CN108565558B - 一种双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料，其超材料是由两个方向相反的凹型结构重复获得，在介质中和介质层上设置有对称排列的两层凹型结构的金属层；每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；以超材料每层的几何中心为原点，中心对称的两个相反凹形金属结构；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为3μm～10μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为15μm～30μm。本发明采用“介质‑金属‑介质‑金属”结构，在太赫兹波段下明显观测到优秀的环偶极子时，其Q>7.5，对于太赫兹波段的理论研究和实验测试具有重要意义。

Description

一种双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料
技术领域
本发明是一种双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料，采用“介质-金属-介质-金属”结构的环偶极子超材料，能够有效增强正面入射强度，其Q值也可以达到7.5左右，利用环偶极子在太赫兹频段的电磁性能，可用于制备太赫兹传感器、调频器、滤波器等太赫兹器件。
背景技术
太赫兹(THz)波是位于微波和远红外之间的电磁波。太赫兹波是从上世纪80年代被正式命名的，随着新材料、新技术的发展在上世纪90年代太赫兹发射源和探测器取得了一系列突破，因此在国际范围内掀起了一股太赫兹研究的热潮。太赫兹在宽带通信、电子检测、无损伤探测、天文学与以及安全检查等领域有着广泛的应用。环偶极子作为第三类辐射源，在自然界中普遍存在，但是却难以观测。1957年Zel’dovich I B首次提出了磁环偶极子，因为其所具有的独特性质极大的吸引了广大学者的注意力。2007年Marinov K等人首次在理论上设计了可观测磁偶极子的超材料，由此开始，超材料成为研究环偶极子的主要材料，但并未制备超材料，无法直接验证理论正确性。通过对超材料中的环偶极子的研究也验证了许多在其他波段成立的物理特性，如：圆二色性以及旋光性等。2015年Basharin A A等人首次设计出了工作在太赫兹波段的可以观测到环偶极子的超材料，预测了环偶极子超材料在太赫兹频段具有广阔的应用前景。然而Basharin A A等人设计的超材料是由金属圆柱构成，主要为介质材料，限制了其应用范围，而在本设计中基底采用柔性材料聚酰亚胺，因此本设计中的超材料具有很高的现实意义和十分广阔的应用范围。
发明内容
本发明采用“介质-金属-介质-金属”结构的太赫兹环偶极子超材料，此种材料的介质可以用聚酰亚胺Polyimide，具有Q值高，谐振频率可调节等优良的性能指标。
本发明的技术方案如下：
一种双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料，其超材料是由两个方向相反的凹型结构重复获得，在介质中和介质层上设置有对称排列的两层凹型结构的金属层；每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；以超材料每层的几何中心为原点，中心对称的两个相反凹形金属结构均相距-5μm～30μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为150μm～155μm和77μm～83μm，凹形结构内部的长和宽范围分别为92μm～132μm和68μm～51.5μm；厚度为0.2μm～0.6μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为3μm～10μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为15μm～30μm。
优选条件是：以超材料每层的几何中心为原点，中心对称的两个相反凹形金属结构均相距0μm～20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为151μm～153μm和79μm～81μm，凹形结构内部的长和宽范围分别为100μm～128μm和67.5μm～54.5μm；厚度为0.3μm～0.5μm；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为4μm～8μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为18μm～27μm。
本发明的双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料的制备方法；采用“介质-金属-介质-金属”的光刻法和真空热蒸镀法；包括如下步骤：
(1)第一层Polyimide介质制备：使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化；获得第一介质层；
(2)第一层金属制备：将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上预烘烤；然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准；样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光；再将样品放入烤箱中烘烤，使光刻胶进行化学反应，以使曝光的图形均匀化；将烘烤后的样品置于显影液中显影，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中烘烤，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形；用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜；无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成金属图形阵列；此时获得的第一金属层是正反两个凹形金属交替排列的、多排的金属结构；所有正反的有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层位置对准一致，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，获得获得第二介质层；
(4)第二层金属制备：甩胶机将光刻胶甩到制备的第二介质层上，完成与步骤(2)一致的工艺步骤；获得与第一金属层一致的金属结构。
所述亚胺化工艺条件优选为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至90～110℃，保持25～35min；加热至190～210℃，保持25～35min；加热至290～310℃，保持25～35min；最后，加热至330～365℃，并保持50～90min。
优选甩胶机以2500～3500rpm的速度转15～45秒。
优选样品放入真空热板上在110～120℃下加热3～8min。
优选样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒。
优选样品放入烤箱中在110～120℃下烘烤3～8min。
优选样品置于显影液中直至显影清晰。
优选蒸镀的真空环境要高于4×10-5mB，蒸镀速率约7～15nm/s。
本发明采用8-F THz-TDS测量得到该超材料在太赫兹波段下的电磁特性。
本发明与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点和显著优点：
1.采用“介质-金属-介质-金属”结构，并且结构简单容易制备。
2.在太赫兹波段下可以明显观测到优秀的环偶极子时，其Q>7.5，对于太赫兹波段的理论研究和实验测试具有重要意义。
附图说明
图1：为环偶极子超材料结构的第一介质层；s：第一介质层厚度；a：介质长度；b：介质宽度；
图2：为环偶极子超材料结构的第二介质层；t：第二介质层厚度；；a：介质长度；b：介质宽度；
图3：为环偶极子超材料结构的第一金属层；lx：凹形金属外部长边长；ly：凹金属外短边长；w：凹形金属条宽度；g：同一两个凹形金属的距离；thm：凹形金属厚度。
图4：为环偶极子超材料结构的第二金属层；lx：凹形金属外部长边长；ly：凹金属外部短边长；w：凹形金属条宽度；g：同一两个凹形金属的距离；thm：凹形金属厚度。
图5：为环偶极子超材料结构的截面图；该超材料模型的四层结构均取每一层的几何中心为原点。
图6：为环偶极子超材料结构的总图。
具体实施方式
本发明的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺制备：将硅片清洗、脱水和硅片表面成底膜处理；使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至90～110℃，保持25～35min；加热至190～210℃，保持25～35min；加热至290～310℃，保持25～35min；最后，加热至330～365℃，并保持50～90min。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为168μm～294μm，宽为104μm～182μm，厚度为4μm～8μm。
(2)第一层金属制备：甩胶机以2500～3500rpm的速度转15～45秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在110～120℃下加热3～8min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在110～120℃下烘烤3～8min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在110～120℃下烘烤3～8min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于4×10-5mB，蒸镀速率约7～15nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构均相距0μm～20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为151μm～153μm和79μm～81μm，凹形结构内部的长和宽范围分别为100μm～128μm和67.5μm～54.5μm；厚度为0.3μm～0.5μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层对准时，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至90～110℃，保持25～35min；加热至190～210℃，保持25～35min；加热至290～310℃，保持25～35min；最后，加热至330～365℃，并保持50～90min。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为168μm～294μm，宽为104μm～182μm，厚度为18μm～27μm。
(4)第二层金属制备：甩胶机以2500～3500rpm的速度转15～45秒，将光刻胶甩到制备的第二介质层上，再将样品放入真空热板上在110～120℃下加热3～8min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在110～120℃下烘烤3～8min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在110～120℃下烘烤3～8min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于4×10-5mB，蒸镀速率约7～15nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构均相距0μm～20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为151μm～153μm和79μm～81μm，凹形结构内部的长和宽范围分别为100μm～128μm和67.5μm～54.5μm；厚度为0.3μm～0.5μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
实施例1
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～6所示，该超材料模型的四层结构均取每一层的几何中心为原点。每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距g＝-5μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为lx＝150μm和ly＝77μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为lx-w＝132μm和ly-w＝68μm；厚度为thm＝0.2μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为s＝3μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为t＝15μm；两层介质的长度为a＝160μm,宽度为b＝100μm。
这种在太赫兹频率下可观测环偶极子的超材料的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺制备：将硅片清洗、脱水和硅片表面成底膜处理；使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为160μm，宽为100μm，厚度为3μm。
(2)第一层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰后，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构均相距-5μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为150μm和77μm，凹形结构内部的长度和宽度分别为132μm和68μm；厚度thm为0.2μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层对准时，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第二介质层其长为160μm，宽为100μm，厚度为15μm。
(4)第二层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构均相距-5μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为150μm和77μm，凹形结构内部的长度和宽度分别为132μm和68μm；厚度为0.2μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
采用8-F THz-TDS测量可得到该超材料在太赫兹波段下的谐振频率为0.26249THz、透射率为0.00612和品质因数为1.489。
实施例2
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于一下实例。
如图1～6所示，该超材料模型的四层结构均取每一层的几何中心为原点。每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距g＝0μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为lx＝151μm和ly＝79μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为lx-w＝128μm和ly-w＝67.5μm；厚度为thm＝0.3μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为s＝4μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为t＝18μm；两层介质的长度为a＝168μm,宽度为b＝104μm。
这种在太赫兹频率下可观测环偶极子的超材料的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺制备：将硅片清洗、脱水和硅片表面成底膜处理；使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为168μm，宽为104μm，厚度为4μm。
(2)第一层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距0μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为151μm和79μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为128μm和67.5μm；厚度为0.3μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层对准时，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第二介质层其长为168μm，宽为104μm，厚度为18μm。
(4)第二层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距0μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为151μm和79μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为128μm和67.5μm；厚度为0.3μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
采用8-F THz-TDS测量可得到该超材料在太赫兹波段下的谐振频率为0.24THz、透射率为0.00333和品质因数为1.387。
实施例3
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于一下实例。
如图1～6所示，该超材料模型的四层结构均取每一层的几何中心为原点。每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距g＝16μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为lx＝152μm和ly＝80μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为lx-w＝116μm和ly-w＝62μm；厚度为thm＝0.4μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为s＝6μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为t＝22μm；两层介质的长度为a＝200μm,宽度为b＝150μm。
这种在太赫兹频率下可观测环偶极子的超材料的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺制备：将硅片清洗、脱水和硅片表面成底膜处理；使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为200μm，宽为150μm，厚度为6μm。
(2)第一层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距16μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为152μm和80μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为116μm和62μm；厚度为0.4μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层对准时，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第二介质层其长为200μm，宽为150μm，厚度为22μm。
(4)第二层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距16μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为152μm和80μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为116μm和62μm；厚度为0.4μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
采用8-F THz-TDS测量可得到该超材料在太赫兹波段下的谐振频率为0.34565THz、透射率为0.038和品质因数为3.1。
实施例4
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于一下实例。
如图1～6所示，该超材料模型的四层结构均取每一层的几何中心为原点。每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距g＝20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为lx＝153μm和ly＝81μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为lx-w＝100μm和ly-w＝54.5μm；厚度为thm＝0.5μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为s＝8μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为t＝26μm；两层介质的长度为a＝296μm,宽度为b＝182μm。
这种在太赫兹频率下可观测环偶极子的超材料的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺制备：将硅片清洗、脱水和硅片表面成底膜处理；使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为296μm，宽为182μm，厚度为8μm。
(2)第一层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为153μm和81μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为100μm和54.5μm；厚度为0.5μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层对准时，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第二介质层其长为296μm，宽为182μm，厚度为26μm。
(4)第二层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为153μm和81μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为100μm和54.5μm；厚度为0.5μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
采用8-F THz-TDS测量可得到该超材料在太赫兹波段下的谐振频率为0.36849THz、透射率为0.10644和品质因数为4.7。
实施例5
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于一下实例。
如图1～6所示，该超材料模型的四层结构均取每一层的几何中心为原点。每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距g＝30μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为lx＝155μm和ly＝83μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为lx-w＝92μm和ly-w＝51.5μm；厚度为thm＝0.6μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为s＝10μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为t＝30μm；两层介质的长度为a＝300μm,宽度为b＝190μm。
这种在太赫兹频率下可观测环偶极子的超材料的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺制备：将硅片清洗、脱水和硅片表面成底膜处理；使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第一介质层其长为300μm，宽为190μm，厚度为10μm。
(2)第一层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距30μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为155μm和83μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为92μm和51.5μm；厚度为0.6μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层对准时，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，具体的亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至100℃，保持30min；加热至200℃，保持30min；加热至300℃，保持30min；最后，加热至350℃，并保持1h。在这个步骤结束后可以获得第二介质层其长为300μm，宽为190μm，厚度为10μm。
(4)第二层金属制备：甩胶机以3000rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上在115℃下加热5min。然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准。样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15秒，再将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化。将烘烤后的样品置于显影液中直至显影清晰，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5min，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形。最后，用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜。蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。此时可以获得第一金属层的正反两个凹形金属结构，该金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；中心对称的两个相反凹形金属结构相距30μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为155μm和83μm；凹形结构内部的长度和宽度分别为92μm和51.5μm；厚度为0.6μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
采用8-F THz-TDS测量可得到该超材料在太赫兹波段下的谐振频率为0.37323THz、透射率为0.1129和品质因数为4.962。
虽然本发明以较佳的实例揭示如上，但其并非用以限定本发明；任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以对所述发明进行各种改动和润饰，因此，本发明的保护范围应当视本申请的专利范围所限定的为准。

Claims (10)

1.一种双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料，其特征是：超材料是由两个方向相反的凹型结构重复获得，在介质中和介质层上设置有对称排列的两层凹型结构的金属层；每层金属层的排列形状为：一排中相邻两个凹型的开口方向相反，上下排结构一致；以相邻两个凹型的几何中心为原点，中心对称的两个相反凹形金属结构均相距-5μm～30μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为150μm～155μm和77μm～83μm，凹形结构内部的长和宽范围分别为92μm～132μm和68μm～51.5μm；厚度为0.2μm～0.6μm；所有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为3μm～10μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为15μm～30μm。
2.如权利要求1所述的双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料，其特征是：以超材料相邻两个凹型的几何中心为原点，中心对称的两个相反凹形金属结构均相距0μm～20μm，并且凹形结构的外部长度和宽度分别为151μm～153μm和79μm～81μm，凹形结构内部的长和宽范围分别为100μm～128μm和67.5μm～54.5μm；厚度为0.3μm～0.5μm；凹型结构的第一金属层与第一介质底层距离为4μm～8μm；第二介质层正反两侧排列的两排凹型结构的金属层的距离为18μm～27μm。
3.一种如权利要求1或2所述的双层凹型结构太赫兹环偶极子超材料的制备方法，其特征在于，采用“介质-金属-介质-金属”的光刻法和真空热蒸镀法；包括如下步骤：
(1)第一层聚酰亚胺介质制备：使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经处理好的硅片上，将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化；获得第一介质层；
(2)第一层金属制备：将光刻胶甩到制备的聚酰亚胺介质上，再将样品放入真空热板上预烘烤后聚酰亚胺介质上的光刻胶厚度为1～5μm；然后，将掩模板涂了胶的聚酰亚胺介质的正确位置对准；样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光；再将样品放入烤箱中烘烤，使光刻胶进行化学反应，以使曝光的图形均匀化；将烘烤后的样品置于显影液中显影，从显影液中取出然后冲洗吹干的样品放入烤箱中烘烤，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形；用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的金属膜；无光刻胶的地方金属直接镀在介质层上，将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成金属图形阵列；此时获得的第一金属层是正反两个凹形金属交替排列的、多排的金属结构；所有正反的有凹形金属结构尺寸相同，距离相等；
(3)第二层聚酰亚胺制备：在与第一介质层位置对准一致，使用甩胶机将聚酰亚胺酸涂在已经制备完毕的第一金属层上，之后将样品放入高温烘箱内进行薄膜的亚胺化工艺，获得第二介质层；
(4)第二层金属制备：甩胶机将光刻胶甩到制备的第二介质层上，完成与步骤(2)一致的工艺步骤；获得与第一金属层一致的金属结构。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述亚胺化工艺条件为：将涂好聚酰亚胺酸的硅片由室温加热至90～110℃，保持25～35min；加热至190～210℃，保持25～35min；加热至290～310℃，保持25～35min；最后，加热至330～365℃，并保持50～90min。
5.如权利要求3所述的方法，其特征是甩胶机以2500～3500rpm的速度转15～45秒。
6.如权利要求3所述的方法，其特征是样品放入真空热板上在110～120℃下加热3～8min。
7.如权利要求3所述的方法，其特征是样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间15～45秒。
8.如权利要求3所述的方法，其特征是样品放入烤箱中在110～120℃下烘烤3～8min。
9.如权利要求3所述的方法，其特征是样品置于显影液中显影15～45秒。
10.如权利要求3所述的方法，其特征是蒸镀的真空环境要高于5×10-5mB，蒸镀速率7～15nm/s。
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