CN108611602B - 一种介电常数可控的钛膜的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种介电常数可控的钛膜的制备方法，包括：基于目标钛膜的预期介电常数实部，根据已知钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，选定制备所述目标钛膜的气体含氧量，进行制备，所述已知钛膜为在0～0.2V％范围内调整气体含氧量制备获得的多个钛膜。本发明提供的一种介电常数可控的钛膜的制备方法，通过调整通入镀膜室中的气体氧含量，制备得到一系列钛膜，再分析出这一系列钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，以所述变化曲线为参照，选定制备目标钛膜的气体氧含量并进行制备，最终有效地实现钛膜的介电常数可控，克服了同种金属薄膜的介电常数实部难以调控正负值的技术问题，扩大了金属薄膜的应用范围。

Description

一种介电常数可控的钛膜的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及金属薄膜制备及应用领域，尤其涉及一种介电常数可控的钛膜的制备方法及其应用。
背景技术
近年来金属等离子体科技已经开始在中国蓬勃兴起和发展，对中国基础研究和技术储备的提高具有很大的推动作用。不同类型的金属等离子体结构一般通过自上而下的微纳加工方法获得，金属薄膜制备是该方法的关键步骤之一。所制备的薄膜在介电常数实部小于0的光谱范围具有显著的金属等离子体特性，相反大于0的范围则具有类似介质的特性。由介电常数实部正负交替的多层薄膜构造的双曲超材料更具有显著的等离子体振荡特性，其中同质双曲超材料晶格失配很小，大大减少了失配导致的电磁损耗，有广阔的研究和应用前景。
目前，双曲超材料一般都是通过特定的金属材料和介质材料按照一定厚度交替排布在基体上实现。如何制备出一种介电常数实部正负可控的同种金属薄膜是一个技术难点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种介电常数可控的钛膜的制备方法及其应用，解决了现有技术中同种金属薄膜的介电常数实部难以调控正负值的问题。
本发明提供的一种介电常数可控的钛膜的制备方法，包括：
基于目标钛膜的预期介电常数实部，根据已知钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，选定制备所述目标钛膜的气体含氧量，进行制备，所述已知钛膜为在0～0.2V％范围内调整气体含氧量制备获得的多个钛膜。
上述技术方案中，在真空镀膜时，通过在0～0.2V％范围内调整通入镀膜室中的气体氧含量，制备得到多个钛膜，再分析出所述多个钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，根据所述变化曲线，基于目标钛膜的预期介电常数实部，选定制备目标钛膜的气体氧含量并保持其他参数不变，进行制备，有效地实现钛膜的介电常数可控；气体含氧量在0～0.2V％范围时，得到的钛膜为金属膜，且介电常数实部经历由负到正的变化，克服了同种金属薄膜的介电常数实部难以调控正负值的技术问题。
优选地，所述气体含氧量的调整范围为0.01V％～0.2V％。
优选地，所述已知钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，通过采集并拟合所述已知钛膜的光谱椭偏数据获得。
上述技术方案中，除了通过采集并拟合所述已知钛膜的光谱椭偏数据来获得所述变化曲线，还可采用分光光度计透射光谱，反演计算薄膜介电常数，但由于利用分光光度计测量反射率时稳定性不好，因此该方法测量精度不如光谱椭偏法。
优选地，制备所述已知钛膜和所述目标钛膜时，镀膜室中气压为3～15mTorr。
优选地，制备所述已知钛膜和所述目标钛膜时，镀膜功率为50～150W。
优选地，制备所述已知钛膜和所述目标钛膜时，镀膜时间为5～30min。
上述技术方案中，将镀膜参数控制在上述范围内，以确保形成光谱椭偏方法可测的连续薄膜。上述参数的综合调整，可控制薄膜的沉积速度、粗糙度和厚度在适度范围内，粗糙度过大将导致薄膜连续性变差，厚度过大将导致薄膜介电常数测量困难。
本发明还提供一种上述制备方法在制备双曲超材料中的应用，包括：在基体材料表面根据上述制备方法，制备介电常数实部正负交替的多层钛膜。
将上述介电常数可控的钛膜的制备方法应用到制备双曲超材料中，可以很方便快捷地得到介电常数实部正负交替的多层钛膜，构成同质双曲超材料，晶格失配很小，大大减少了失配导致的电磁损耗，有广阔的研究和应用前景。
本发明的介电常数可控的钛膜的制备方法除了可以应用到制备双曲超材料中，还有很多其它方面的应用，例如制备集成电路中的低介电常数材料等等。
本发明提供的一种介电常数可控的钛膜的制备方法，通过调整通入镀膜室中的气体氧含量，制备得到一系列钛膜，再分析出这一系列钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，以所述变化曲线为参照，选定制备目标钛膜的气体氧含量并进行制备，最终有效地实现钛膜的介电常数可控，克服了同种金属薄膜的介电常数实部难以调控正负值的技术问题，扩大了金属薄膜的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中不同气体含氧量下钛膜介电常数实部随入射光波长的变化曲线；
图2为本发明实施例中不同气体含氧量下钛膜介电常数虚部随入射光波长的变化曲线；
图3为本发明实施例中目标钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线；
图4为本发明实施例中目标钛膜的介电常数虚部随入射光波长的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种介电常数可控的钛膜的制备方法，包括：
先将本实施例中的基底材料硅晶片清洗干净，固定于真空腔室中，安装固定高纯金属钛源(纯度＞99.99％)于真空腔室中，利用真空泵抽真空至背底真空度为7.0E-7Torr；
通入高纯氩气(纯度≥99.999％)，其中氧气含量不超过1.5ppm，可近似认为氧气含量为0％，通过气体总流量和真空阀打开程度，控制镀膜室中气压为10mTorr，稳定5～10min；
利用挡板分别遮挡钛源和硅晶片基底，打开离子源起辉，镀膜功率设定为100W，镀膜20min，取出带有钛膜的硅晶片。
改变通入的气体为氩气与氧气的混合气体，分别调整氧气含量(％V，下同)为0.02％、0.1％和0.2％，其它条件不变，重复上述镀膜步骤，获得一系列钛膜。
采集并拟合钛膜的光谱椭偏数据，得到该系列钛膜介电常数实部和虚部随入射光波长的变化曲线，分别如图1和图2所示，图1为钛膜介电常数实部随波长的变化曲线，图2为钛膜介电常数虚部随波长的变化曲线，其中介电常数虚部均为大于0的数，表明其具有显著的金属特性。由图1和图2可以看出，当波长大于300nm时，随着氧含量从0％增加到0.2％，介电常数实部经历由负到正的变化，为调控目标钛膜介电常数实部的正负提供可能。
假设需要制备在入射光波长为400～700nm情况下，介电常数实部约为1的钛膜，根据图1中的变化曲线，获知氧含量应介于0.02％～0.1％，故选定氧含量为0.05％，其他镀膜条件不变，制备得到目标钛膜。
采集并拟合目标钛膜的光谱椭偏数据，得到目标钛膜介电常数实部和虚部随入射光波长的变化曲线，分别如图3和图4所示。从图3中可以看出，氧含量为0.05％的目标钛膜的介电常数实部在波长400～700nm约为1，落在氧含量为0.02％和0.1％两条曲线之间，达到预期值；从图4可以看出，氧含量为0.05％的目标钛膜的介电常数虚部落在氧含量为0.02％和0.1％两条曲线附近，均为大于0的数，表明其具有显著的金属特性。
综上所述，按照本实施例的制备方法能够制备得到预期介电常数的钛膜。
应用例1
将实施例1中的介电常数可控的钛膜的制备方法应用于制备双曲超材料，包括：在基底材料上，先制备一层预期介电常数实部为正的钛膜，再制备一层预期介电常数实部为负的钛膜，然后再制备一层预期介电常数实部为正的钛膜，依次循环，根据需要得到介电常数实部正负交替的多层钛膜，构成双曲超材料。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种介电常数可控的钛膜的制备方法在制备双曲超材料中的应用，其特征在于，包括：在基体材料表面根据所述制备方法，制备介电常数实部正负交替的多层钛膜；
所述制备方法包括：基于目标钛膜的预期介电常数实部，根据已知钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，选定制备所述目标钛膜的气体含氧量，进行制备，所述已知钛膜为在0～0.2V％范围内调整气体含氧量制备获得的多个钛膜。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述气体含氧量的调整范围为0.01V％～0.2V％。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述已知钛膜的介电常数实部随入射光波长的变化曲线，通过采集并拟合所述已知钛膜的光谱椭偏数据获得。
4.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于，制备钛膜时，镀膜室中气压为3～15mTorr。
5.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于，制备钛膜时，镀膜功率为50～150W。
6.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于，制备钛膜时，镀膜时间为5～30min。
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