CN113093319B - 一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用。包括基底和硅基底上的周期性排布机构，每个周期性结构包括一个圆盘凸起结构和一个金属条状结构，金属条状结构位于圆盘结构的一侧，金属条状结构与圆盘凸起结构的直径平行。利用金属和介质进行相耦合，金属和介质分别产生明暗模式，并且在太赫兹波段内发生破坏性干扰，最终在太赫兹频率范围内处实现了电磁诱导透明现象，于1.6‑1.9太赫兹处发现了电磁诱导透明窗口，实现了在材料选取上的创新。

Description

一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电磁超材料技术领域，具体涉及一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

电磁超材料又称超构材料、电磁超常材料等，电磁超材料具有与普通材料不同的电磁特性。基于电磁超材料的电磁诱导透明材料，电磁诱导透明材料的特征是在原来宽的吸收谱中出现一个陡峭的宽带传输峰，也叫透射峰。

由于电磁诱导透明现象具有对场的调控作用，在许多领域内都有着令人期待的应用前景，例如慢光效应、光传感器、增强的非线性效应等等，所以在近年来，有关电磁诱导透明的研究越来越多，尤其是在备受瞩目的太赫兹频率范围内。现有的电磁诱导透明实现方式，一般都是通过金属之间的耦合来激发形成，由于金属的材料损耗例如欧姆损耗较大，也有大量的关于全介质材料实现电磁诱导透明的工作，旨在降低材料的损耗。发明人发现，现有技术中利用介质和金属相耦合的，即令介质参与到电磁诱导透明超材料中，往往需要加入石墨烯介质，利用其调谐特性来对电磁诱导透明窗口进行调谐。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种太赫兹电磁诱导透明超材料，包括基底和硅基底上的周期性排布机构，每个周期性结构包括一个圆盘凸起结构和一个金属条状结构，金属条状结构位于圆盘结构的一侧，金属条状结构与圆盘凸起结构的直径平行。

本发明利用金属和介质进行相耦合，金属和介质分别产生明暗模式，并且在太赫兹波段内发生破坏性干扰，最终在太赫兹频率范围内处实现了电磁诱导透明现象，于1.6-1.9太赫兹处发现了电磁诱导透明窗口，实现了在材料选取上的创新。

单独介质圆盘的模式由于在耦合产生的共振峰频率位置无法被正常激发，故认定圆盘产生的模式为暗模式，具体为anapole模式；单独的金属棒则可以在正常入射波激发下产生表面等离激元效应，故认定为明模式。并且明暗两个模式在1.6-1.9THz频率处发生破坏性耦合产生一种EIT效应。

本发明解决了金属与介质耦合需要石墨烯作为介质的问题。本发明中将立体圆盘结构作为介质，产生暗模。金属条状结构作为明模。两者的形状设置和位置设置，使相互之间产生耦合，最后在一定的频率下产生EIT效应。

在本发明的一些实施方式中，圆盘凸起结构的半径为10-100μm，厚度1-10μm；进一步，圆盘凸起结构的半径为30-50μm，厚度为3-8μm；更进一步，圆盘凸起结构的半径为35-40μm，厚度为3-5μm。圆盘的直径大小影响入射场的频率。对透射率基本没有影响，透射率基本接近于1，具有EIT效应。

在本发明的一些实施方式中，金属条状结构的长度为10-100μm，宽度1-10μm，厚度0.1-1um；进一步，金属条状结构的长度为36-40μm，厚度为0.3-0.6μm。产生EIT效应对几何尺寸的微小变化是非常敏感的，所以如果金属条状结构的几何尺寸和圆盘凸起结构的几何尺寸超过范围，会影响明暗模式的相消干涉。

在本发明的一些实施方式中，金属条状结构的长度比圆盘结构的直径相差0-30微米。金属条状结构的长度比圆盘结构的直径略小或基本相等。

在本发明的一些实施方式中，圆盘凸起结构与金属条状结构之间的间距为1.5-3μm。间距为圆盘凸起结构的边缘与金属条状结构的边缘之间的最短距离。

入射场的能量无法直接耦合给暗模，只有通过明模，将能量近场耦合给暗模。能量从入射场先耦合到明模，然后明模再把大部分能量再耦合给暗模，最后，暗模表现为高能量值，明模表现为低能量值。明模可以给暗模耦合能量，而暗模的能量也可以再次耦合回明模，这样就形成了两条通道，当这两条通道发生相消干涉时，会导致电磁诱导透明现象。

周期性单元结构的几何结构设计和材质影响发生耦合时的耦合系数。圆盘凸起结构与金属条状结构之间的间距影响明模和暗模之间耦合、干涉的过程，影响产生电磁诱导透明现象。

在本发明的一些实施方式中，周期性排布机构为矩形阵列的排布形式。

在本发明的一些实施方式中，相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的最短间距为100-200μm；进一步，间距为110-140μm。

在本发明的一些实施方式中，每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的最长间距为10-100μm；进一步，间距为80-100μm。

周期性结构的设置，对整体结构的电磁诱导透明的效果具有影响，在一定的间距的设置下，才能使整体产生稳定的EIT效应。

在本发明的一些实施方式中，金属条状结构的材质为金、银、铝、铁、钛等金属材料中的一种。

在本发明的一些实施方式中，圆盘凸起结构的材质与基底的材质相同。

在本发明的一些实施方式中，基底为硅基底或石英衬底。

金属条状结构的材质和圆盘凸起结构的材质影响耦合系数。

第二方面，上述太赫兹电磁诱导透明超材料的制备方法，具体步骤为：

依次在基底上形成周期性的圆盘结构、条状结构；

然后在条状结构对应的位置上生长金属层。

先生长出了凸起的盘结构，在后续蚀刻步骤以后留下了没有光刻胶的条状结构，在没有光刻胶的地方生长金属，最后除去光刻胶以后便留下金属条状结构。

在本发明的一些实施方式中，在基底上形成周期性的圆盘结构的方法为：在基底上涂覆光刻胶，然后烘干、冷却、曝光、显影、定影得到周期性的圆盘状的光刻胶掩膜结构，然后进行刻蚀得到周期性的圆盘结构。

在本发明的一些实施方式中，在基底上形成周期性的条状结构的方法为：在具有周期性的圆盘结构的基底上涂覆光刻胶，然后烘干、冷却、曝光、显影、定影得到周期性的条状的光刻胶掩膜结构，然后进行刻蚀得到周期性的条状结构。

在本发明的一些实施方式中，生长金属层的方法为电子束蒸发法。

在本发明的一些实施方式中，金属层制备之后，利用liftoff方法除去光刻胶。

第三方面，上述的太赫兹电磁诱导透明超材料在慢光、光信号处理、光存储、量子开关、光传感等领域的应用。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

相比于现有技术，解决了只能通过添加石墨烯等介质来进行耦合产生电磁诱导透明现象的问题。本发明成功的利用金属和介质来分别产生明暗模式，并且在太赫兹波段内发生破坏性干扰，最终在太赫兹频率范围内处实现了电磁诱导透明现象，于1.654附近太赫兹处发现了电磁诱导透明窗口，实现了在材料选取上的创新。因此在慢光、光信号处理、光存储、量子开关、光传感等领域中具有更大的应用价值。

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申请的进一步理解，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为太赫兹电磁诱导透明超材料的结构图；

图2为太赫兹电磁诱导透明超材料的尺寸图；

图3为在改变圆盘的半径参数时的透射曲线图；

图4为改变背景折射率的条件下的透射曲线图；

图5为实施例1、对比例1、对比例2三种不同单元结构的透射曲线图。

具体实施方式

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申请的示例性实施方式。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。下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

(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，形成所述周期的圆状结构的光刻胶掩膜结构。

(2)在(1)的基础上进行刻蚀，形成一个个周期性的立体盘结构，圆盘半径为36μm，厚度为4μm。

(3)先在步骤(2)所述得到的结构上，利用机器旋涂法在结构表面悬涂一层光刻胶，烘干冷却后进行曝光、显影，获得只剩下带状的光刻胶掩模结构，然后利用材料生长工艺，在刻蚀后的结构上生长金属。圆盘凸起结构与金属条状结构之间的间距为2μm。

(4)最后对结构进行liftoff工艺，除去光刻胶并且留下带状的立体的金属结构，清洗后吹干，即得。金属条状结构的长度为72μm，厚度为0.5μm。

相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的最短间距为120μm。

每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的最长间距为92μm。

实施例2

(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，形成所述周期的圆状结构的光刻胶掩膜结构。

(2)在(1)的基础上进行刻蚀，形成一个个周期性的立体盘结构，圆盘半径为38μm，厚度为4μm。

(3)先在步骤(2)所述得到的结构上，利用机器旋涂法在结构表面悬涂一层光刻胶，烘干冷却后进行曝光、显影，获得只剩下带状的光刻胶掩模结构，然后利用材料生长工艺，在刻蚀后的结构上生长金属。圆盘凸起结构与金属条状结构之间的间距为2μm。

(4)最后对结构进行liftoff工艺，除去光刻胶并且留下带状的立体的金属结构，清洗后吹干，即得。金属条状结构的长度为76μm，厚度为0.5μm。

相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的最短间距为120μm。每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的最长间距为92μm。

实施例3

(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，形成所述周期的圆状结构的光刻胶掩膜结构。

(2)在(1)的基础上进行刻蚀，形成一个个周期性的立体盘结构，圆盘半径为40μm，厚度为4μm。

(3)先在步骤(2)所述得到的结构上，利用机器旋涂法在结构表面悬涂一层光刻胶，烘干冷却后进行曝光、显影，获得只剩下带状的光刻胶掩模结构，然后利用材料生长工艺，在刻蚀后的结构上生长金属。圆盘凸起结构与金属条状结构之间的间距为2μm。

(4)最后对结构进行liftoff工艺，除去光刻胶并且留下带状的立体的金属结构，清洗后吹干，即得。金属条状结构的长度为80μm，厚度为0.5μm。

相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的最短间距为120μm。每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的最长间距为92μm。

图1为太赫兹电磁诱导透明超材料的几何结构图，左侧的图为整体结构的三维视图，右侧的两个图为结构单个周期单元的俯视图(右上)，和正视图(右下)。

图2中，Px为每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的最长间距；

Py为相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的最短间距；

R为圆盘结构的半径；

Gap为圆盘结构与金属条状结构之间的间距；

t1为圆盘结构的厚度；t2为金属条状结构的厚度。

其中d1，d2对发明产生的效果没有影响。

对比例1

相比于实施例1，只制备周期性的圆盘结构。

对比例2

相比于实施例1，只制备周期性的条状金属结构。

实验例

将实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2得到的太赫兹电磁诱导透明超材料在室温的条件下，利用太赫兹时域光谱仪测量EIT的响应频率。

图3中可以看到，当介质圆盘的半径会引起EIT模式的频率变化；在半径为36、38、40um的条件下，EIT现象的峰值透射率几乎没有发生变化，均接近1；而透射峰的频率发生改变，由1.82THz逐渐红移到1.65THz左右。

图4为实施例2材料进行测试，测试方法为将检测物(检测物是与提到的折射率相对应的物质)旋涂于器件表面，通过改变器件表面的检测物种类，利用太赫兹时域光谱仪测量EIT的响应频率的偏移，偏移量对应于不同的背景折射率，相当于检测物折射率，实现对不同物质的检测。可以看到在四种不同的折射率1.4、1.42、1.44、1.48的条件下，形状没有明显的变化，但是发生了频率移动，这也是器件可以检测不同折射率物质的特性。

图5为三种不同形状的曲线分别对应只有圆盘结构的(SDonly)，只有金属棒结构的(MBonly)和圆盘金属棒混合的(Hybrid)的透射曲线图。可以看到，只有圆盘金属棒混合的(Hybrid)的透射曲线在太赫兹波段下的电磁诱导透明现象。而SDonly折射率基本保持不变，MBonly的折射率虽然发生了变化，但是并没有出现透射现象。

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。

Claims (15)

1.一种太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：包括基底和基底上的周期性排布机构，每个周期性结构包括一个圆盘凸起结构和一个金属条状结构，金属条状结构位于圆盘结构的一侧，金属条状结构与圆盘凸起结构的直径平行；

圆盘凸起结构的半径为10-100μm，厚度1-10μm；

金属条状结构的长度为10-100μm，宽度1-10μm，厚度0.1-1um；

圆盘凸起结构与金属条状结构之间的间距为1.5-3μm；

相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的间距为100-200μm；

每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的间距为10-100μm；金属条状结构的材质为金、银、铝、铁、钛金属材料中的一种。

2.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：圆盘凸起结构的半径为30-50μm，厚度为3-8μm。

3.如权利要求2所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：圆盘凸起结构的半径为35-40μm，厚度为3-5μm。

4.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：金属条状结构的长度为36-40μm，厚度为0.3-0.6μm。

5.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：金属条状结构的长度比圆盘结构的直径相差0-30μm。

6.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：周期性排布机构为矩形阵列的排布形式。

7.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：相邻两排周期性结构之间的，相对的两个圆盘外边缘的间距为110-140μm。

8.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：每排的相邻的两个周期性结构的，圆盘外边缘的间距为80-100μm。

9.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：圆盘凸起结构的材质与基底的材质相同。

10.如权利要求1所述的太赫兹电磁诱导透明超材料，其特征在于：基底为硅基底或石英衬底。

11.如权利要求1-10任一项所述的太赫兹电磁诱导透明超材料的制备方法，其特征在于：

具体步骤为：

依次在基底上形成周期性的圆盘结构、条状结构；

然后在条状结构对应的位置上生长金属层。

12.如权利要求11所述的太赫兹电磁诱导透明超材料的制备方法，其特征在于：在基底上形成周期性的圆盘结构的方法为：在基底上涂覆光刻胶，然后烘干、冷却、曝光、显影、定影得到周期性的圆盘状的光刻胶掩膜结构，然后进行刻蚀得到周期性的圆盘结构。

13.如权利要求11所述的太赫兹电磁诱导透明超材料的制备方法，其特征在于：在基底上形成周期性的条状结构的方法为：在具有周期性的圆盘结构的基底上涂覆光刻胶，然后烘干、冷却、曝光、显影、定影得到周期性的条状的光刻胶掩膜结构，然后进行刻蚀得到周期性的条状结构。

14.如权利要求11所述的太赫兹电磁诱导透明超材料的制备方法，其特征在于：生长金属层的方法为电子束蒸发法。

15.如权利要求1-10任一项所述的太赫兹电磁诱导透明超材料在慢光、光信号处理、光存储、量子开关、光传感领域的应用。

Images