CN110261941B - 一种红外区的超材料吸收器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种红外区超材料吸收器，包括依次堆叠的衬底、金属层和电介质层，所述电介质层中设有共振器，所述共振器为由曲线盘绕而成的片状结构。通过将共振器设置为比尔高斯伯曲线(Bill‑Gosper curve)形，通过在同一平面上的结构设计，使吸收器在中红外区产生多个重叠，从而在不增加吸收器厚度的情况下扩大共振峰的吸收和带宽。

Description

一种红外区的超材料吸收器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种红外区的超材料吸收器及其制备方法。
背景技术
超材料因其良好的介电常数和磁导率，展现了优异的电磁响应，引起了越来越多的关注。在超材料吸收器中通常会采用金属结构，基于超材料结构的吸收器能够在紫外线到微米波段展现出完美吸收器特性。由于金属纳米结构上产生的局域表面等离子体共振或表面等离子体极化激元的固有带宽较窄，因此一种使用较为广泛的方法是将多形状或多尺寸的共振器集成到一个单元中，通过合并几个相邻的共振峰扩大吸收和带宽，实现宽带超材料吸收器更广范围的使用——可用于光伏器件、光探测、辐射热测量、雷达隐身、机械谐振的操纵等。
问题在于，由于一个单元中放入的共振器有限，所以吸收带宽的扩展受限。如果垂直叠加共振器以扩展带宽，共振器的体积会不可避免地变大，同时制作也更加耗时。使得共振器无法很好地进行实际的适配应用。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种红外区的超材料吸收器，通过将共振器设置为比尔高斯伯曲线(Bill-Gosper curve)形，通过在同一平面上的结构设计，使吸收器在中红外区产生多个重叠，从而在不增加吸收器厚度的情况下扩大共振峰的吸收和带宽。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种红外区的超材料吸收器，包括依次堆叠的衬底、金属层和电介质层，所述电介质层中设有共振器，所述共振器为由曲线盘绕而成的片状结构。
优选的，所述共振器呈比尔高斯伯曲线形。
优选的，所述共振器为金或铂材质，所述共振器的厚度为50-70nm。
优选的，所述电介质层为聚酰亚胺聚合物材质。
本申请还提供一种红外区的超材料吸收器的制备方法，包括如下步骤：
提供单晶硅衬底；
在单晶硅衬底上设置金属层；
金属层上设置第一电介质层；
在第一电介质层表面制备共振器；
在共振器上设置第二电介质层。
优选的，所述在单晶硅衬底上设置金属层步骤，具体为：
通过电子束蒸发在单晶硅衬底上沉积8-12nm的钛层；
通过电子束蒸发在钛层上沉积95-105nm的铂层或金层。
优选的，所述在金属层上设置第一电介质层步骤，具体为：
在金属层上旋涂聚酰亚胺前驱体，厚度为400-450nm；
聚酰亚胺前驱体放于110-130℃下保温50-70s；
聚酰亚胺前驱体放入N2净化炉中，在200-240℃的温度中加热2-2.5h。
优选的，所述在第一电介质层表面制备共振器步骤，具体为：
在第一电介质层上设置光刻胶；
采用电子束光刻出共振器结构；
对共振器结构显影处理；
在光刻胶上蒸镀金或铂生成共振器；
去除光刻胶。
优选的，所述对共振器结构显影处理步骤，具体为：
添加过量乙酸正戊酯处理2-4min；
添加过量甲基异丁基酮与异丙醇的混合液处理1-2min。
优选的，所述在共振器上设置第二电介质层步骤，具体为：
在第一电介质层上以2000-2200rpm的速率旋涂聚酰亚胺前驱体，沉积得到 380-430nm厚的聚酰亚胺介电层；
聚酰亚胺前驱体放于110-130℃下保温50-70s；
聚酰亚胺前驱体放入N2净化炉中，在200-240℃的温度中加热2-2.5h。
本申请与现有技术相比，其有益效果为：
采用曲线盘绕为片状共振器，使得共振器的吸收宽度不再单一固定，能够在中红外波段产生多个重叠区，从而无需集成多个共振器即可实现共振峰的吸收和带宽的扩大。较小的体积使共振器能够更好地应用于不同设备与领域中。
金或铂材质制备片状共振器，聚酰亚胺聚合物通过两次旋涂制备即可将共振器设置在电介质层中间，制备简单方便，产品质量稳定可靠。
在单晶硅衬底上设置钛层，然后再设置铂或金层，通过钛层作为黏附层，可以使铂层或金层更好地沉积固定在衬底上。
电子束光刻出的共振器结构更为规整整齐，能够精确地确定曲线之间的间距，保证对红外区电波的有效吸收。
旋涂聚酰亚胺前驱体，然后加热进行固化，制备出厚度均匀的第一电介质层。片状的共振器在第一电介质层上能够平稳地放置，不会因为结构的歪斜扭折而影响吸收器共振吸收效果。
附图说明
图1为本发明红外区的超材料吸收器的结构示意正视图；
图2为本发明红外区的超材料吸收器的结构示意俯视图；
图3为比尔高斯伯曲线的结构示意图；
图4为本发明红外区的超材料吸收器的制备流程图；
图5为本发明红外区的超材料吸收器的吸收图。
附图标记：衬底1、铂层2、黏附层21、电介质层3、第一电介质层31、第二电介质层32、共振器4。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2，本发明实施例提供一种红外区的超材料吸收器，包括依次堆叠的P型外延单晶硅材质的衬底1、铂层2和电介质层3，聚酰亚胺聚合物材质的电介质层3中设有片状的共振器4；共振器4为铂材质，厚度为50-70nm。共振器4为由比尔高斯伯曲线盘绕而成的片状结构。作为优选的，本实施例中的共振器 4为三阶比尔高斯伯曲线形。
请参考图3，比尔高斯伯曲线是一条在连续空间中填充的曲线，图3a为一阶比尔高斯伯曲线；通过将一阶比尔高斯伯曲线平移、旋转，扩充覆盖的面积，即得到图3b的二阶比尔高斯伯曲线；再将二阶比尔高斯伯曲线继续平移、旋转，扩充覆盖面积，即得到图3c的三阶比尔高斯伯曲线。本实施例中采用三阶比尔高斯伯曲线形作为共振器的结构，本领域技术人员在理解本技术方案的基础上，还可以采用其他类似的曲线形。
请参考图4，本实施例还提供一种上述红外区的超材料吸收器的制备方法，包括如下步骤：
提供单晶硅材质的衬底1；在本实施例中，优选为P型外延单晶硅；
通过电子束蒸发在单晶硅材质的衬底1上沉积8-12nm的钛层作为黏附层21；
再靠电子束蒸发在钛材质的黏附层21上沉积95-105nm的铂层2；
在铂层2上以2000-2200rpm的速率旋涂聚酰亚胺前驱体，厚度为400-450nm；
聚酰亚胺前驱体放于110-130℃下保温50-70s；
聚酰亚胺前驱体放入N2净化炉中，在200-240℃的温度中加热2-2.5h，制得第一电介质层31；
在第一电介质层31上设置光刻胶；
采用电子束光刻出共振器结构；
添加过量乙酸正戊酯处理2-4min；
添加过量甲基异丁基酮与异丙醇的混合液处理1-2min。
在光刻胶上蒸镀铂生成共振器4；
去除光刻胶；
在设置有共振器4的第一电介质层31上以2000-2200rpm的速率继续旋涂聚酰亚胺前驱体，沉积得到380-430nm厚的聚酰亚胺介电层；
聚酰亚胺前驱体放于110-130℃下保温50-70s；
聚酰亚胺前驱体放入N2净化炉中，在200-240℃的温度中加热2-2.5h，得到第二电介质层32。
第一电介质层31和第二电介质层32的成分相同，因此在制备完成后，第一电介质层31和第二电介质层32之间没有明显的边界，融合为一个整体的电介质层3，将共振器4包裹在内部的预设位置。
请参考图5，本实施例制备出的红外区的超材料吸收器，对于中红外区(波长 3-8μm)电磁波的吸收率都在95％以上，体现出了优秀的吸收效果，从而在不增大吸收器尺寸的情况下，实现了更为宽泛的吸收和带宽。
将片状的共振器4设置为三阶比尔高斯伯曲线形，使得共振器的吸收宽度不再单一固定，能够在中红外波段产生多个重叠区，从而无需集成多个共振器即可实现共振峰的吸收和带宽的扩大。较小体积的共振器能够更好地应用于不同设备与领域中。
电子束蒸发钛层在衬底1上作为黏附层，再在上面沉积铂层2，能够更好地与单晶硅材质的衬底1结合，确保超材料吸收器结构的稳定。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种红外区的超材料吸收器，包括依次堆叠的衬底、金属层和电介质层，所述电介质层中设有共振器，其特征在于，所述共振器为由曲线盘绕而成的片状结构；在衬底上沉积钛层作为黏附层；
所述共振器呈比尔高斯伯曲线形；共振器设置为三阶比尔高斯伯曲线形；共振器设置在电介质层中间；
红外区的超材料吸收器的制备方法，包括如下步骤：
提供单晶硅衬底；
在单晶硅衬底上设置金属层；
金属层上设置第一电介质层；
在第一电介质层表面制备共振器；
在共振器上设置第二电介质层；
所述在单晶硅衬底上设置金属层步骤，具体为：
通过电子束蒸发在单晶硅衬底上沉积8-12nm的钛层；
通过电子束蒸发在钛层上沉积95-105nm的铂层或金层；
所述在金属层上设置第一电介质层步骤，具体为：
在金属层上旋涂聚酰亚胺前驱体，厚度为400-450nm；
聚酰亚胺前驱体放于110-130℃下保温50-70s；
聚酰亚胺前驱体放入N2净化炉中，在200-240℃的温度中加热2-2.5h。
2.如权利要求1所述的红外区的超材料吸收器，其特征在于，所述共振器为金或铂材质，所述共振器的厚度为50-70nm。
3.如权利要求1所述的红外区的超材料吸收器，其特征在于，所述电介质层为聚酰亚胺聚合物材质。
4.如权利要求1所述的红外区的超材料吸收器的制备方法，其特征在于，所述在第一电介质层表面制备共振器步骤，具体为：
在第一电介质层上设置光刻胶；
采用电子束光刻出共振器结构；
对共振器结构显影处理；
在光刻胶上蒸镀金或铂生成共振器；
去除光刻胶。
5.如权利要求4所述的红外区的超材料吸收器的制备方法，其特征在于，所述对共振器结构显影处理步骤，具体为：
添加过量乙酸正戊酯处理2-4min；
添加过量甲基异丁基酮与异丙醇的混合液处理1-2min。
6.如权利要求1所述的红外区的超材料吸收器的制备方法，其特征在于，所述在共振器上设置第二电介质层步骤，具体为：
在第一电介质层上以2000-2200rpm的速率旋涂聚酰亚胺前驱体，沉积得到380-430nm厚的聚酰亚胺介电层；
聚酰亚胺前驱体放于110-130℃下保温50-70s；
聚酰亚胺前驱体放入N2净化炉中，在200-240℃的温度中加热2-2.5h。
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