CN109459808A - 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体 - Google Patents

一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体 Download PDF

Info

Publication number
CN109459808A
CN109459808A CN201811590134.8A CN201811590134A CN109459808A CN 109459808 A CN109459808 A CN 109459808A CN 201811590134 A CN201811590134 A CN 201811590134A CN 109459808 A CN109459808 A CN 109459808A
Authority
CN
China
Prior art keywords
super surface
metal layer
layer
diameter
perfect absorber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811590134.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109459808B (zh
Inventor
王然
岳嵩
刘嵩
侯煜
李曼
张喆
孙鸿雁
张紫辰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Microelectronics of CAS
Original Assignee
Institute of Microelectronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Microelectronics of CAS filed Critical Institute of Microelectronics of CAS
Priority to CN201811590134.8A priority Critical patent/CN109459808B/zh
Publication of CN109459808A publication Critical patent/CN109459808A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109459808B publication Critical patent/CN109459808B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C23C14/185—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates by cathodic sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)

Abstract

本发明提供一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体，所述方法包括选择二氧化硅作为衬底，然后依次制备第一金属层、介质层、聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1至d5的圆盘，直径分别为d1至d5的圆盘与超表面原胞的Px和Py相对应；并对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成第二金属层，以使第一金属层、介质层、第二金属层形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。本发明能够有效拓展吸收波段范围，并实现宽带光学完美吸收体由三维结构向二维结构转化，提高系统的集成度。

Description

一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体
技术领域
本发明涉及光学完美吸收体技术领域，尤其涉及一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体。
背景技术
现有的超材料光学完美吸收体是基于等效阻抗匹配原理实现的，这一理论将超材料视为等效介质，对光场的调控依靠光在其中传播时与材料相互作用的光程积累，并采用等效介电常数ε(ω)和等效磁导率μ(ω)来描述其光学性质。上述超材料完美吸收体一般具有三层结构：第一层为所设计的超材料微纳结构层，第二层为介质层，第三层为金属基底。其中，第一层的微纳结构提供电共振响应，而第一、三层之间产生磁共振响应，其等效介电常数和等效磁导率有很高的色散特性，可以独立调节。通过调节超材料的结构参数，使其等效阻抗在某一频率和自由空间的阻抗值相匹配，从而使得入射光波的反射率降低为零。另一方面，当第三层的金属基底的厚度大于入射光波的趋肤深度时，进入超材料结构内部的光波无法透射。因此，上述结构形成了完美吸收体，入射光波的能量被完全消耗在超材料的金属和介质结构中。
现代全光通信系统的迅猛发展对光学器件的微型化和集成化提出了更高的要求。超表面的出现，为实现高集成度的二维结构光学器件，提供了更为广阔的平台。超表面由亚波长尺寸的结构单元组成，其厚度远小于光波长，可近似为二维平面。通过对其结构参数的逐点设计，使其产生类似于纳米天线的强烈的光学响应，从而显著地改变入射光场的相位，最终对输出光波进行有效调控。由于上述相位调制方法取决于超表面结构单元的结构参数，与传统光学元件依靠光程的积累实现相位改变的原理有着本质的不同，因此被称为“结构相位调制”。
超表面与传统的体超材料有着本质的不同，后者通常具有一定的厚度，而超表面的厚度远小于入射光波长，为实现二维光学器件提供了良好的基础。因此，研制基于超表面结构的完美吸收体，可以有效减小器件的厚度，从而提高系统的集成度。此外，传统的体超材料完美吸收体为获得宽带完美吸收效果，通常采用具有不同尺寸的多层金属/介质材料相堆叠的结构，以有效拓展其完美吸收的光谱范围。然而，上述方法大大增加了器件的厚度，不利于光学器件的微型化和集成化。
发明内容
本发明提供的完美吸收体的制备方法及完美吸收体，能够有效拓展完美吸收体的吸收波段范围，并实现宽带光学完美吸收体由三维结构向二维结构的转化，进一步提高系统的集成度。
第一方面，本发明提供一种完美吸收体的制备方法，包括：
选择二氧化硅作为衬底，然后利用去离子水、乙醇、丙酮对二氧化硅衬底进行超声清洗，用氮气吹干，然后采用磁控溅射于衬底制备第一金属层；
在第一金属层上采用电子束蒸镀制备出介质层；
在介质层上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；
按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应；
对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使第一金属层、介质层、第二金属层形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。
可选地，所述按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应包括：
确定超表面原胞沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py；
将所述超表面原胞划分为5个超表面基本结构单元；
根据所述Px、Py计算得出直径d1、d2、d3、d4、d5，且将直径d1、d2、d3、d4、d5对应数值均匀分布；
将直径为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘对应设置于各超表面基本结构单元上，使得各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体。
可选地，所述直径d1、d2、d3、d4、d5取值范围均为50～120nm。
可选地，所述Px、Py的取值范围为200～600nm。
可选地，所述对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层为利用脉冲激光沉积对显影后的结构顶层喷厚度为t4的金属作为第二金属层；其中，
所述第二金属层的厚度t4范围为40～60nm。
可选地，所述在第一金属层上采用电子束蒸镀制备出介质层为在第一金属层上采用电子束蒸镀制备一层厚度为t3的介质层；其中，
所述介质层的厚度t3范围为10～80nm。
可选地，所述采用磁控溅射于衬底制备第一金属层为将金属采用磁控溅射与衬底制备厚度为t2的第一金属层，且所述第一金属层的厚度t2大于光波在所述金属中的趋肤深度；其中，
所述第一金属层的厚度t2范围为100～300nm。
第二方面，本发明提供一种完美吸收体，包括：
通过选择二氧化硅作为衬底，然后利用去离子水、乙醇、丙酮对二氧化硅衬底进行超声清洗，用氮气吹干，然后采用磁控溅射在衬底上所制备出的第一金属层；
在第一金属层上采用电子束蒸镀所制备出的介质层；
在介质层上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；并且按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应；以及对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料所形成的具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使由第一金属层、介质层、第二金属层所形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。
可选地，所述第二金属层包括：
将沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py的超表面原胞划分所形成的5个超表面基本结构单元；
在超表面基本结构单元内分别对应设置直径为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，以使各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体；其中，
直径d1、d2、d3、d4、d5由超表面原胞沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py计算得出，且将直径d1、d2、d3、d4、d5对应数值均匀分布。
可选地，所述直径d1、d2、d3、d4、d5取值范围均为50～120nm；
优选地，所述Px、Py的取值范围为200～600nm；
优选地，所述第二金属层的厚度t4范围为40～60nm；
优选地，所述介质层的厚度t3范围为10～80nm；
优选地，所述第一金属层的厚度t2范围为100～300nm。
本发明实施例提供的完美吸收体的制备方法及完美吸收体，所述方法主要是通过依次制备第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，利用超连续光源照射上述结构，合理优化超表面阵列结构参数，使得在所述预设的周期性超表面阵列结构在不同波长下产生共振吸收，不同特征尺寸的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加，最终获得宽带完美吸收体，进而有效拓展完美吸收体的吸收波段范围，并实现宽带光学完美吸收体由三维结构向二维结构的转化，进一步提高系统的集成度。
附图说明
图1为本发明一实施例完美吸收体的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施例超表面基本结构单元的结构示意图；
图3为本发明一实施例超表面原胞结构的俯视图；
图4为本发明一实施例完美吸收体应用的光路示意图；
图5为本发明一实施例单一超表面直径条件下，超表面阵列结构反射谱的数值模拟结果示意图；
图6为本发明一实施例按图4应用的超表面样品宽带完美吸收数值模拟结果示意图。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明实施例提供一种完美吸收体的制备方法，如图1所示，所述方法包括：
S11、选择二氧化硅作为衬底，然后利用去离子水、乙醇、丙酮对二氧化硅衬底进行超声清洗，用氮气吹干，然后采用磁控溅射于衬底制备第一金属层；
S12、在第一金属层上采用电子束蒸镀制备出介质层；
S13、在介质层上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；
S14、按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应；
S15、对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使第一金属层、介质层、第二金属层形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。
本发明实施例提供的完美吸收体的制备方法主要是通过依次制备第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，利用超连续光源照射上述结构，合理优化超表面阵列结构参数，使得在所述预设的周期性超表面阵列结构在不同波长下产生共振吸收，不同特征尺寸的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加，最终获得宽带完美吸收体，进而有效拓展完美吸收体的吸收波段范围，并实现宽带光学完美吸收体由三维结构向二维结构的转化，进一步提高系统的集成度。
另外，本实施例所述方法制备出的光学完美吸收体，是一种基于区域共振原理的宽带超表面完美吸收体，具有宽波段完美吸收、以及超薄二维结构的优点。特别是，与现有的基于不同尺寸的多层金属/介质材料堆叠结构的宽带完美吸收体方案相比，本实施例所述方法制备出的完美吸收体具有超薄二维结构，且宽带吸收范围覆盖可见光波段。
另外，本实施例所述方法在制备第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层过程中可以通过半导体加工工艺制备，而半导体加工工艺是一种极其成熟的加工制备工艺，因此，按照本实施例所述方法能够更为方便地制备所述超表面完美吸收体。
可选地，如图2和图3所示，所述按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应包括：
确定超表面原胞沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py；
将所述超表面原胞划分为5个超表面基本结构单元；
根据所述Px、Py计算得出直径d1、d2、d3、d4、d5，且将直径d1、d2、d3、d4、d5对应数值均匀分布；
将直径为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘对应设置于各超表面基本结构单元上，使得各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体。
具体的，本实施例所述预设的周期性超表面阵列结构中将直径d1、d2、d3、d4、d5与Px、Py数值相对应，在确定预设的周期性超表面阵列结构后，根据Px、Py数值能够对应合理优化超表面阵列结构中直径d1、d2、d3、d4、d5参数，使得各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体。例如，当Px＝320nm和Py＝320nm，则d1＝60nm、d2＝80nm、d3＝90nm、d4＝100nm、d5＝55nm；或者，当Px＝310nm和Py＝310nm，则d1＝60nm、d2＝80nm、d3＝90nm、d4＝95nm、d5＝55nm；再或者，当Px＝330nm和Py＝330nm，则d1＝60nm、d2＝80nm、d3＝100nm、d4＝120nm、d5＝55nm等。
另外，在根据根Px、Py数值能够对应合理优化超表面阵列结构中直径d1、d2、d3、d4、d5参数，将直径d1、d2、d3、d4、d5各参数对应数值设置更为均匀将进一步提高共振吸收效应叠加效果。
可选地，所述直径d1、d2、d3、d4、d5取值范围均为50～120nm。
可选地，所述Px、Py的取值范围为200～600nm。
可选地，所述对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层为利用脉冲激光沉积对显影后的结构顶层喷厚度为t4的金属作为第二金属层；其中，
所述第二金属层的厚度t4范围为40～60nm。
具体的，本实施例所述第二金属层可由金、银、铝等贵金属制备。
可选地，所述在第一金属层上采用电子束蒸镀制备出介质层为在第一金属层上采用电子束蒸镀制备一层厚度为t3的介质层；其中，
所述介质层的厚度t3范围为10～80nm。
具体的，本实施例所述介质层可由二氧化硅、氟化镁等材质制备。
可选地，所述采用磁控溅射于衬底制备第一金属层为将金属采用磁控溅射与衬底制备厚度为t2的第一金属层，且所述第一金属层的厚度t2大于光波在所述金属中的趋肤深度；其中，
所述第一金属层的厚度t2范围为100～300nm。
具体的，本实施例所述第一金属层可由金、银、铝等贵金属制备。
优选地，在所述对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使第一金属层、介质层、第二金属层形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体之后，所述方法还包括：
将经步骤S15形成的完美吸收体在丙酮中浸泡和进行超声处理，洗掉多余的聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶和顶层喷涂的金属，然后用氮气吹干，只保留相应的第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层。
具体的，如图4所示，本实施例所述方法所制备的完美吸收体可实现宽带超表面完美吸收体，具体步骤如下：
将如前所述的完美吸收体(如图4中4所示)置于样品架(如图4中5所示)上。
超连续光源(如图4中1所示)发出的白光，经过半透半反镜(如图4中2所示)后到达显微物镜(如图4中3所示)。白光经过显微物镜后被聚焦到超表面样品表面，调整聚焦光斑与样品的相对位置，使得超表面样品被均匀照明。
照明光源(如图4中7所示)经过透镜(如图4中6所示)准直后经半透半反镜入射超表面样品，用以确定样品位置。超连续光源发出的白光经过样品的反射后被显微物镜收集(如图4中3所示)，再经过滤波片(如图4中8所示)滤除杂散光的影响，之后被半透半反镜分为两路：一路进入CCD(如图4中9所示)对样品成像，另一路进入光谱仪(如图4中10所示)得到样品的反射谱，以获得样品的宽带完美吸收特性。
例如，本实施例所述完美吸收体的制备方法如下：
选择二氧化硅衬底，利用去离子水、乙醇、丙酮各进行5分钟的超声清洗，用氮气吹干。
利用磁控溅射在二氧化硅衬底上制备厚度为t2的金膜作为第一金属层，t2＝150nm。
在金膜上利用电子束蒸镀方法制备一层厚度为t3的二氧化硅介质层作为介质层，其厚度t3＝20nm。
在光刻间进行光刻胶的旋涂操作，使得衬底上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶，总厚度为200nm。
利用电子束曝光系统对烘烤后的光刻胶进行曝光，写出预设的周期性的超表面阵列结构，其中，d1＝60nm、d2＝80nm、d3＝90nm、d4＝100nm、d5＝55nm。超表面原胞沿x方向和y方向的周期分别为Px＝320nm和Py＝320nm。
用甲基异丁基酮对曝光后的光刻胶进行显影。
利用脉冲激光沉积技术对显影后的结构顶层喷厚度为t4＝50nm的金作为第二金属层。
将样品在丙酮中浸泡和进行超声处理，洗掉多余的聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶和顶层的金，然后用氮气吹干，只保留相应的第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层。
如图5所示，在单一超表面直径条件下，第一金属层-介质层-第二金属层预设的周期性超表面阵列反射谱的数值模拟结果，可以看出，当直径d1、d2、d3、d4、d5分别为55nm、60nm、80nm、90nm、100nm时，每个超表面结构对应一个特征吸收峰，该吸收峰随超表面直径的增加发生红移，且当d≥80nm时，超表面样品呈现强烈共振吸收特性。当d＝90nm时，在共振波长660nm处，其最小反射率为2.9％，对应最大吸收率为97.1％。
因此，如图6所示，按照本实施例所述方法合理优化参数后制备出的第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层反射谱的数值模拟结果，可以看出，在波长为400nm至700nm的范围内，样品呈现宽带完美吸收效果。其中，在400nm至650nm波段，其最大反射率小于6.9％，对应的最小吸收率大于93.1％，其宽带完美吸收效果为各个超表面结构单元区域共振的叠加，进而本实施例所述方法能够有效拓展完美吸收体的吸收波段范围，并实现宽带光学完美吸收体由三维结构向二维结构的转化，进一步提高系统的集成度。
本发明实施例还提供一种完美吸收体，如图2和图3所示，所述完美吸收体包括：
通过选择二氧化硅作为衬底，然后利用去离子水、乙醇、丙酮对二氧化硅衬底进行超声清洗，用氮气吹干，然后采用磁控溅射在衬底上所制备出的第一金属层；
在第一金属层上采用电子束蒸镀所制备出的介质层；
在介质层上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；并且按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应；以及对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料所形成的具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使由第一金属层、介质层、第二金属层所形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。
本发明实施例提供的完美吸收体主要是通过依次制备第一金属层-介质层-具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，利用超连续光源照射上述结构，合理优化超表面阵列结构参数，使得在所述预设的周期性超表面阵列结构在不同波长下产生共振吸收，不同特征尺寸的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加，最终获得宽带完美吸收体，进而有效拓展完美吸收体的吸收波段范围，并实现宽带光学完美吸收体由三维结构向二维结构的转化，进一步提高系统的集成度。
可选地，所述第二金属层包括：
将沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py的超表面原胞划分所形成的5个超表面基本结构单元；
在超表面基本结构单元内分别对应设置直径为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，以使各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体；其中，
直径d1、d2、d3、d4、d5由超表面原胞沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py计算得出，且将直径d1、d2、d3、d4、d5对应数值均匀分布。
可选地，所述直径d1、d2、d3、d4、d5取值范围均为50～120nm；
优选地，所述Px、Py的取值范围为200～600nm；
优选地，所述第二金属层的厚度t4范围为40～60nm；
优选地，所述介质层的厚度t3范围为10～80nm；
优选地，所述第一金属层的厚度t2范围为100～300nm。
本实施例的完美吸收体，可以按照上述方法实施例的技术方案制备而成，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种完美吸收体的制备方法，其特征在于，包括：
选择二氧化硅作为衬底，然后利用去离子水、乙醇、丙酮对二氧化硅衬底进行超声清洗，用氮气吹干，然后采用磁控溅射于衬底制备第一金属层；
在第一金属层上采用电子束蒸镀制备出介质层；
在介质层上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；
按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应；
对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使第一金属层、介质层、第二金属层形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应包括：
确定超表面原胞沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py；
将所述超表面原胞划分为5个超表面基本结构单元；
根据所述Px、Py计算得出直径d1、d2、d3、d4、d5，且将直径d1、d2、d3、d4、d5对应数值均匀分布；
将直径为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘对应设置于各超表面基本结构单元上，使得各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直径d1、d2、d3、d4、d5取值范围均为50～120nm。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述Px、Py的取值范围为200～600nm。
5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述对显影后的结构顶层喷涂金属材料形成具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层为利用脉冲激光沉积对显影后的结构顶层喷厚度为t4的金属作为第二金属层；其中，
所述第二金属层的厚度t4范围为40～60nm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在第一金属层上采用电子束蒸镀制备出介质层为在第一金属层上采用电子束蒸镀制备一层厚度为t3的介质层；其中，
所述介质层的厚度t3范围为10～80nm。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述采用磁控溅射于衬底制备第一金属层为将金属采用磁控溅射与衬底制备厚度为t2的第一金属层，且所述第一金属层的厚度t2大于光波在所述金属中的趋肤深度；其中，
所述第一金属层的厚度t2范围为100～300nm。
8.一种完美吸收体，其特征在于，包括：
通过选择二氧化硅作为衬底，然后利用去离子水、乙醇、丙酮对二氧化硅衬底进行超声清洗，用氮气吹干，然后采用磁控溅射在衬底上所制备出的第一金属层；
在第一金属层上采用电子束蒸镀所制备出的介质层；
在介质层上覆盖聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶；并且按照预设的周期性超表面阵列结构对烘烤后的光刻胶进行曝光，其中，所述预设的周期性超表面阵列结构中的超表面原胞内均匀设置有五个内包含至少一个设置有均匀分布的五个直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，并且，所述直径分别为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘与超表面原胞沿x方向周期长度Px和y方向周期长度Py相对应；以及对曝光后的光刻胶进行显影，并对显影后的结构顶层喷涂金属材料所形成的具有预设的周期性超表面阵列结构的第二金属层，以使由第一金属层、介质层、第二金属层所形成基于区域共振的宽带超表面完美吸收体。
9.根据权利要求8所述的完美吸收体，其特征在于，所述第二金属层包括：
将沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py的超表面原胞划分所形成的5个超表面基本结构单元；
在超表面基本结构单元内分别对应设置直径为d1、d2、d3、d4、d5的圆盘，以使各超表面结构单元在不同波长下产生共振吸收，设置有不同直径圆盘的超表面结构单元的共振吸收效应相叠加并获得宽带完美吸收体；其中，
直径d1、d2、d3、d4、d5由超表面原胞沿x方向周期长度Px和沿y方向周期长度Py计算得出，且将直径d1、d2、d3、d4、d5对应数值均匀分布。
10.根据权利要求8或9所述的完美吸收体，其特征在于，所述直径d1、d2、d3、d4、d5取值范围均为50～120nm；
优选地，所述Px、Py的取值范围为200～600nm；
优选地，所述第二金属层的厚度t4范围为40～60nm；
优选地，所述介质层的厚度t3范围为10～80nm；
优选地，所述第一金属层的厚度t2范围为100～300nm。
CN201811590134.8A 2018-12-25 2018-12-25 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体 Active CN109459808B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811590134.8A CN109459808B (zh) 2018-12-25 2018-12-25 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811590134.8A CN109459808B (zh) 2018-12-25 2018-12-25 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109459808A true CN109459808A (zh) 2019-03-12
CN109459808B CN109459808B (zh) 2021-12-24

Family

ID=65615091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811590134.8A Active CN109459808B (zh) 2018-12-25 2018-12-25 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109459808B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111308588A (zh) * 2020-03-23 2020-06-19 中北大学 一种基于表面等离激元多频带完美吸收器
CN115279162A (zh) * 2022-08-01 2022-11-01 南京大学 完美吸收体及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107114006A (zh) * 2017-03-29 2017-08-29 香港中文大学（深圳） 完美吸收体的制造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107114006A (zh) * 2017-03-29 2017-08-29 香港中文大学（深圳） 完美吸收体的制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
于宏岩，张强，付淑芳，袁悦，周胜: "超表面吸收特性的研究进展", 《哈尔滨师范大学自然科学学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111308588A (zh) * 2020-03-23 2020-06-19 中北大学 一种基于表面等离激元多频带完美吸收器
CN115279162A (zh) * 2022-08-01 2022-11-01 南京大学 完美吸收体及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109459808B (zh) 2021-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109738975A (zh) 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体
CN110297287B (zh) 一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统
CN104155712B (zh) 光通信用近红外滤光片
CN110412672B (zh) 一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器及其制备方法
CN109031493A (zh) 基于介质超表面结构的窄带滤光片及其制作方法
CN109459808A (zh) 一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体
US4826267A (en) Spectral filter with integral antireflection coating
CN108213718B (zh) 一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法
TWI454752B (zh) Optical element and its manufacturing method, optical device
CN106199814A (zh) 基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器
CN107275796A (zh) 一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用
CN110673242A (zh) 一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法
CN109827947A (zh) 一种基于局域光场增强的飞秒激光光还原制造表面增强拉曼基底的方法
CN110797419B (zh) 一种叉指电极结构偏振相关窄带探测器、其制备和应用
CN108549124A (zh) 一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置及方法
RU2491587C1 (ru) Способ управления спектром пучка широкополосного терагерцового излучения
CN114200559B (zh) 超宽带可见光与近红外超材料吸波体
CN113568099B (zh) 基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜及其设计方法
CN110275233B (zh) 一种窄周期长波红外多层光栅结构
CN209624816U (zh) 一种基于金纳米颗粒的波长可调谐窄带滤光片
CN110308508A (zh) 一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件
Mizeikis et al. Fabrication of Frequency-Selective Surface Structures by Femtosecond Laser Ablation of Gold Films.
CN115032729B (zh) 一种基于微纳结构的双波段制导激光吸收器件及其制备方法
CN110133761A (zh) 一种超材料反射膜及其制作方法
CN102520481B (zh) 一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置与制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant