胶的厚度约为400nm。获得第五中间产物，接着，在170℃下烘烤3.5分钟。再使用电子束曝光设备将版图的图案转移至已经旋涂PMMA曝光胶的第五中间产物上，曝光电流3nA。通过化学显影方式，对已曝光的PMMA胶进行显影，定影，获得第三中间产物。

S4然后以第三中间产物上PMMA胶作为掩膜进行电子束蒸发镀膜，蒸镀一层50nm厚的金，获得第四中间产物。

S5通过化学方法去掉PMMA胶，获得太赫兹波吸波体。

本发明提供的太赫兹波吸波体使用呈未封闭凹字形结构天线阵列作为主要结构，不仅制备工艺简单、成本低，而且对入射光的偏振态和入射角不敏感。同时呈未封闭凹字形结构天线阵列具有窄带滤波特性，用于替代滤波片，便于集成化应用。

本发明提供的太赫兹波吸波体可与红外探测器结合，形成太赫兹波段的探测器，具体为太赫兹波吸波体中金属层12与红外探测器接触，由太赫兹波吸波体吸收太赫兹波段激光，并将太赫兹波段激光转化为热信号，热信号中携带太赫兹波段激光的强度，热信号由红外探测器转化为其他易于测量信号，实现太赫兹波段激光的测量。

图5为本发明提供的太赫兹波探测系统的结构示意图，该红外探测装置包括光源4，气室3，太赫兹波探测装置，太赫兹波探测装置由太赫兹吸波体1和主体结构2构成，太赫兹吸波体1起到对入射激光进行筛选获得太赫兹波段激光，并将太赫兹波段激光转化为热信号，主体结构2将热信号转化为其他易于检测的热信号，当光源4发射太赫兹波段激光射入气室后，由于气室内气体浓度不同，对太赫兹波段激光吸收率不同，经过气体吸收后的太赫兹波段激光进入太赫兹波探测器装置，经由太赫兹波探测器装置将太赫兹波段激光强度转化为其他可以测量信号，实现对气体浓度的测量。

本发明提供的太赫兹波吸波体可以替代传统的光学器件如滤光片，应用于太赫兹探测成像等领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波吸波体，其特征在于，包括：

从上至下依次排列的天线阵列(4)、介质层(3)以及金属层(2)，

所述天线阵列(4)包括多个呈阵列排布的天线单元，所述天线单元包括四个呈旋转对称的天线结构，所述天线结构呈未封闭的凹字形结构，所述天线结构开口位于凹字形左侧；未封闭的凹字形结构能够增加所述天线结构的有效长度，实现对太赫兹波段光吸收；

所述介质层(3)厚度为使经过天线阵列反射的反射光和经过金属层反射的反射光相位相差π。

2.如权利要求1所述的太赫兹波吸波体,其特征在于，通过增加所述天线结构的凹陷深度增大所述太赫兹吸波体中心吸收波长的值。

3.如权利要求1或2所述的太赫兹波吸波体,其特征在于，通过减少天线阵列的厚度增大太赫兹吸波体吸收光谱宽度。

4.一种基于权利要求1所述的太赫兹吸波体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1在衬底上附着金属层获得第一中间产物；

S2在所述第一中间产物上附着介质层获得第二中间产物；

S3通过图形转移方法在所述第二中间产物上附着具有天线阵列反结构的曝光胶层，获得第三中间产物；

S4通过在第三中间产物的曝光胶层上附着所述金属层获得第四中间产物；

S5对所述第四中间产物采用湿化学法去除曝光，获得所述太赫兹波吸波体。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中通过如下步骤获得所述第三中间产物：

S31在所述第二中间产物的介质层上旋涂曝光胶层；

S32对所述曝光胶层依次进行曝光处理、显影处理以及定影处理，获得具有所述天线阵列反结构的曝光胶层；

S33在所述具有天线阵列反结构的曝光胶层表面附着金属层获得第四中间产物。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中采用电子束蒸发或磁控溅射实现金属层附着。

7.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中采用磁控溅射或化学气相沉积实现介质层附着。

8.一种基于权利要求1所述的太赫兹波吸波体的应用。