CN114966970A - 基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片及其制备方法 - Google Patents

基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，包括衬底及形成于衬底表面的锗锑碲纳米柱阵列；所述锗锑碲纳米柱阵列包括多个周期性排布的锗锑碲纳米柱，所述锗锑碲纳米柱沿水平x方向和y方向的长度不同；所述透射型波片在红外波段的工作波长响应于锗锑碲纳米柱阵列相变变化而变化；当偏振入射光垂直入射于所述透射型波片后，形成的透射光在x和y方向的分量的振幅相同而相位差不同，所述相位差为0.5π或1.5π时，为四分之一波片；所述相位差为π时为半波片。进一步，本发明还提出制备上述透射型波片的方法。本发明在红外波段可以实现高效透射型半波片和四分之一波片，并且波片的工作波长可以通过锗锑碲相变动态调节。

Description

基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片及其制备方法
技术领域
本明属于光电功能器件技术领域，具体涉及一种基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片及其制备方法。
背景技术
波片在现代光学系统中有许多重要的应用。传统上，人们通过双折射材料设计各种波片。但是，基于这种方法制备出的波片体积较大，不利于制作芯片集成的纳米光学器件。最近，利用超构表面设计波片引起人们广泛的研究，由于其具有体积小并且设计灵活等优势。人们通过设计各向异性的金属或介质微纳结构实现了各种波片，包括半波片和四分之一波片等。波片的工作波长范围也比较广，包括可见光、红外光、太赫兹波和微波等。
尽管人们已经设计出各种波片，但是这些样品一旦被制备完成，其工作波长也就固定。在实际应用中，人们希望波片的工作波长可以被动态调节来满足不同的需求。最近，动态可调的超构表面引起人们广泛的关注。人们通过将超构表面与介电函数可动态调节的材料结合实现了对超构表面功能的动态调控。介电函数可动态调节的材料包括液晶、聚合物、透明导电氧化物、石墨烯、非线性材料和相变材料等。最近已有一些工作通过将超构表面与介电函数可动态调节的材料结合实现了对偏振态的动态调控。然而，到目前为止仍然有两个关键问题有待解决。一方面，之前的研究大多数采用将金属微纳结构与介电函数可动态调节的材料结合，由于金属固有的吸收损耗，这些器件的透射率较低；另一方面，之前的研究也只是实现对固定波长偏振态的动态调控，工作波长可动态调节的透射型半波片和四分之一波片还未得到研究。
锗锑碲(Ge2Sb2Te5)是一种典型的相变材料，其在光数据存储中有重要的应用。室温时锗锑碲为非晶相，当温度升高到160℃，其转变成晶相，并且在640℃以上退火后又能转变成非晶相。锗锑碲在非晶相和晶相之间还存在一些中间相，即部分非晶相转变成晶相。除了温度之外，人们也可以通过光或电压激发锗锑碲相变。由于锗锑碲的介电函数在相变前后变化较大，人们通过将金属微纳结构与锗锑碲薄膜结合实现了各种动态可调的纳米光学器件，比如动态可调的颜色，光吸收开关，以及可调滤光片等。然而，到目前为止，利用锗锑碲纳米结构实现工作波长可动态调节的透射型波片还未得到研究。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，其在红外波段可以实现高效透射型半波片和四分之一波片，并且波片的工作波长可以通过锗锑碲相变动态调节。
具体技术方案如下：
方案一：本发明公开一种基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，包括衬底及形成于衬底表面的锗锑碲纳米柱阵列；所述锗锑碲纳米柱阵列包括多个周期性排布的锗锑碲纳米柱，所述锗锑碲纳米柱沿水平x方向和y方向的长度不同；所述透射型波片在红外波段的工作波长响应于锗锑碲纳米柱阵列相变变化而变化；所述透射型波片还被构造为：当偏振入射光垂直入射于所述透射型波片后，形成的透射光在x和y方向上的分量的振幅相同而相位差为0.5π、π或1.5π；所述相位差为0.5π或1.5π时，所述透射型波片为四分之一波片；所述相位差为π时，所述透射型波片为半波片。
优选的，所述锗锑碲纳米柱的横截面为矩形、椭圆形、L形、T形、十字形。
优选的，所述透射型波片为半波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为矩形时，矩形的长为410±10nm，宽为285±10nm。
优选的，所述透射型波片为半波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为椭圆形时，椭圆形的长轴为460±10nm，短轴为320±10nm。
优选的，所述锗锑碲纳米柱的高度为1000±50nm，周期为850±50nm。
优选的，所述透射型波片为四分之一波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为矩形时，矩形的长为365±10nm，宽为315±10nm。
优选的，所述透射型波片为四分之一波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为椭圆形时，椭圆形的长轴为410±10nm，短轴为350±10nm。
这里需要说明的是，锗锑碲纳米柱的横截面的形状在需要满足各向异性，即在x和y两个正交方向具有不同的尺寸，例如矩形、椭圆形、T形、十字形、L形等。锗锑碲纳米柱阵列中结构参数中的长度、宽度和周期主要影响沿着两个正交方向的等效折射率，高度主要影响透射光的相位。在具体应用时，我们可以固定锗锑碲纳米柱的高度和周期不变，通过改变锗锑碲纳米柱的长度和宽度来调节透射光在x和y方向上的分量的相位差，当相位差为π时为半波片，而相位差0.5π或1.5π时为四分之一波片。
优选的，所述衬底为具有低吸收损耗的介质材料，例如，玻璃、硅、氧化铝、氟化钡、二氧化钛等。
在透射型波片的实际使用时，可以通过热、电和光等方式激发锗锑碲相变，进而动态调节波片的工作波长。
本发明还公开一种方法，其特征在于，用于制备方案一或其任意一项优选方案所述的基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，包括以下步骤：
在衬底表面形成一层锗锑碲薄膜；
在锗锑碲薄膜上覆盖一层电子束胶，将所述电子束胶刻蚀成周期性排布的纳米柱阵列；
利用反应离子束刻蚀去除未被电子束胶覆盖的锗锑碲薄膜；
除去剩余电子束胶后得到周期性排布的锗锑碲纳米柱阵列。
具体的，可通过磁控溅射技术或电子束蒸发技术在在衬底表面形成一层锗锑碲薄膜；可通过电子束刻蚀技术或纳米压印技术将所述电子束胶刻蚀成周期性的纳米柱阵列。
本发明所公开的基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，其中的锗锑碲纳米柱可看作是截断的波导，由于纳米柱沿着x和y方向的长度不同，具有各向异性，因此其沿着x和y方向具有不同的等效折射率。当任意偏振方向的入射光垂直入射于所述透射型波片后，形成的透射光在x和y方向的分量具有不同的相位差。例如，当x和y偏振入射光通过锗锑碲纳米柱阵列时，x和y偏振透射光具有不同的相位差，其中，x和y偏振入射光是指偏振方向为x或y方向的入射光，x和y偏振透射光是指偏振方向为x或y方向的透射光。又例如，当入射光的偏振与X轴夹角为45°时，其可以分解到x和y方向，透射光偏振的x和y分量具有不同的相位差。该相位差可以通过改变锗锑碲纳米柱阵列的几何参数来调节。当相位差为π时为半波片，而相位差0.5π或1.5π时为四分之一波片。因此，我们可以通过调节锗锑碲纳米柱阵列的几何参数来实现透射型半波片和四分之一波片。由于锗锑碲在红外波段是高折射率低吸收损耗的材料，并且其折射率可以通过相变来调节，因此基于锗锑碲纳米柱阵列的透射型半波片和四分之一波片的工作波长也可以通过相变动态调节。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出一种利用锗锑碲纳米柱阵列实现工作波长可动态调节波片的设计思路，通过调节锗锑碲纳米柱阵列的几何参数可以在红外波段实现高效透射型半波片和四分之一波片。
(2)相比于之前需要设计多个不同结构参数的波片来实现不同的工作波长，本发明只需要设计一个锗锑碲纳米柱阵列，通过热、电和光等方式激发锗锑碲相变可以实现不同的工作波长，而无需改变结构参数。
(3)相比于之前将金属微纳结构与锗锑碲结合实现动态可调的纳米光学器件，本发明吸收损耗低、透射率高，而且只需要锗锑碲材料而无需金属材料，因此制备工艺更简单而且成本更低。
附图说明
图1：锗锑碲纳米柱阵列在一个周期单元内的示意图：(a)截面为矩形的锗锑碲纳米柱，(b)截面为椭圆形的锗锑碲纳米柱，(c)截面为L形的锗锑碲纳米柱，(d)截面为T字形的锗锑碲纳米柱，(e)截面为十字形的锗锑碲纳米柱；其中a和b分别为矩形纳米柱的长度和宽度，c和d分别为椭圆形纳米柱的长轴长度和短轴长度，h为纳米柱的高度，P为沿着x和y方向的周期。图中，标记1表示锗锑碲，标记2表示玻璃衬底。
图2：(a)锗锑碲矩形纳米柱阵列处于非晶相时的透射谱；(b)50％的锗锑碲转化为晶相时矩形纳米柱阵列的透射谱；(c)锗锑碲完全转化为晶相时矩形纳米柱阵列的透射谱，(d)锗锑碲椭圆形纳米柱阵列处于非晶相时的透射谱；(e)50％的锗锑碲转化为晶相时椭圆形纳米柱阵列的透射谱；(f)锗锑碲完全转化为晶相时椭圆形纳米柱阵列的透射谱，其中T∥为透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率，T┴为透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率。
图3：(a)锗锑碲矩形纳米柱阵列处于非晶相时的透射谱；(b)50％的锗锑碲转化为晶相时矩形纳米柱阵列的透射谱；(c)锗锑碲完全转化为晶相时矩形纳米柱阵列的透射谱，(d)锗锑碲椭圆形纳米柱阵列处于非晶相时的透射谱；(e)50％的锗锑碲转化为晶相时椭圆形纳米柱阵列的透射谱；(f)锗锑碲完全转化为晶相时椭圆形纳米柱阵列的透射谱，其中TL为透射光中左旋圆偏振的透射率，TR为透射光中右旋圆偏振的透射率。
具体实施例
下面结合附图及具体的实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1公开了一种基于锗锑碲矩形纳米柱阵列动态可调的透射型半波片，结合图1(a)所示的锗锑碲矩形纳米柱阵列在一个周期单元内的锗锑碲纳米柱，锗锑碲纳米柱的横截面为矩形，锗锑碲矩形纳米柱的长度a、宽度b和高度h分别为410nm、285nm和1000nm，而沿着x和y方向的周期P为850nm。
图2(a)给出了锗锑碲处于非晶相时模拟的透射谱，其中入射光的偏振与X轴夹角为45°。我们可以看到当入射光的波长为2μm时，透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率几乎为0，而透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率为0.96。因此，该结构在波长2μm处为高效透射型半波片。我们也计算了当50％的锗锑碲转化为晶相时的透射谱，如图2(b)所示。此时，当入射光的波长为2.44μm和2.67μm时，透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率都几乎为0，而透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率分别为0.81和0.76。因此，当50％的锗锑碲转化为晶相时，半波片的工作波长移动到2.44μm和2.67μm。需要注意的是，当50％的锗锑碲转化为晶相时，锗锑碲的吸收损耗也有所增加，因此与非晶相时的透射率相比，其透射率也相应降低。我们也计算了当锗锑碲完全转化为晶相时的透射谱，如图2(c)所示。此时，当入射光的波长为2.8μm和3.1μm时，透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率都接近0，而透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率分别为0.52和0.57。因此，当锗锑碲完全转化为晶相时，半波片的工作波长移动到2.8μm和3.1μm。当锗锑碲完全转化为晶相时，锗锑碲的吸收损耗进一步增加，因此与50％的锗锑碲转化为晶相时的透射率相比，其透射率进一步降低。从而，当锗锑碲由非晶相转变成晶相时，半波片的工作波长由2μm变化到3.1μm，即实现了动态可调的透射型半波片。
实施例2公开了一种基于锗锑碲椭圆形纳米柱阵列动态可调的透射型半波片，结合图1(b)所示的锗锑碲矩形纳米柱阵列在一个周期单元内的锗锑碲纳米柱，锗锑碲纳米柱的横截面为椭圆形，锗锑碲椭圆形纳米柱的长轴c、短轴d和高度h分别为460nm、320nm和1000nm，而沿着x和y方向的周期P为850nm。
图2(d)给出了锗锑碲处于非晶相时模拟的透射谱，其中入射光的偏振与X轴夹角为45°。我们可以看到当入射光的波长为2μm时，透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率几乎为0，而透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率为0.96。因此，该结构在波长2μm处为高效透射型半波片。我们也计算了当50％的锗锑碲转化为晶相时的透射谱，如图2(e)所示。此时，当入射光的波长为2.44μm和2.66μm时，透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率都几乎为0，而透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率分别为0.79和0.76。因此，当50％的锗锑碲转化为晶相时，半波片的工作波长移动到2.44μm和2.66μm。我们也计算了当锗锑碲完全转化为晶相时的透射谱，如图2(f)所示。此时，当入射光的波长为2.8μm和3.1μm时，透射光中偏振平行于入射光偏振的透射率都接近0，而透射光中偏振垂直于入射光偏振的透射率分别为0.57和0.56。因此，当锗锑碲完全转化为晶相时，半波片的工作波长移动到2.8μm和3.1μm。从而，当锗锑碲由非晶相转变成晶相时，半波片的工作波长由2μm变化到3.1μm，即实现了动态可调的透射型半波片。
实施例3公开了一种基于锗锑碲矩形纳米柱阵列动态可调的透射型四分之一波片，同样结合图1(a)所示的锗锑碲矩形纳米柱阵列在一个周期单元内的锗锑碲纳米柱，锗锑碲纳米柱的横截面为矩形，锗锑碲矩形纳米柱的长度a、宽度b和高度h分别为365nm、315nm和1000nm，而沿着x和y方向的周期都为850nm。
图3(a)给出了锗锑碲处于非晶相时模拟的透射谱，其中入射光的偏振与X轴夹角为45°。我们可以看到当入射光的波长为2μm时，透射光中左旋圆偏振的透射率几乎为0，而透射光中右旋圆偏振的透射率为0.95。因此，该结构在波长2μm处为高效透射型四分之一波片。我们也计算了当50％的锗锑碲转化为晶相时的透射谱，如图3(b)所示。此时，当入射光的波长为2.48μm和2.64μm时，透射光中左旋圆偏振的透射率都几乎为0，而透射光中右旋圆偏振的透射率分别为0.76和0.67。因此，当50％的锗锑碲转化为晶相时，四分之一波片的工作波长移动到2.48μm和2.64μm。我们也计算了当锗锑碲完全转化为晶相时的透射谱，如图3(c)所示。此时，当入射光的波长为2.87μm和3.07μm时，透射光中左旋圆偏振的透射率都接近0，而透射光中右旋圆偏振的透射率分别为0.54和0.38。因此，当锗锑碲完全转化为晶相时，四分之一波片的工作波长移动到2.87μm和3.07μm。从而，当锗锑碲由非晶相转变成晶相时，四分之一波片的工作波长由2μm变化到3.07μm，即实现了动态可调的透射型四分之一波片。
实施例4：基于锗锑碲椭圆形纳米柱阵列动态可调的透射型四分之一波片，同样结合图1(b)所示的锗锑碲矩形纳米柱阵列在一个周期单元内的锗锑碲纳米柱，锗锑碲纳米柱的横截面为椭圆形，锗锑碲椭圆形纳米柱的长轴长c、短轴长d和高度h分别为410nm，350nm和1000nm，而沿着x和y方向的周期都为850nm。
图3(d)给出了锗锑碲处于非晶相时模拟的透射谱，其中入射光的偏振与X轴夹角为45°。我们可以看到当入射光的波长为2μm时，透射光中左旋圆偏振的透射率几乎为0，而透射光中右旋圆偏振的透射率为0.95。因此，该结构在波长2μm处为高效透射型四分之一波片。我们也计算了当50％的锗锑碲转化为晶相时的透射谱，如图3(e)所示。此时，当入射光的波长为2.46μm和2.64μm时，透射光中左旋圆偏振的透射率都几乎为0，而透射光中右旋圆偏振的透射率分别为0.76和0.67。因此，当50％的锗锑碲转化为晶相时，四分之一波片的工作波长移动到2.46μm和2.64μm。我们也计算了当锗锑碲完全转化为晶相时的透射谱，如图3(f)所示。此时，当入射光的波长为2.84μm和3.06μm时，透射光中左旋圆偏振的透射率都接近0，而透射光中右旋圆偏振的透射率分别为0.55和0.39。因此，当锗锑碲完全转化为晶相时，四分之一波片的工作波长移动到2.84μm和3.06μm。从而，当锗锑碲由非晶相转变成晶相时，四分之一波片的工作波长由2μm变化到3.06μm，即实现了动态可调的透射型四分之一波片。
在其它实施例中，锗锑碲纳米柱也可以是图1(c)所示的L形、图1(d)所示的T形，图1(e所示的十字形锗锑碲纳米柱、锗锑碲纳米柱在x和y方向的两条边的长度不相等，因此沿着这两个正交方向具有不同的等效折射率，从而通过调节结构参数可以实现半波片和四分之一波片。在其它实施例中，锗锑碲纳米柱也可以是其它规则或不规则形状，只要其在x和y方向的长度不相等即可。
实施例5公开一种用于制备实施例1～4所述的锗锑碲纳米柱阵列的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤1：通过磁控溅射技术在衬底上镀上一层锗锑碲薄膜。在其它实施例中，也可通过电子束蒸发技术在衬底一层锗锑碲薄膜。
步骤2：在锗锑碲薄膜上旋涂一层电子束胶，然后可通过电子束刻蚀技术或纳米压印技术将电子束胶刻蚀成周期性的纳米柱阵列。
步骤3：利用反应离子束刻蚀去除没有电子束胶覆盖的锗锑碲样品。
步骤4：利用除胶液除去剩下的电子束胶，得到周期性排布的锗锑碲纳米柱阵列。
综上可见，本发明提出利用锗锑碲纳米柱阵列实现动态可调的透射型波片。通过调节结构的几何参数，锗锑碲纳米柱阵列可以在红外波段实现透射型半波片和四分之一波片。当锗锑碲由非晶相转变成晶相时，半波片和四分之一波片的工作波长也随之改变。
最后需要说明的是，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 (10)

1.一种基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，其特征在于，包括衬底及形成于衬底表面的锗锑碲纳米柱阵列；所述锗锑碲纳米柱阵列包括多个周期性排布的锗锑碲纳米柱，所述锗锑碲纳米柱沿水平x方向和y方向的长度不同；
所述透射型波片在红外波段的工作波长响应于锗锑碲纳米柱阵列相变变化而变化；所述透射型波片还被构造为：当偏振入射光垂直入射于所述透射型波片后，形成的透射光在x和y方向上的分量的振幅相同而相位差为0.5π、π或1.5π；所述相位差为0.5π或1.5π时，所述透射型波片为四分之一波片；所述相位差为π时，所述透射型波片为半波片。
2.如权利要求1所述的透射型波片，其特征在于，所述锗锑碲纳米柱的横截面为矩形、椭圆形、L形、T形、十字形。
3.如权利要求2所述的透射型波片，其特征在于，所述透射型波片为半波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为矩形时，矩形的长为410±10nm，宽为285±10nm。
4.如权利要求2所述的透射型波片，其特征在于，所述透射型波片为半波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为椭圆形时，椭圆形的长轴为460±10nm，短轴为320±10nm。
5.如权利要求2所述的透射型波片，其特征在于，所述透射型波片为四分之一波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为矩形时，矩形的长为365±10nm，宽为315±10nm。
6.如权利要求2所述的透射型波片，其特征在于，所述透射型波片为四分之一波片且所述锗锑碲纳米柱的横截面为椭圆形时，椭圆形的长轴为410±10nm，短轴为350±10nm。
7.如权利要求3至6任意一项所述的透射型波片，其特征在于，所述锗锑碲纳米柱的高度为1000±50nm，周期为850±50nm。
8.如权利要求1所述的透射型波片，其特征在于，所述衬底为玻璃、硅、氧化铝、氟化钡、二氧化钛中的任意一种。
9.一种方法，其特征在于，用于制备权利要求1至8任意一项所述的基于锗锑碲纳米柱阵列动态可调的透射型波片，包括以下步骤：
在衬底表面形成一层锗锑碲薄膜；
在锗锑碲薄膜上覆盖一层电子束胶，将所述电子束胶刻蚀成周期性排布的纳米柱阵列；
利用反应离子束刻蚀去除未被电子束胶覆盖的锗锑碲薄膜；
除去剩余电子束胶后得到周期性排布的锗锑碲纳米柱阵列。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过磁控溅射技术或电子束蒸发技术在衬底表面形成一层锗锑碲薄膜；通过电子束刻蚀技术或纳米压印技术将所述电子束胶刻蚀成周期性的纳米柱阵列。
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