CN113410647A - 基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器及其制作工艺，其包括：若干呈周期排列的正方形周期单元，该正方形周期单元共有三层，由上至下分别是金属图案层、中间介质层、金属反射层，金属图案层紧贴在中间介质层的表面，金属反射层设置在中间介质层的底部，形成类似三明治结构；所述金属图案层由方形金属开口环、方形金属片和金属条构成，所述方形金属开口环的开口设置在四个顶点位置处，方形金属片设置在方形金属开口环内部且同轴同心，且方形金属片通过金属条与方形金属开口环相连接。本发明提出的太赫兹窄带吸收器结构简单、紧凑、完美对称、易于实现、品质因数高。
Description
技术领域
本发明属于超材料结构太赫兹双频段窄带吸收器，具体而言，是一种能够在双频段内实现高吸收率和高品质因数的太赫兹窄带吸收器。
背景技术
太赫兹(Terahertz)波，一般指波长为0.03～3mm的电磁波，位于微波毫米波和光学红外线之间，靠近微波被称为毫米波，同时靠近光学领域，也被称为远红外辐射，是电子学和光学的过渡区间。近20年来，伴随超快速激光、超快速电子技术和低尺度半导体高速发展，太赫兹辐射的产生、检测和应用等技术得到蓬勃发展，并逐步形成一个新兴交叉学科领域—太赫兹科学技术。作为新型光源，太赫兹波辐射在化学、信息、物理和生物学等基础的研究领域及医学、国防、材料等科学技术领域拥有极大科学价值和广泛未来前景。
对于自然界存在的材料，很难对太赫兹波段产生响应，电磁超材料的出现推动了太赫兹科学技术的进步。电磁超材料是利用自然界已知的材料设计成的周期阵列结构，又称为人工电磁材料，其具有自然界介质所不具有的特殊物理性质。电磁超材料的电磁性质主要取决于所设计的结构，与所采用的物质本身没有多大关系，因此可设计各种各样的结构来适应不同的需要。电磁超材料的灵活特性为许多太赫兹器件问题提供了解决思路。
在众多的太赫兹技术应用中，太赫兹超材料吸收器因完美吸收特性引起了国内外研究学者的广泛关注。太赫兹吸收器是一种可以对入射太赫兹波实现高效吸收的器件，即对入射太赫兹波既不反射也不透射。太赫兹吸收器又可分为太赫兹宽带吸收器和太赫兹窄带吸收器，其中太赫兹窄带吸收器因其高品质因数和高灵敏度特性在近几年来受到了广泛关注，其在窄带热辐射、窄带光电探测、高灵敏度传感等方面都有很大的应用潜力。目前的太赫兹窄带吸收器，因为受器件结构和材料的影响，无法实现高吸收率和高品质因数，且存在加工困难的缺点。2018年，李绍和和李九生设计了一类基于双开口环超材料结构的太赫兹吸收器。该器件由信号输入端、石墨烯层、周期开口环结构金属层、二氧化硅层、高阻硅层、金属反射层构成。在石墨烯化学势为0.7eV时，该器件在 0.7THz处能够吸收97.6％的吸收效率，但是因其超材料结构上的不足，导致品质因数不高和单频带的吸收。当设计合理的超材料结构时，入射太赫兹波能够在多个频带与超材料结构产生强烈的响应，进而实现多频段的吸收。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器及其制作方法。本发明的技术方案如下：
一种基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其包括：若干呈周期排列的正方形周期单元，该正方形周期单元共有三层，由上至下分别是金属图案层、中间介质层、金属反射层，金属图案层紧贴在中间介质层的表面，金属反射层设置在中间介质层的底部，形成类似三明治结构；金属图案层和中间介质层用于将太赫兹波在吸收器中的传输阻抗与在自由空间中的传输阻抗匹配，减小吸收器的反射率；金属反射层阻挡入射太赫兹波透过吸收器，减小吸收器的透射率，进而增强吸收器的吸收率。所述金属图案层由方形金属开口环、方形金属片和金属条构成，所述方形金属开口环的开口设置在四个顶点位置处，方形金属片设置在方形金属开口环内部且同轴同心，且方形金属片通过金属条与方形金属开口环相连接。
进一步的，所述方形金属开口环的边长为330～350μm，线宽为20～30μm，开口大小为20～30μm，金属条的宽度为20～30μm，方形金属片的边长为150～170μm。
进一步的，所述的金属反射层为连续的金属层，金属反射层与中间介质层采用磁控溅射工艺连接在一起。
进一步的，所述正方形周期单元的结构为正方形，正方形边长P为340.0μm。
进一步的，所述的中间介质层的材料为熔融石英，厚度为200.0μm，介电常数为3.75，损耗角正切为0.0004。
进一步的，所述金属图案层的材料为金，厚度为0.1μm，电导率为4.561×107S/m。
进一步的，所述金属反射层的材料为金，厚度为0.1μm，电导率为 4.561×107S/m。
进一步的，所述方形金属片是通过设置在四个边的中间位置处的金属条与方形金属开口环相连接，金属图案层中，方形金属片的边长l＝160.0μm，，开口大小g＝25.0μm，线宽w1＝20.0μm，金属条的宽度w2＝25.0μm。
进一步的，所述金属反射层的厚度远大于其在太赫兹频带的趋肤深度，以吸收器的透射率趋近于0，吸收率公式简化为A(ω)≈1-R(ω)，其中R(ω)表示反射率。
一种基于任一项所述太赫兹双频段窄带吸收器的制作工艺，其包括以下步骤：
第一步：依次使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗石英基片，并用氮气吹干，超声波清洗时间为4分钟；
第二步：使用烘干台干燥石英基片，目的是去除石英基片表面的水蒸气，增加石英表面的粘附性，干燥温度为100℃，烘干时间为4分钟；
第三步：采用磁控溅射方法在石英片顶层镀25nm厚的钛和100nm厚的金，其中钛层起着粘附剂的作用，增加金层和石英片之间的粘附力；
第四步：同样采用磁控溅射方法在石英片底层镀25nm厚的钛和100nm 厚的金，此层为金属反射层；
第五步：将镀过金属膜的石英薄片在120℃环境中进行前烘，烘烤10min，然后在前烘后的石英薄片中的顶层金属表面先低速再高速的顺序均匀旋涂光刻胶，低速为速度为600r/min，匀胶时间为10s，速度为4000r/min，匀胶时间为 30s；
第六步：样品后烘，烘干温度为100℃，烘烤时间为3min，目的是去除光刻胶中的杂质，增加粘附性，提升硅片上光刻胶的均匀性；
第七步：将前烘后冷却至室温的石英基片进行掩膜曝光，目的是将掩膜版上的图形转移到光刻胶上；
第八步：将第五步中的样品使用238显影液进行显影，显影时间大约为45s。目的是去除曝光区域的光刻胶；
第九步：对石英薄片的底层金属表面先低速再高速的顺序均匀旋涂光刻胶，低速为速度为600r/min，匀胶时间为10s，速度为4000r/min，匀胶时间为 30s；
第十步：对样品进行刻蚀，得到顶层的金属图案，采用的刻蚀方法为离子束刻蚀；
第十一步：使用去离子水清洗第十步样品，并使用干燥氮气吹干后使用玻璃器皿盖好。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明提出的太赫兹窄带吸收器的超材料结构中的开口环和金属条均易与入射太赫兹强烈的响应，且在设计尺寸合理的前提下能够对入射太赫兹波实现高效吸收。
2、本发明提出的太赫兹窄带吸收器的顶层金属图案同时关于x和y轴对称，具有四重旋转对称性，且结构大小与周期大小一致，具有结构简单、紧凑和完美对称的优点，此外相邻单元的金属图案紧密连接在一起，使开口环线宽增大，减小了加工难度和加工误差，具有易于实现的优点。
3、本发明提出的太赫兹窄带吸收器，可以在0.3～0.5THz频率范围中的两个特定频点处实现大于99％的吸收率，品质因数大于120。其在0.371THz处对入射太赫兹波的高品质因数吸收源于入射太赫兹波与吸收器结构的强烈相互作用产生的磁谐振，在0.464THz处对入射太赫兹波的高品质因数吸收源于太赫兹波在吸收器中的多反射干涉。
4、本发明提出的太赫兹窄带吸收器因其单元结构的完美对称，能够实现x和y 极化不敏感。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例为本发明提供的基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器阵列结构三维示意图。
图2为基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器的金属图案层的正向示意图。
图3为基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器的侧向示意图。
图4为基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器的吸收性能曲线，A(ω)为吸收率， T(ω)为透射率，R(ω)为反射率。
图5为x和y极化方向的太赫兹波垂直入射到基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器的吸收性能曲线。
图6为吸收器的磁场主要分布；
图7为x和y极化方向的太赫兹波垂直入射到基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器表面时的吸收性能曲线。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提出的基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器，其结构如图1～3所示，由正方形单元结构周期性排列而成。
所述的单元结构为典型的三层结构，从上至下依次为金属图案层1、中间介质层2、金属反射层3。
所述的金属图案层1由方形金属开口环、方形金属片和金属条构成。图2为金属图案层，金属图案层紧贴在中间介质层的表面，类似三明治结构。
所述的金属反射层3为连续的金属层，金属反射层与中间介质层紧密的联合在一起。
所述的单元结构为正方形，其周期边长P为340.0μm。
所述的中间介质层，材料为熔融石英，厚度为200.0μm，介电常数为3.75，损耗角正切为0.0004。
所述的金属图案层，材料为金，厚度为0.1μm，电导率为4.561×107S/m。
所述的金属反射层，材料为金，厚度为0.1μm，电导率为4.561×107S/m。
所述的金属图案层，如图2所示，具体尺寸分别为：l＝160.0μm，g＝25.0μm， w1＝20.0μm，w2＝25.0μm。
当太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到所述的基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器吸收器表面时，吸收器的吸收率可以表示为A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，其中R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率，为了使吸收率最大化，需要在工作频率范围内吸收器的反射率和透射率尽可能的小。
因为所述的金属反射层的厚度远大于其在太赫兹频带的趋肤深度，所以吸收器的透射率趋近于0，吸收率公式可以简化为A(ω)≈1-R(ω)。
当x方向极化太赫兹波沿-z方向垂直入射到超材料窄带吸收器表面时，非谐振频率处的大部分的电磁波能量被反射，并且反射波和透射波中的极化转换几乎不存在，谐振频率0.371THz和0.464THz处的电磁波能量与吸收器相互作用，大部分的能量被吸收，只有很少的能量被反射，这说明实现了较完美的吸收。
如图4所示，其中A(ω)表示吸收率，T(ω)表示透射率，R(ω)表示反射率。设计的基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器在谐振频率f0＝0.371THz和0.464THz 处的吸收率分别为99.9％和99.6％，，相应的反射率为0.1％和0.4％，吸收曲线的半高全宽(Full Widthat Half Maximum，FWHM)分别为0.003THz和0.001THz，相应的品质因数(Q＝f0/FWHM)为128和325。
如图5所示，利用多反射干涉理论计算可得到吸收器的吸收率，计算结果中吸收器在0.372THz处能够对入射太赫兹波实现96.1％的吸收，与吸收器的仿真结果基本吻合，这说明太赫兹窄带吸收器在0.371THz处的高品质因数的吸收源于入射太赫兹波在吸收器中的多反射干涉。
如图6所示，在0.464THz处可以观察到吸收器的磁场主要分布在吸收器顶层金属图案与底层金属反射层之间的中间介质层中，这说明入射太赫兹波与吸收器发生强烈的响应，在吸收器的中间介质层中形成磁谐振，进而引起吸收器在0.464THz处的高品质因数吸收。
如图7所示，x和y极化方向的太赫兹波垂直入射到基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器表面时，窄带吸收器的两个谐振频率和吸收率几乎没有变化，这说明本发明提供的基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器能够实现x和y极化不敏感。
基于超材料结构的太赫兹窄带吸收器的制作，其特征在于，采用标准半导体器件微机械加工工艺。
第一步：依次使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗石英基片，并用氮气吹干，超声波清洗时间为4分钟。
第二步：使用烘干台干燥石英基片，目的是去除石英基片表面的水蒸气，增加石英表面的粘附性，干燥温度为100℃，烘干时间为4分钟。
第三步：采用磁控溅射方法在石英片顶层镀25nm厚的钛和100nm厚的金，其中钛层起着粘附剂的作用，增加金层和石英片之间的粘附力；
第四步：同样采用磁控溅射方法在石英片底层镀25nm厚的钛和100nm 厚的金，此层为金属反射层；
第五步：将镀过金属膜的石英薄片在120℃环境中进行前烘，烘烤10min，然后在前烘后的石英薄片中的顶层金属表面先低速再高速的顺序均匀旋涂光刻胶，低速为速度为600r/min，匀胶时间为10s，速度为4000r/min，匀胶时间为 30s；
第六步：样品后烘，烘干温度为100℃，烘烤时间为3min，目的是去除光刻胶中的杂质，增加粘附性，提升硅片上光刻胶的均匀性。
第七步：将前烘后冷却至室温的石英基片进行掩膜曝光，目的是将掩膜版上的图形转移到光刻胶上。
第八步：将第五步中的样品使用238显影液进行显影，显影时间大约为45s。目的是去除曝光区域的光刻胶。
第九步：对石英薄片的底层金属表面先低速再高速的顺序均匀旋涂光刻胶，低速为速度为600r/min，匀胶时间为10s，速度为4000r/min，匀胶时间为 30s；
第十步：对样品进行刻蚀，得到顶层的金属图案，采用的刻蚀方法为离子束刻蚀；
第十一步：使用去离子水清洗第十步样品，并使用干燥氮气吹干后使用玻璃器皿盖好。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，包括：若干呈周期排列的正方形周期单元，该正方形周期单元共有三层，由上至下分别是金属图案层、中间介质层、金属反射层，金属图案层紧贴在中间介质层的表面，金属反射层设置在中间介质层的底部，形成类似三明治结构；金属图案层和中间介质层用于将太赫兹波在吸收器中的传输阻抗与在自由空间中的传输阻抗匹配，减小吸收器的反射率；金属反射层阻挡入射太赫兹波透过吸收器，减小吸收器的透射率，进而增强吸收器的吸收率，所述金属图案层由方形金属开口环、方形金属片和金属条构成，所述方形金属开口环的开口设置在四个顶点位置处，方形金属片设置在方形金属开口环内部且同轴同心，且方形金属片通过金属条与方形金属开口环相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述方形金属开口环的边长为330～350μm，线宽为20～30μm，开口大小为20～30μm，金属条的宽度为20～30μm，方形金属片的边长为150～170μm。
3.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述的金属反射层为连续的金属层，金属反射层与中间介质层采用磁控溅射工艺连接在一起。
4.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述正方形周期单元的结构为正方形，正方形边长P为340.0μm。
5.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述的中间介质层的材料为熔融石英，厚度为200.0μm，介电常数为3.75，损耗角正切为0.0004。
6.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述金属图案层的材料为金，厚度为0.1μm，电导率为4.561×107S/m。
7.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述金属反射层的材料为金，厚度为0.1μm，电导率为4.561×107S/m。
8.根据权利要求2所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述方形金属片是通过设置在四个边的中间位置处的金属条与方形金属开口环相连接，金属图案层中，方形金属片的边长l＝160.0μm，，开口大小g＝25.0μm，线宽w1＝20.0μm，金属条的宽度w2＝25.0μm。
9.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹双频段窄带吸收器，其特征在于，所述金属反射层的厚度远大于其在太赫兹频带的趋肤深度，以吸收器的透射率趋近于0，吸收率公式简化为A(ω)≈1-R(ω)，其中R(ω)表示反射率。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述太赫兹双频段窄带吸收器的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：依次使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗石英基片，并用氮气吹干，超声波清洗时间为4分钟；
第二步：使用烘干台干燥石英基片，目的是去除石英基片表面的水蒸气，增加石英表面的粘附性，干燥温度为100℃，烘干时间为4分钟；
第三步：采用磁控溅射方法在石英片顶层镀25nm厚的钛和100nm厚的金，其中钛层起着粘附剂的作用，增加金层和石英片之间的粘附力；
第四步：同样采用磁控溅射方法在石英片底层镀25nm厚的钛和100nm厚的金，此层为金属反射层；
第五步：将镀过金属膜的石英薄片在120℃环境中进行前烘，烘烤10min，然后在前烘后的石英薄片中的顶层金属表面先低速再高速的顺序均匀旋涂光刻胶，低速为速度为600r/min，匀胶时间为10s，速度为4000r/min，匀胶时间为30s；
第六步：样品后烘，烘干温度为100℃，烘烤时间为3min，目的是去除光刻胶中的杂质，增加粘附性，提升硅片上光刻胶的均匀性；
第七步：将前烘后冷却至室温的石英基片进行掩膜曝光，目的是将掩膜版上的图形转移到光刻胶上；
第八步：将第五步中的样品使用238显影液进行显影，显影时间大约为45s。目的是去除曝光区域的光刻胶；
第九步：对石英薄片的底层金属表面先低速再高速的顺序均匀旋涂光刻胶，低速为速度为600r/min，匀胶时间为10s，速度为4000r/min，匀胶时间为30s；
第十步：对样品进行刻蚀，得到顶层的金属图案，采用的刻蚀方法为离子束刻蚀；
第十一步：使用去离子水清洗第十步样品，并使用干燥氮气吹干后使用玻璃器皿盖好。
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