CN108539432B

CN108539432B - 一种太赫兹吸波器件、吸波单元及其制造方法

Info

Publication number: CN108539432B
Application number: CN201810257970.8A
Authority: CN
Inventors: 亓丽梅; 李永龙; 陈智娇; 姚远; 俞俊生
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: CN108539432A

Abstract

本发明公开了一种太赫兹吸波器件、吸波单元及其制造方法，所述吸波单元包括：自上而下的金属谐振结构、介质层和底部金属层，其中，所述金属谐振结构中包括多个呈中心对称方式排布的金属贴片；其中，所述金属贴片中包括多个长度不等的齿槽。应用本发明可以展宽吸收带宽，同时具有结构紧凑、加工容易的优点，且针对相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波也具有良好的吸收率。

Description

一种太赫兹吸波器件、吸波单元及其制造方法

技术领域

本发明涉及电磁波探测技术领域，特别是指一种太赫兹吸波器件、吸波单元及其制造方法。

背景技术

太赫兹(THz)波通常是指频率在0.3～3THz(或波长在0.1～1mm)的电磁波，在生物医学成像、安全检查、产品检测、空间通信和武器制导等领域都具有重要的研究价值和应用前景。但由于常规材料很难在太赫兹波段发生电磁响应，特别是磁响应，太赫兹波段范围内的电磁器件的研究较少。

1968年，俄国科学家V.G.Veselago提出了超材料理论，指出通过合理设计可以获得介电常数和磁导率都可以是负数的超材料，该材料表现出常规材料不具备的电磁特性。2000年，美国科学家D.R.Smith从实验上证实超材料的存在。

2008年，N.I.Landy等人首次在微波波段通过验证了超材料吸波器的吸收特性，发现其在11.6GHz实现了完美吸收。N.I.Landy的这一成果给太赫兹吸波器带来了新的研究方向，使越来越多关于超材料的吸波结构不断涌现，并逐渐向高频段，如太赫兹和光波段发展。超材料吸波结构通常是由金属板-介质-金属贴片构成的“三明治”模型。在该模型中，上层的金属贴片一般主要引起电谐振，底层金属板结构用来减少电磁波的透射。上下层两层金属结构的耦合可以引起磁谐振，中间介质层主要负责消耗电磁波能量，将入射的电磁波转化为热能。

超材料的吸收特性可以用阻抗匹配理论来解释。当电磁波从吸波器上层入射时，在上层金属贴片处会发生界面的反射和透射，假设反射率为R。透射部分的电磁波，穿过介质层经由底部金属层透射这一过程中电磁波的传输率(或称透射率)为T。吸波结构的吸收率为A，则它与反射率R和透射率T之间的关系表示为:A＝1-T-R。

其中，R＝|S₁₁|²,T＝|S₂₁|²，S₁₁和S₂₁分别为反射系数和传输系数，因此，上式也可以写成：A＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²。

当底部金属结构的厚度大于该金属的趋肤深度时，电磁波透射会大大减少，接近于0，所以，对于“三明治结构”模型的吸波器而言，如果底部镀的金属层厚度大于其趋肤深度，传输率T可以忽略不计。当阻抗匹配满足时，吸收率近似为1，吸波器将达到完美吸收的效果。

在太赫兹频段，基于超材料吸波器的带宽往往较窄。通过将多个不同结构的金属谐振单元叠加可以展宽吸收带，但这样的结构通常不够紧凑；另一方面，通过将多个金属谐振单元放不同层构成金属层1+介质1+金属贴片1+介质2+金属贴片2或更多，利用多层结构进行频率叠加，也可以形成宽带吸波，但是这种多层结构使得加工难度增大。

发明内容

本发明提出了一种太赫兹吸波器件、吸波单元及其制造方法，既可以展宽吸收带宽，同时具有结构紧凑、加工容易的优点，且针对相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波也具有良好的吸收性能。

基于上述目的，本发明提供一种吸波单元，包括：自上而下的金属谐振结构、介质层和底部金属层，其特征在于，

所述金属谐振结构中包括多个呈中心对称方式排布的金属贴片；

其中，所述金属贴片中包括多个长度不等的齿槽。

其中，所述金属谐振结构的平面为方形；以及

所述金属贴片为方形，所述金属谐振结构中包括的金属贴片为4个。

较佳地，所述方形的金属贴片在朝向对称中心的角为圆弧内倒角；以及

所述呈中心对称方式排布的4个金属贴片的圆弧内倒角构成一个圆，该圆的圆心为所述对称中心，该圆的半径为29um。

较佳地，所述金属贴片中的齿槽为4个。

较佳地，所述4个齿槽的长度分别为36um，24um，16um，10um，相邻齿槽之间的间隙为6um，每个齿槽的宽度为5um。

本发明还提供一种太赫兹吸波器件，为周期结构，包括：n×n个如权利要求1-8任一所述的吸波单元；其中，n为自然数。

较佳地，n不小于21。

本发明还提供一种吸波单元的制造方法，包括：

在基底材料上镀上底部金属层；

在所述底部金属层上镀上介质层；

在所述介质层上镀上顶部金属层；

采用光刻或电子束曝光技术刻蚀所述顶部金属层，形成如上所述的吸波单元中的金属谐振结构。

本发明的技术方案中，吸波单元包括自上而下的金属谐振结构、介质层和底部金属层，其中，所述金属谐振结构中包括多个呈中心对称方式排布的金属贴片；而所述金属贴片中包括多个长度不等的齿槽。采用具有多个长度不等的齿槽的金属贴片，可以达到多吸收峰叠加，从而展宽吸收带宽的要求，且结构紧凑，易于加工；而多个呈中心对称方式排布的金属贴片则可以对相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波起到谐振叠加作用，从而使本发明的吸波单元相比于现有技术的吸波单元，对于相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波具有更好的吸收率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种吸波器一个周期单元，即吸波单元的制造方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种吸波单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种吸波单元的金属谐振结构层俯视图；

图4为本发明实施例提供的金属谐振结构层中的金属贴片俯视图；

图5为本发明实施例提供的吸波单元在TE(电场沿x方向)或TM(电场沿y方向)极化波垂直入射时的吸收率曲线；

图6a、6b分别为本发明实施例提供的吸波单元的吸收率随介质厚度变化时的吸收曲线图和二维分布图；

图7a、7b分别为本发明实施例提供的吸波单元吸收率随金属贴片的长度ly变化时的曲线图和二维分布图；

图8a、8b分别为本发明实施例提供的吸波单元吸收率随金属贴片的长度lx变化时的曲线图和二维分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明的技术方案的吸波单元，包括自上而下的金属谐振结构、介质层和底部金属层，其中，所述金属谐振结构中包括多个呈中心对称方式排布的金属贴片；而所述金属贴片中包括多个长度不等的齿槽。采用具有多个长度不等的齿槽的金属贴片，可以达到多吸收峰叠加，从而展宽吸收带宽的要求，且结构紧凑，易于加工；而多个呈中心对称方式排布的金属贴片则可以对相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波起到聚集作用，从而使得本发明的吸波单元相比于现有技术的吸波单元，对于相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波具有更高更宽的吸收率。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。

本发明实施例提供的一种吸波单元的制造方法，流程如图1所示，包括如下步骤：

S101：在基底材料上镀上底部金属层。

具体地，可以将一定厚度的底部金属层镀在基底材料，如硅、石英或蓝宝石等上面。底部金属层的材料可以是金、银、铜、铝、钛等金属，其厚度通常大于电磁波在该金属中的趋肤深度。比如，在基底材料上镀的底部金属层为铝，则底部金属层的厚度t可以大于等于200nm。

整个底部金属层为金属平铺结构，其目的是减少电磁波在吸波器中的传输系数，并且可以和顶层的金属谐振结构耦合产生磁谐振。

S102：在底部金属层上镀上介质层。

具体地，在底部金属层上镀上介质层，介质层的介质材料可选取有机高分子聚合薄膜材料。例如，选取的介质材料的介电常数为3，损耗角正切为0.06。介质层的厚度取h＝10.2um。

S103：在所述介质层上镀上顶部金属层。

具体地，在介质层上再镀上顶部金属层，顶部金属层的材料可以与底部金属层的材料相同或不同，可以是金、银、铜、铝、钛等金属。例如，顶部金属层可以采用金属铝，顶部金属层厚度与底部金属层相同为t，为200nm。

S104：采用光刻或电子束曝光技术刻蚀所述顶部金属层，形成金属谐振结构。

在通过步骤S104采用光刻或电子束曝光技术刻蚀所述顶部金属层，形成金属谐振结构后，从而在基底材料上形成本发明实施例的一种吸波单元，结构如图2所示，包括：自上而下的金属谐振结构201、介质层202和底部金属层203。

其中，所述金属谐振结构201中包括多个呈中心对称方式排布的金属贴片211；也就是说，有多个金属贴片围绕着对称中心，呈中心对称方式排布，即其中一个金属贴片围绕对称中心旋转180度后，将与其对端的金属贴片重合。

其中，所述金属贴片211中包括多个长度不等的齿槽。

底部金属层203的材料可以是金、银、铜、铝、钛等金属，其厚度通常大于电磁波在该金属中的趋肤深度。比如，在基底材料上镀的底部金属层为铝，则底部金属层的厚度可以大于等于200nm。

介质层202的介质材料可选取有机高分子聚合薄膜材料。例如，本发明实施例中选取介质材料的介电常数为3，损耗角正切为0.06。介质层的厚度取h＝10.2um。

金属谐振结构201的材料可以与底部金属层的材料相同或不同，可以是金、银、铜、铝、钛等金属。例如，顶部金属层可以采用金属铝，厚度为200nm。

一种较优的实施方式，如图3所示，金属谐振结构201的平面可以为方形，在与金属谐振结构201平面相平行的xy平面上，金属谐振结构201相邻的两个侧边分别与xy平面的x轴、y轴平行。

金属谐振结构201中包括的金属贴片211为4个，金属贴片211为方形。所述呈中心对称方式排布的4个金属贴片中，相邻的两个金属贴片互为对称结构。方形的金属贴片211在朝向对称中心的角为圆弧内倒角；以及所述呈中心对称方式排布的4个金属贴片的圆弧内倒角构成一个圆，该圆的圆心即为所述对称中心，该圆的半径R为29um。金属贴片到介质层202上表面的高度为200nm。

为了达到多吸收峰叠加，从而展宽吸收带宽的要求，金属贴片211中每个齿槽的长度不同，整体看起来像一把梳子。例如，如图4所示，金属贴片211中的齿槽具体可以是4个；其中，4个齿槽的长度L1、L2、L3、L4分别为36um，24um，16um，10um。齿槽的深度为200nm。

相邻齿槽之间为锯齿，相邻齿槽之间的间隙即为锯齿宽度，可以是6um；齿槽的宽度即为相邻锯齿间的间隙g，可以是5um。

金属贴片211中的齿槽与金属谐振结构201平面的侧边相平行，且齿槽长至短，从所述金属谐振结构201的外侧向内侧依次排布。所述金属贴片211的长度，即x轴方向的长度lx＝50um；所述金属贴片211的宽度，即y轴方向的长度ly＝42.5um。

本发明实施例提供的一种太赫兹吸波器件，为周期结构，包括n×n个上述的吸波单元；其中，n为自然数；较佳地，n不小于21。所有吸波单元结构均相同，且在xy平面上沿同一个方向周期排列；每个吸波单元的长度在几微米至几百微米量级范围；本发明实例中的模型周期取p＝108um。

当电磁波垂直入射到本发明的吸波单元的金属谐振结构表面后，其透射率为T，反射率为R，吸收率为A＝1-T-R。图5给出了TE或TM极化波垂直入射时吸波器的吸收率曲线。从图5可以看出在入射波频率为3.55THz到5.21THz的范围内，吸波器的吸收率保持在80％以上，达到了良好的宽带吸收效果。

图6a给出了TE极化波入射下，改变吸波单元的介质层厚度h时，吸收率随频率变化的曲线图。从图6a和6b可以看到随着厚度h的增加，吸收频带越来越窄，而且厚度h过小或者过大其吸收率都变差，当厚度h越接近10.2um时，吸收率最好。这一结果说明该吸波结构的吸收性能对介质的厚度比较敏感，原因是该吸波结构的宽带吸收依赖于底部金属层和顶部金属谐振结构在入射电磁波作用下的引起的磁耦合，而介质厚度恰恰会对磁耦合产生影响。

图7a、7b是TE极化波入射下，改变单个金属贴片y轴方向长度ly的情况下，吸波器的吸收率随频率变化的曲线和二维图。从图中可以看到，随着ly的增加，入射波在3.55THz～5.21THz的范围内对应的五个吸收峰呈现此消彼长的状态，但总体吸收率都比较高。

图8a、8b是改变金属贴片x轴方向长度lx时，吸收率随频率变化的曲线和二维图。可以看到，在给定的范围内，当lx越大，其对应的吸收率越好。由此可见，吸波器的吸收率对金属贴片尺寸x轴方向的长度变化比较敏感，而对y轴方向的长度变化不敏感。

本发明的技术方案中，吸波单元包括自上而下的金属谐振结构、介质层和底部金属层，其中，所述金属谐振结构中包括多个呈中心对称方式排布的金属贴片；而所述金属贴片中包括多个长度不等的齿槽。采用具有多个长度不等的齿槽的金属贴片，可以达到多吸收峰叠加，从而展宽吸收带宽的要求，且结构紧凑，易于加工；而多个呈中心对称方式排布的金属贴片则可以对相邻吸收峰所对应的频率之间的电磁波起到聚集作用，从而使得本发明的吸波单元相具有更好的吸收率。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种吸波单元，包括：自上而下的金属谐振结构、介质层和底部金属层，其特征在于，

所述金属谐振结构中包括4个呈中心对称方式排布的方形金属贴片；

其中，所述金属贴片中包括多个长度不等、开口朝向所述金属谐振结构的外侧的齿槽；所述齿槽与所述金属谐振结构平面的侧边相平行，且齿槽由长至短，从所述金属谐振结构的外侧向内侧依次排布；

其中，所述金属谐振结构的平面为方形。

2.根据权利要求1所述的吸波单元，其特征在于，所述方形的金属贴片在朝向对称中心的角为圆弧内倒角；以及

3.根据权利要求1所述的吸波单元，其特征在于，所述金属贴片中的齿槽为4个。

4.根据权利要求3所述的吸波单元，其特征在于，所述4个齿槽的长度分别为36um，24um，16um，10um，相邻齿槽之间的间隙为6um，每个齿槽的宽度为5um。

5.根据权利要求3所述的吸波单元，其特征在于，所述金属贴片的长度和宽度分别50um和42.5um。

6.根据权利要求1-5任一所述的吸波单元，其特征在于，所述金属谐振结构和底部金属层的厚度200nm，所述介质层厚度为10.2um。

7.一种太赫兹吸波器件，为周期结构，其特征在于，包括n×n个如权利要求1-6任一所述的吸波单元；其中，n为自然数。

8.根据权利要求7所述的太赫兹吸波器件，其特征在于，n不小于21。

9.一种吸波单元的制造方法，包括：

在基底材料上镀上底部金属层；

在所述底部金属层上镀上介质层；

在所述介质层上镀上顶部金属层；

采用光刻或电子束曝光技术刻蚀所述顶部金属层，形成如权利要求1-6任一所述的吸波单元中的金属谐振结构。