CN109507762A

CN109507762A - 一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法

Info

Publication number: CN109507762A
Application number: CN201910032562.7A
Authority: CN
Inventors: 田明丽; 何金娜; 姬鹏飞; 万明理; 李勇; 宋月丽; 周丰群; 袁书卿
Original assignee: Pingdingshan University
Current assignee: Pingdingshan University
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: CN109507762B

Abstract

本发明属于微纳光电器件电磁波调控及传感检测技术领域，特别是涉及一种用于远红外域折射率传感器的偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法，该超表面包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。该超表面由于结构上的高度对称性，对激发电磁波偏振不敏感；且可以通过几何参数的调制，获得远红外域高调制深度、高Q值的Fano共振线形；同时由于构筑超表面的基材首选全介质Si和SiO₂材料，工艺成熟，简单易行，制作成本低廉。

Description

一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法

技术领域

本发明属于微纳光电器件电磁波调控及传感检测技术领域，特别是涉及一种用于远红外域折射率传感器的偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法。

背景技术

电磁波谱中，远红外域蕴含着重要的信息，有着重要的科学价值。比如天体之间的辐射，生物、医学领域的成像与检测，资源探测、光通讯等领域都离不开对远红外信号的获取与识别。高性能远红外传感器的研发，对天体物理、新材料研究以及医学与生物学应用意义重大。

近几年来，利用人工设计的超材料或超表面来裁剪和操控电磁波，以获得高谐振Q因子传感器已经越来越受到关注。传统的超材料或超表面结构是通过由周期性排列的金属微纳结构等离激元共振及其单元间的耦合来实现电磁波或光波的操控。而金属材料在可见光和红外域有较大的本征损耗，难以实现高Q值的电磁响应。利用高折射率的全介质替代金属基材来构建超材料或超表面可以克服金属基材的本征损耗影响，实现高灵敏度的折射率传感探测。然而目前多数全介质超材料或超表面是通过非对称结构或开口谐振环以获得类电磁诱导透明(EIT)或Fano共振谱线的细锐峰或谷，从而实现高灵敏度探测。这些非对称结构或开口谐振环因为结构的非对称性和开口的方向性，对激发电磁波常常是偏振敏感的，在实际应用中缺乏重复性和灵活性。设计以及实现偏振不敏感的高灵敏度传感超表面成为该领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法，该超表面由于结构上的高度对称性，对激发电磁波偏振不敏感；且可以通过几何参数的调制，获得远红外域高调制深度、高Q值的Fano共振线形；同时由于构筑超表面的基材首选全介质Si和SiO₂材料，工艺成熟，简单易行，制作成本低廉。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。

进一步地，所述基底的全介质材料的折射率大于1.4且小于等于5。

进一步地，所述基底的全介质材料选用SiO₂。

进一步地，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料的折射率大于2且小于等于6。

进一步地，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料选用Si。

进一步地，超表面单元尺寸几何参数如下：

单元周期P_x＝P_y＝180～220μm；基底厚度h₁＝20～60μm；双环厚度h₂＝20～60μm；从外向内各圆半径r₁＝60～75μm，r₂＝45～60μm，r₃＝30～45μm，r₄＝15～30μm。

本发明还提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，包含以下步骤：

步骤1，选取SiO₂基底，用磁控溅射设备在基底上溅射Si，再在硅层上溅射一层Si₃N₄作为硬掩膜；

步骤2，在步骤1所得的Si₃N₄表面旋涂光刻胶；

步骤3，用电子束曝光设备，将设计好的同心双闭合环图案对步骤2所得的样品的光刻胶面进行曝光，形成带有图案的光刻胶层；

步骤4，对步骤3所得的样品显影3～5分钟，再定影20～40秒，去除被曝光的光刻胶，冲洗烘干处理后，在Si₃N₄层得到所需阵列图形，形成Si₃N₄掩膜版；

步骤5，利用Bosch工艺进行深硅刻蚀，交替转换刻蚀气体与钝化气体，进行刻蚀与边壁钝化，使得Si₃N₄掩膜版的图形转移到硅层上。

进一步地，在步骤5之后，还包括：

步骤6，采用磷酸去除多余的Si₃N₄层。

进一步地，所述刻蚀气体采用SF₆，所述钝化气体采用C₄F₈。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、由于共振单元首选全介质基材，基底选用红外低损耗介质材料，在远红外域1300～1500GHz内，首度实现调制深度大于0.8，Q值高于450的Fano共振谷，获得折射率灵敏度高于600GHz/RIU传感探测。

2、由于结构上具有高度对称性，保持超高Q值、超高折射率灵敏度的同时，对激发远红外波偏振不敏感，应用更加灵活。

3、超表面所用基材首选CMOS技术兼容材料Si和SiO₂，丰度高，工艺成熟，制作成本低廉。

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，下面描述中的附图仅仅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是超表面单元的结构示意图；

图2是图1的正视结构示意图；

图3是超表面周期阵列的结构示意图；

图4是图3的正视结构示意图；

图5是超表面在不同偏振状态下的Fano透射谱(其中θ为偏振角：为了清晰区分，θ为15°，30°，45°时，谱线依次上移0.1单位)；

图6是对不同折射率的气体样品测试所得Fano透射谱；

图7是Fano共振谷光谱位置随待测样品折射率的变化曲线。

图1中序号所代表的含义：1.基底，2.同心双闭合介质谐振环单元。

具体实施方式

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。

本发明的核心是提供一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法，对激发远红外波偏振不敏感，并具有超高折射率灵敏度。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图1至图4所示，本实施例提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，包括基底1和位于基底1表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元2；所述基底1和同心双闭合介质谐振环单元2所用基材为全介质材料。

进一步地，所述基底1的全介质材料的折射率大于1.4且小于等于5。优选地，所述基底1的全介质材料选用SiO₂。

进一步地，所述同心双闭合介质谐振环单元2的全介质材料的折射率大于2且小于等于6。优选地，所述同心双闭合介质谐振环单元2的全介质材料选用Si。

SiO₂和Si材料，丰度高，工艺成熟，制作成本低廉。

超表面单元尺寸几何参数如下：

单元周期P_x＝P_y＝180～220μm；基底厚度h₁＝20～60μm；双环厚度h₂＝20～60μm；从外向内各圆半径r₁＝60～75μm，r₂＝45～60μm，r₃＝30～45μm，r₄＝15～30μm。通过几何参数的调制，可以获得远红外域高调制深度，高Q值的Fano共振谷，实现高灵敏度的折射率传感探测。

该超表面由于具有高对称性，对激发电磁波偏振不敏感。

本实施例还提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，包含以下步骤：

步骤S101，选取SiO₂基底，用磁控溅射设备在基底上溅射一定厚度的Si，再在硅层上溅射一层Si₃N₄作为硬掩膜；

步骤S102，在步骤S101所得的Si₃N₄表面旋涂一定厚度的光刻胶；

步骤S103，用电子束曝光设备，将设计好的同心双闭合环图案对步骤S102所得的样品的光刻胶面进行曝光，形成带有图案的光刻胶层；

步骤S104，对步骤S103所得的样品显影3～5分钟，再定影20～40秒，去除被曝光的光刻胶，冲洗烘干处理后，在Si₃N₄层得到所需阵列图形，形成Si₃N₄掩膜版；

步骤S105，利用Bosch工艺进行深硅刻蚀，交替转换刻蚀气体SF₆与钝化气体C₄F₈，进行刻蚀与边壁钝化，使得Si₃N₄掩膜版的图形转移到硅层上；

步骤S106，采用磷酸去除多余的Si₃N₄层，完成超表面阵列结构的制备。

下面举一个具体的实例，以更清楚地说明本发明。

实施例二

所述同心双闭合介质谐振环单元2所用的基材为Si，折射率n＝3.4；所述基底1所用的基材为SiO₂，折射率n＝1.48；单元周期P_x＝P_y＝200μm；基底厚度h₁＝40μm；双环厚度h₂＝20μm；从外向内，各圆半径r₁＝60μm，r₂＝45μm，r₃＝30μm，r₄＝15μm，如图1至图4所示。

远红外电磁波垂直于超表面正入射，有限元法计算在远红外波段(1400～1450GHz)的透射谱，获得Fano共振线形的调制深度大于0.8，中心波长为f₀＝1420GHz，谐振品质因子Q＝f₀/Δf＝473；改变入射电磁波偏振方向，分别为15°，30°，45°，除Fano共振谷随着角度增加稍稍上移外，线型保持偏振不敏感，测试结果如图5所示。

在有限元计算模型中，在超表面上方设置100μm高样品池(或气室)，充满不同折射率样品(1.000～1.002)，测试所得透射谱线如图6所示，进一步获得Fano共振谷位置随折射率改变的关系图如图7所示，由图7可得传感灵敏度高达600GHz/RIU。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。

2.根据权利要求1所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述基底的全介质材料的折射率大于1.4且小于等于5。

3.根据权利要求2所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述基底的全介质材料选用SiO₂。

4.根据权利要求1所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料的折射率大于2且小于等于6。

5.根据权利要求4所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料选用Si。

6.根据权利要求1所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，超表面单元尺寸几何参数如下：

单元周期P_x＝P_y＝180～220μm；基底厚度h₁＝20～60μm；双环厚度h₂＝20～60μm；

从外向内各圆半径r₁＝60～75μm，r₂＝45～60μm，r₃＝30～45μm，r₄＝15～30μm。

7.一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤2，在步骤1所得的Si₃N₄表面旋涂光刻胶；

8.根据权利要求7所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，其特征在于，在步骤5之后，还包括：

步骤6，采用磷酸去除多余的Si₃N₄层。

9.根据权利要求7所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，其特征在于，所述刻蚀气体采用SF₆，所述钝化气体采用C₄F₈。