CN112968293A - 基于增强异常光学透射的太赫兹器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件及其制备方法，太赫兹器件包括基体，所述基体上设置有多个超材料结构，所述超材料结构包括设置于基体上的金属薄板，金属薄板中心处有孔洞，所述孔洞内设置有一硅柱，硅柱上方设置有一外露于所述金属薄板的金属半球。本发明将表面等离子体与局域表面等离子体共振之间的相互作用可进一步增强异常光学透射现象应用于超材料太赫兹器件中，将太赫兹波俘获并收集到较细的波导中去，得到了宽带的太赫兹透射响应，相比于其他器件具有更高的有效透射率和透射带宽。

Description

基于增强异常光学透射的太赫兹器件及其制备方法
技术领域
本发明属于太赫兹超材料功能器件技术领域，具体涉及一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件及其制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
1998年首次观察到光通过纳米孔阵列的不透明金属膜的极大增强传输现象，即异常光学透射(EOT)，并开始了重要的进一步实验和理论工作。这种异常光学透射的特性反映了光的透射比标准孔径理论预期的要大几个数量级。这是由于光与金属薄膜表面的等离激元的耦合作用造成的，通过在亚波长孔周围加入周期性结构，操纵阵列晶格来控制结构材料光学性质进而增强光传输。
太赫兹(THz)电磁频段是目前研究最少的领域，这主要是由于现有光子器件功能的强大限制。等离激元表面是使太赫兹光谱独特特性的实际应用成为现实的伟大促进者，特别是在太赫兹等离激元领域。在这种情况下，近场耦合超表面提供了额外的自由度，能够有效地控制太赫兹传输。
近年来，人们致力于通过复杂的元结构来操纵EOT效应。因此，在许多金属纳米结构中发现了异常光学透射(EOT)现象，如金属-绝缘体-金属波导、电介质/金属核壳纳米结构、连续金属膜和十字孔等。在金属体系中，传导电子的电荷密度及其相应的电磁场可以发生等离子体振荡。这些沿金属表面传播的振荡称为表面等离子体激元(SPP)，它可以克服传统的衍射极限，并在亚波长尺度上操纵光的传播。现已发现，周期性孔阵列金属结构中激发的SPP共振有助于提高光的透射比。局部表面等离子体共振(LSPRs)，起源于孔或纳米颗粒中的单个共振，也被发现有助EOT现象。LSPRs和SPP之间的相互作用可能会进一步增强EOT现象。这些特殊的光学行为主要取决于纳米孔(或纳米颗粒)以及填充电介质的形状、大小和排列，这为设计新型金属纳米结构以操纵纳米尺度上的光提供了机会。然而，在太赫兹范围内，由具有孔的金属薄膜构成的金属纳米结构获得的异常光学透射现象实现的增强幅度较小以及异常光学透射只能在较窄的范围内实现。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件及其制备方法，本发明通过在纳米金属孔阵列中加入金属纳米半球，等离子体之间的相互作用可以显著增强纳米颗粒周围的局部电磁场，来进一步增强光电转换效率。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，包括基体，所述基体上设置有多个超材料结构，所述超材料结构包括设置于基体上的金属薄板，金属薄板中心处有孔洞，所述孔洞内设置有一硅柱，硅柱上方设置有一外露于所述金属薄板的金属半球。
作为可选择的实施方式，所述孔洞的高度与金属薄板的高度一致，所述硅柱的高度与所述金属薄板的高度一致。
作为可选择的实施方式，所述硅柱的半径与金属半球的半径大小一致。
作为可选择的实施方式，所述孔洞为圆柱形，半径为8-18μm，硅柱的半径及金属球的半径为4-9μm。
作为可选择的实施方式，所述超材料结构在基体上呈矩阵式均匀设置，所述超材料结构的间隔为40-50μm。
作为可选择的实施方式，所述金属薄板与金属半球的材质为Au、Al、Ag、Pt或Cu中的任意一种。这几类金属的电导率和磁导率较高，趋肤深度更小，因而光在金属中的损耗就更小。
作为可选择的实施方式，所述金属薄板的厚度为5-10μm。金属层过厚会导致器件尺寸增大，不利于集成，且会增加器件制备成本；而金属层过薄则会导致在趋肤深度尺度上有较大的能量损耗，不利于器件性能的提高。
上述太赫兹器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用机械旋涂法在高阻硅衬底上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影工艺，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，周期结构中的每个单元结构为圆形；
(2)利用材料生长工艺在步骤(1)所得所述周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离金属，并去除光刻胶，清洗后吹干，获得图形化的金属材质的所述金属薄板中心处圆柱孔结构；
(3)在另一块高阻硅衬底上旋涂光刻胶层，在光刻胶层用紫外光刻法或激光直写进行曝光、显影、去胶，得到图形，沿着所述图形刻蚀出硅柱凹槽，将孔阵列转移到PMMA层中，沉积硅材料后剥离出硅柱；
(4)对步骤(3)中的周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离出金属纳米颗粒，利用键合工艺对准键合，将金属纳米颗粒对准硅柱放置，将步骤(2)中的金属薄板中心处圆柱孔结构放置在步骤(3)的衬底上。
作为可选择的实施方式，高阻硅衬底清洗的具体过程包括：将高阻硅衬底放入丙酮中水浴加热超声清洗，再放入乙醇中水浴加热超声清洗，再用去离子水超声清洗，最后氮气吹干。
作为可选择的实施方式，所述刻蚀过程利用感应耦合等离子体刻蚀方法，所述光刻胶均为SU-8光刻胶、PMMA光刻胶、AZ光刻胶中的任意一种；除去光刻胶掩膜的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去。
作为可选择的实施方式，所述材料生长工艺包括电子束蒸发、真空蒸镀、溅射、化学气相淀积中的任意一种。
一种传感器，包括或使用上述基于增强异常光学透射的太赫兹器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将表面等离子体与局域表面等离子体共振之间的相互作用可进一步增强异常光学透射现象应用于超材料太赫兹器件中，将太赫兹波俘获并收集到较细的波导中去，得到了宽带的太赫兹透射响应，相比于其他器件具有更高的有效透射率和透射带宽。
本发明将金属纳米粒子放置在金属圆柱孔内，异常透射响应主要会受到超材料的辐射效应影响，由于超材料的二次辐射，透射峰的位置以及透射峰的FWHM会根据不同的纳米粒子尺寸变化而变化，通过几何参数实现主动调控。本发明的超材料太赫兹器件具有结构简单、可靠性高、可主动调谐的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中提供的太赫兹器件的结构示意图。其中，a图为三维结构示意图；
图2为图1中虚线框内单元结构的剖面图。
图3为孔内不放置半球以及半球的半径从5μm增大到9μm时，在1THz到10THz频段的透射曲线变化。
图4为孔内不放置半球以及半球的半径从4μm增大到9μm时，归一化的最大透射强度TN和占孔面积K的变化曲线图。
图5为孔内不放置半球以及半球的半径从4μm增大到9μm时，透射峰位置以及FWHM变化的曲线图。
图6为固定圆柱孔的半径为15μm，半球的半径为4μm，改变圆柱孔内填充介质的折射率从1变化到1.6时，在1THz到9THz频段的透射曲线变化。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1、图2所示，在本实施例中，提供一种基于增强异常光学透射的太赫兹超材料器件，其周期性的单元结构包括金属薄板上的圆柱孔阵列和孔阵列中心处的硅柱和金属半球结构，圆柱孔的高度与金属薄板高度一致，圆柱孔的中心处有一个与金属薄板高度一致的硅柱，硅柱上方是一个金属半球。所述硅柱与金属半球的半径保持一致。
结构中的金属材料为金，基底材料为硅。周期性排列的圆柱形孔阵列的周期为40-50μm，圆柱形孔的半径为8-18μm，硅柱的半径及金属半球的半径为5-9μm。金属薄板的厚度为5-10μm。
对实施例1的器件中基于增强异常光学透射的太赫兹超材料的透射曲线的仿真计算：
为了获得太赫兹波的最大透射，通过设计和优化超材料单元结构尺寸，在特定频率波段处使得SPP波共振频率与入射太赫兹波的频率匹配，此时入射太赫兹波将最大程度地透射。将硅基底的厚度设置为大于金属薄板厚度的五倍，并且在太赫兹光谱范围内显示出非色散特性。
将该实施例中的超材料对其太赫兹波的透射率进行仿真计算，太赫兹波垂直入射超材料表面，仿真计算中采用Drude模型对金的介质折射率进行描述。金属薄膜中的周期性亚波长结构激发SPP波并根据波长选择性地传输光。透射峰波长近似服从光栅耦合条件
Figure BDA0002978874070000081
其中P为该结构的周期，i，j是沿x和y方向的光栅阶数，εmεd为电介质和金属的介电常数。结果表明当圆柱孔半径设定为15μm，圆柱孔及硅柱的高度为9μm，半球的半径从5μm变化到9μm时，在b为5μm处达到最大透射率为95.6％@6.4THz。
对基于增强异常光学透射的太赫兹超材料器件进行透射率仿真计算：
太赫兹波垂直入射超材料表面，对其太赫兹波的透射率进行仿真计算，随着金属半球半径的增大，占孔面积k随之减小，但归一化透射率从5.1增大到15.9，相比于原来圆柱孔阵列结构归一化透射率增大了5.9倍。
归一化透射率由
Figure BDA0002978874070000082
测得，当占孔面积减小时，归一化透射率越来越大主要是由于LSP的极化率随着金属颗粒尺寸的增大而增大，并且LSP与SPP之间的耦合随着开口距离的减小而增强。
基于增强异常光学透射的太赫兹超材料器件的透射峰进行研究：
太赫兹波垂直入射超材料表面，该超材料的透射峰从6.5THz红移至5.1THz，在半球半径为9μm时，FWHM最高可达1.88THz，相比于原来圆柱孔阵列结构FWHM增大了3.5倍。
超材料通过纳米孔模与金属纳米粒子之间的相互作用，光被孔径俘获后，在局域电场与金属界面上的表面等离子体之间进行强耦合，进而将光收集到超窄波导中，然后再发射到自由空间，当粒子尺寸增加时，SPR会受到二次辐射的影响，此影响将它们的位置移到较小的频率，电子在经历阻尼效应时会失去能量，使透射峰变宽。因而本发明的太赫兹器件可以通过控制半球半径(b)实现异常光学透射的频率调节以及窄带宽带变化。
基于增强异常光学透射的太赫兹超材料器件的异常透射频率峰位置随孔内不同介质的变化仿真计算：
本实例中太赫兹垂直入射到超材料表面，固定圆柱孔以及金属半球和硅柱的半径，圆柱孔的半径为15μm，金属半球以及硅柱的半径为4μm，改变圆柱孔内填充介质的折射率，折射率从1变化到1.6时，透射峰的位置从6.4THz红移至5.6THz，随着n的增加，透射谱呈现出敏感的位移。这使得传感信号能够被光电探测器准确地检测和跟踪。因此，该纳米孔与纳米粒子超材料结构可以做传感应用。
综上，金属纳米粒子放置在金属圆柱孔内，异常透射响应主要会受到超材料的辐射效应影响，由于超材料的二次辐射，透射峰的位置以及透射峰的FWHM会根据不同的纳米粒子尺寸变化而变化，通过几何参数实现主动调控。如图3-图6所示，上述提供超材料太赫兹器件具有结构简单、可靠性高、可主动调谐的优点。
实施例2
提供一种如实施例1提供的基于异常光学透射的太赫兹器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用机械旋涂法在高阻硅上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影工艺，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，周期结构中的每个单元结构为圆形。
(2)利用材料生长工艺在步骤(1)所得所述周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离金属，并去除光刻胶，清洗后吹干，获得图形化的金属材质的所述金属薄板中心处圆柱孔结构。
(3)在另一块高阻硅衬底上旋涂光刻胶层，在光刻胶层用紫外光刻法或激光直写进行曝光、显影、去胶，得到图形，沿着所述图形刻蚀出硅柱凹槽，将孔阵列转移到PMMA层中，沉积硅材料后剥离出硅柱。
(4)对步骤(3)中的周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离出金属纳米颗粒，利用键合工艺对准键合，将金属纳米颗粒对准硅柱放置，最后将步骤(2)中的金属薄板中心处圆柱孔结构放置在步骤(3)的衬底上。
在一些实施例中，高阻硅衬底的清洗方法，包括如下步骤：将高阻硅衬底放入丙酮中水浴加热超声清洗，再放入乙醇中水浴加热超声清洗，再用去离子水超声清洗，最后氮气吹干，即可。
在一些实施例中，刻蚀沟槽的方法为感应耦合等离子体刻蚀方法。所述光刻胶均为SU-8光刻胶、PMMA光刻胶、AZ光刻胶等中的任意一种。所述除去光刻胶掩膜的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去。
在一些实施例中，所述材料生长工艺包括电子束蒸发、真空蒸镀、溅射、化学气相淀积等中的任意一种。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，其特征是：包括基体，所述基体上设置有多个超材料结构，所述超材料结构包括设置于基体上的金属薄板，金属薄板中心处有孔洞，所述孔洞内设置有一硅柱，硅柱上方设置有一外露于所述金属薄板的金属半球。
2.如权利要求1所述的一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，其特征是：所述孔洞的高度与金属薄板的高度一致，所述硅柱的高度与所述金属薄板的高度一致。
3.如权利要求1所述的一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，其特征是：所述硅柱的半径与金属半球的半径大小一致。
4.如权利要求1所述的一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，其特征是：所述孔洞为圆柱形，半径为8-18μm，硅柱的半径及金属球的半径为4-9μm。
5.如权利要求1所述的一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，其特征是：所述超材料结构在基体上呈矩阵式均匀设置，所述超材料结构的间隔为40-50μm。
6.如权利要求1所述的一种基于增强异常光学透射的太赫兹器件，其特征是：所述金属薄板与金属半球的材质为Au、Al、Ag、Pt或Cu中的任意一种；
或，所述金属薄板的厚度为5-10μm。
7.如权利要求1-6中任一项所述的基于增强异常光学透射的太赫兹器件的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)利用机械旋涂法在高阻硅衬底上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影工艺，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，周期结构中的每个单元结构为圆形；
(2)利用材料生长工艺在步骤(1)所得所述周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离金属，并去除光刻胶，清洗后吹干，获得图形化的金属材质的所述金属薄板中心处圆柱孔结构；
(3)在另一块高阻硅衬底上旋涂光刻胶层，在光刻胶层用紫外光刻法或激光直写进行曝光、显影、去胶，得到图形，沿着所述图形刻蚀出硅柱凹槽，将孔阵列转移到PMMA层中，沉积硅材料后剥离出硅柱；
(4)对步骤(3)中的周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离出金属纳米颗粒，利用键合工艺对准键合，将金属纳米颗粒对准硅柱放置，将步骤(2)中的金属薄板中心处圆柱孔结构放置在步骤(3)的衬底上。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：高阻硅衬底清洗的具体过程包括：将高阻硅衬底放入丙酮中水浴加热超声清洗，再放入乙醇中水浴加热超声清洗，再用去离子水超声清洗，最后氮气吹干。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：所述刻蚀过程利用感应耦合等离子体刻蚀方法，所述光刻胶均为SU-8光刻胶、PMMA光刻胶、AZ光刻胶中的任意一种；除去光刻胶掩膜的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去；
或，所述材料生长工艺包括电子束蒸发、真空蒸镀、溅射、化学气相淀积中的任意一种。
10.一种传感器，其特征是：包括或使用如权利要求1-6中任一项所述的基于增强异常光学透射的太赫兹器件。
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