CN109841959A

CN109841959A - 一种基于光电导薄膜的光电可调控fss结构及其制备方法

Info

Publication number: CN109841959A
Application number: CN201711198024.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2019-06-04

Abstract

本发明公开了一种光电可调控FSS结构及其制造方法，包括基底及在基底上形成的金属膜，金属膜的至少一部分被去除以形成开口区，开口区露出所述基底，未去除的金属膜的区域构成带阻型FSS振子图案，带阻型FSS振子图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜，与所述金属膜共同构成带通型FSS图案。本发明利用光电导薄膜光照导电特性控制FSS单元结构形状的变化，从而实现FSS的光电调控。本发明的该光电可调控FSS结构简单、制作工艺难度小，仅通过控制光照即可实现带通带阻特性相互转换，且采用光刻技术可将线条做的很细，在屏蔽的同时，满足可见、红外等光波段的透过。

Description

一种基于光电导薄膜的光电可调控FSS结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光电可调控频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSS)结构及该FSS结构的制备方法，特别是一种利用光电导薄膜光照导电特性实现带通带阻特性可调的光电可调控FSS结构及该FSS结构的制备方法。

背景技术

FSS是一种由周期排列的金属贴片或金属屏上周期排列的开孔单元构成的二维阵列结构，在工业产品、军事通信、电磁隐身等领域应用广泛。目前，根据FSS工作机制的不同，FSS分为被动FSS(Passive Frequency Felective Surface)和主动FSS(Active FrequencyFelective Surface)。滤波特性无法改变的FSS称为无源被动FSS或被动FSS。被动FSS是根据所要实现的滤波特性被直接设计成确定的结构，有特定的工作频率，不能灵活地适应复杂多变的电磁环境，从而在实际应用中具有一定的局限性。为解决被动FSS的局限性，有源可重构主动FSS的概念被提出，是指在外界激励的控制下，工作频点、通带宽度等滤波特性可调控的一种有源空间滤波结构，通常由滤波结构和激励源构成。相对被动FSS，主动FSS可通过调控滤波特性满足多种工作状态间变化的需求，能较灵活的适应外界复杂多变的电磁环境，可在单模制导雷达、多模复合制导雷达、捷变频雷达等的带内隐身问题上有所应用。目前，常见的方法是在被动FSS结构中加入有源器件、使用电磁特性可变的介质材料、控制不同层间的耦合方式。这些方法的优点是可通过控制开关、外加磁场、增加层数或加载电感元件等来实现FSS结构的主动控制。然而其缺点是：加入有源器件的FSS结构，每个器件需单独集成，工艺十分复杂，且为集成有源器件，使得FSS结构线条制作得较粗，基片材料只能选用透毫米波段以上的有机材料，导致其只能应用在大型雷达天线罩、飞机蒙皮等场合；使用电磁特性可变的介质材料的FSS结构，其材料本身对于可见、红外等波段的不透明性也导致其应用范围存在局限；通过控制不同层间耦合方式的FSS结构，在调节的过程中难以保证两层之间的对准精度。总体来说，这些FSS结构都较为复杂，甚至要复合一些外部线路，工艺难度大，应用场合有限。并且，以上结构都只能实现FSS的中心谐振频率的改变，不能实现FSS结构上的带通、带阻特性的相互转换。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的主动FSS结构是通过在被动FSS结构中加入有源器件、使用电磁特性可变的介质材料或控制不同层间耦合方式等方法实现主动控制，具有结构复杂、工艺难度大等问题。本发明旨在解决该问题，从而提出一种利用光电导薄膜光照导电特性实现带通带阻特性可调的一种FSS结构及该FSS结构的制备方法。

(二)技术方案

鉴于以上，本文提出一种光电可调控FSS。采用具有光电导特性的材料制成光电导薄膜，使其与金属FSS有效连接，利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构图案的变化，从而实现FSS的调控。当无光照时，光电导薄膜导电能力接近于零，只有金属FSS实现特性频选作用，此时的结构为带阻型FSS；当有光照射时，光电导薄膜具有很好的导电能力，与金属FSS共同构成新结构图案的FSS，此时的结构为带通型FSS，其带通带阻特性发生了变化。

本发明的光电可调控FSS结构包括基底及在基底上形成的金属膜，所述金属膜的至少一部分被去除以形成开口区，该开口区露出所述基底，未去除的金属膜的区域构成带阻型FSS图案；所述带阻型FSS振子图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜，与所述金属膜共同构成带通型FSS图案。

优选地，所述带阻型FSS振子图案为“Y”形，该“Y”形FSS振子呈三角排列，光电导薄膜形成在“Y”形FSS振子的三个分支的远心端，使各“Y”形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

优选地，所述带阻型FSS振子图案为间隔的蜂窝状排列的六边环形，所述光电导薄膜形成在间隔的蜂窝状排列的六边环形带阻型FSS图案的外侧间隙，使各六边环形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

优选地，所述金属膜(2)的材料为铜，所述光电导薄膜的材料为Cl^-掺杂的CdS。

本发明还提出一种制备光电可调控FSS结构的方法，包括如下步骤：

S1.在基底上形成金属膜；

S2.去除部分金属膜以露出所述基底，形成带阻型FSS图案；

S3.在带阻型FSS图案的部分区域或该部分区域的邻近区域，形成光电导薄膜，与金属膜共同构成带通型FSS的图案。

(三)有益效果

与现有的主动FSS结构相比，本发明的该光电可调控FSS可实现FSS带通、带阻特性可调，且结构简单、制作工艺难度小，不需外接电路仅通过控制光照即可另外采用光刻技术可将线条做的很细，在屏蔽的同时，满足可见、红外等光波段的透过，应用范围更广。

附图说明

图1A是本发明的一个实施例的光电可调控FSS结构的部分单元的顶视图，显示了该实施例的单元结构形状及单元排布方式；

图1B是图1A的实施例的FSS单元的沿A-A’面的剖面示意图；

图2A是图1A无光照时的等效FSS结构图；

图2B是图1A有光照时的等效FSS结构图；

图3A是本发明的第二个实施例的光电可调控FSS结构的部分单元的顶视图，显示了该实施例的单元结构形状及单元排布方式；

图3B是图3A无光照时的等效FSS结构图；

图3C是图3A有光照时的等效FSS结构图；

图4是本发明的光电可调控FSS结构的制作工艺流程图；

具体实施方式

本发明提出的光电可调控FSS结构包括基底及在基底上形成的金属膜，所述金属膜的至少一部分被去除以形成开口区，该开口区露出所述基底，所述未去除的金属膜区构成带阻型FSS图案，所述带阻型FSS图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜，与金属膜共同构成带通型FSS图案。FSS结构可以通常由多个FSS单元周期性排列形成，每个FSS单元由FSS振子构成。所述金属膜的材料优选为铜，所述光电导薄膜的材料优选为Cl^-掺杂的CdS。

以Y形和六边形结构为实施例来说明带通、带阻特性可相互转换，是由于通过图案的设计，刚好Y形和六边形带阻型结构可转换为六边形带通型结构，且其结构的谐振特性较稳定，因此较容易实现同一频率的完全透射或完全反射。

为了实施光电可调控，本发明设计成使FSS结构图案随着光电效应的发生而发生变化。为了实施这种变化，本发明在带阻型FSS图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成光电导薄膜，构成带通型FSS图案。

当带阻型FSS振子的图案为“Y”形，本发明优选为将“Y”形振子呈三角排列，光电导薄膜形成在“Y”形的三个分支的远心端，使各“Y”形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

当带阻型FSS振子的基本图案为六边环形，，所述光电导薄膜形成在间隔的蜂窝状排列的六边环形带阻型FSS图案的外侧间隙，使各六边环形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

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，对本发明作进一步的详细说明。

为了更加方便地主动控制FSS结构的谐振特性，本发明提出利用光电导效应来调控FSS结构的单元结构图案的方法。其原理是，由于光电导效应的存在，当有恒定光谱照射光电导薄膜时，可使薄膜具有恒定的电导率，可以起到与金属相同的作用对电磁信号进行屏蔽。因此，利用光电导薄膜与金属FSS结构共同构成光电可调控FSS结构，即可通过改变FSS结构的单元图案来实现FSS结构的带通带阻特性的改变。

图1A是本发明的一个实施例的光电可调控FSS结构的部分FSS单元的顶视图。其中，a为主要由铜膜构成的金属区，b为光电导薄膜区，c为开口区。“Y”形金属区a具有三个分支，光电导薄膜区b位于“Y”形金属区a的三个分支的远心端。根据所设计的结构，当没有光照时，光电导薄膜区b的载流子极少，趋近于绝缘状态，对电磁屏蔽不起作用，因此FSS单元的电磁屏蔽结构等同于光电导薄膜区b和开口区c都为通光区,此时该实施例的光电可调控FSS的结构等效为图2A所示Y形带阻型结构，呈带阻特性；当有光照射时，光电导薄膜区b所在区域的载流子激增，与金属区a形成连通导体，与金属铜共同起到屏蔽电磁波的作用，此时FSS单元等同于仅开口区c为通光区，因此该实施例的光电可调控FSS的结构等效为图2B所示六边形带通型结构，呈带通特性。可见，根据光照射的有无，该FSS的单元结构形状发生了改变，从而实现了FSS结构带通带阻特性的光电调控。

图1B是图1A的实施例的FSS单元的沿A-A’面的剖面示意图。如图1B所示，所述FSS单元包括基底1，基底1上形成有铜膜2，铜膜2中开有“Y”形的开口区c，在铜膜2的顶端覆盖有光电导薄膜3。并且，在“Y”形开口区c的三个分支的远心端的侧面也形成有光电导薄膜3，该形成有光电导薄膜3的所述侧面区域即为光电导薄膜区b。

图3A是本发明的第二实施例的光电可调控FSS结构的部分。其中，a、b、c同样分别为金属区、光电导薄膜区和开口区，实际通光区也可随光的有无而改变，当没有光照时，图3A该实施例的光电可调控FSS结构可等效为图3B的六边形带阻型结构，呈带阻特性；当有光照时，图3A该实施例的光电可调控FSS结构可等效为图3C的六边形带通型结构，呈带通特性。从而实现了光照前后带通、带阻特性可光电调控的性能。下面以第一实施例的FSS结构为例说明本发明的光电可调控FSS结构的制作工艺，具体流程如图4所示。

S1.在基底上形成金属膜。

在该实施例中，采用尺寸为50mm×50mm的基底。基底的材料应选择透明、对电磁屏蔽产生极小影响的材料，例如可以是玻璃，在该实施例中采用石英玻璃材料。金属膜材料可选择任何具有良导体特性的材料，例如各类金属，在该实施例中采用铜。在该实施例中，对基底1预处理后，采用真空镀膜技术在基底表面镀铜金属，厚度控制在300nm。但根据不同的应用，其厚度可在几个纳米到几十个微米范围内变化。

S2.去除部分金属膜以露出所述基底，形成带阻型FSS的基本图案。

下面进行步骤S2所包括的具体工艺步骤的说明。

S2.1.在金属膜上涂敷光刻胶。

在该实施例中，用Smartcoater100匀胶机以3500r/min均匀旋涂正性光刻胶。

S2.2.对光刻胶进行曝光和显影。

该实施例中，利用有掩模光刻法进行曝光、显影，然后进行烘烤。掩膜的图案决定了最终形成的振子的图案。

S2.3.对金属膜进行腐蚀。

该步骤采用相应腐蚀液对金属膜进行腐蚀。该实施例中即对铜膜进行腐蚀。

S2.4.去除光刻胶。

经腐蚀去除部分铜膜之后，除去光刻胶。去除表面保护胶后得到带阻型FSS结构。

S3.在带阻型FSS的基本图案的部分区域或该部分区域的邻近区域，形成光电导薄膜，与金属膜共同构成带通型FSS结构图案。

该步骤S3旨在形成光电可调控的结构图案，因此形成光电导薄膜的区域应当使带阻型FSS的基本图案在叠加了光电导薄膜后发生变化，从而使得FSS的结构图案发生变化。本发明不限于光电导薄膜形成的具体位置的图案形状，只要其能够使FSS的结构在有无光照时分别表现为带通型和带阻型即可。

在该实施例中，在900-SA型真空镀膜机上采用模板遮挡法在该步骤S2形成的FSS结构的相应位置上镀上光电导薄膜。光电导薄膜以CdS、CdCl₂、CuCl₂混合物为材料，制备Cl^-掺杂摩尔分数为0.1％的CdS薄膜，厚度控制在1.2±0.1μm。至此便得到光电可调控FSS结构。需要说明的是，图4的步骤S3中显示的3即为形成的光电导薄膜，该图中仅是示意地表示了需要形成光电导薄膜的铜膜区域部分，而并不意味着本发明的所有的铜膜部分及其周边均形成光电导薄膜。

与现有的主动FSS结构相比，本发明的该光电可调控FSS结构简单、制作工艺难度小，仅通过控制光照即可实现FSS结构上的带通、带阻特性可调，且采用光刻技术可将线条做的很细，在屏蔽的同时，满足可见、红外等光波段的透过，因此不仅可以用在飞机蒙皮上，也可用在光学窗口上，在军事及工业领域将有更为广泛的应用前景

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光电可调控FSS结构，包括基底(1)及在基底(1)上形成的金属膜(2)，所述金属膜(2)的至少一部分被去除以形成开口区(c)，该开口区(c)露出所述基底(1)，其特征在于：

未去除的金属膜的区域构成带阻型FSS图案；

所述带阻型FSS振子图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜，与所述金属膜(2)共同构成带通型FSS图案。

2.如权利要求1所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述带阻型FSS振子图案为“Y”形，该“Y”形FSS振子呈三角排列，光电导薄膜形成在“Y”形FSS振子的三个分支的远心端，使各“Y”形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

3.如权利要求1所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述带阻型FSS振子图案为间隔的蜂窝状排列的六边环形，所述光电导薄膜形成在间隔的蜂窝状排列的六边环形带阻型FSS图案的外侧间隙，使各六边环形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述金属膜(2)的材料为铜，所述光电导薄膜的材料为Cl^-掺杂的CdS。

5.一种制备光电可调控FSS结构的方法，包括如下步骤：

S1.在基底上形成金属膜；

S2.去除部分金属膜以露出所述基底，形成带阻型FSS图案；

6.如权利要求5所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述带阻型FSS振子图案为“Y”形，该“Y”形FSS振子呈三角排列，光电导薄膜形成在“Y”形FSS振子的三个分支的远心端，使各“Y”形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

7.如权利要求5所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述带阻型FSS振子图案为间隔的蜂窝状排列的六边环形，所述光电导薄膜形成在间隔的蜂窝状排列的六边环形带阻型FSS图案的外侧间隙，使各六边环形带阻型FSS振子连成一体形成蜂窝状排列的六边环形带通型FSS振子。

8.如权利要求5至7中任一项所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述金属膜(2)的材料为铜，所述光电导薄膜的材料为Cl^-掺杂的CdS。