CN115097560A - 一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构及其制备方法，栅格微纳结构由下到上依次包括基体、反射体和填充体；基体为电介质或金属；基体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体为金属；反射体覆盖在基体表面，覆盖区域包含基体表面的栅格沟槽，且反射体表面也具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体表面的栅格沟槽与基体表面的栅格沟槽一一对应，反射体表面栅格沟槽的截面尺寸小于相应的基体表面栅格沟槽的截面尺寸；填充体为固体电介质、液体电介质或气体电介质；填充体覆盖在反射体表面，并填充反射体表面的栅格沟槽。本发明中设计的对电磁波选择性吸收的栅格微纳结构可用于红外隐身、气体传感器或液体传感器。
Description
技术领域
本发明属于红外技术领域，涉及一种电磁波选择性吸收结构，尤其涉及一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构及其制备方法。
背景技术
红外技术在探测、成像、冷却、隐身等领域的应用日益广泛，尤其是军事方面的相关研究。例如红外隐身对于降低关键军事目标的打击概率至关重要。由Stefan-Boltzmann定律，物体的红外辐射功率受表面温度和红外辐射率影响。为了实现高性能的红外隐身效果，需要使目标的红外辐射在大气窗口(3-5μm和8-14μm)尽可能低，在非大气窗口(5-8μm)尽可能高，从而需要对目标的红外辐射进行选择性辐射。由基尔霍夫定律，结构对于一定波段电磁波的吸收相较于其余波段更强，则对此波段电磁波的辐射也更强。因而红外隐身结构需要实现在大气窗口吸收较低，非大气窗口吸收较高，结构原理如图1所示。非大气窗口波段电磁波射入结构，在栅格沟槽两侧激发偶极电荷分布，并随电磁波周期性震荡，使得电磁波能量以欧姆损耗的形式耗散在结构内部，实现对电磁波的吸收；其余波段电磁波在结构中反射体的作用下具有较高反射，从而实现红外隐身。但值得注意的是，此栅格结构从原理上并不限于红外波段，通过调整结构尺寸及材料，可实现对任意波段电磁波的选择性吸收。目前用于红外隐身的相关结构，主要包括低红外发射率涂层、光子晶体、阻抗匹配薄膜和MDM(Metal-Dielectric-Metal)电磁谐振结构。其中MDM电磁谐振结构因其良好的调谐性能受到广泛关注。但是，目前现有的电磁谐振结构均为周期性的单元结构，存在机械鲁棒性弱的问题，从而导致其应用受限。
发明内容
本发明提供一种新颖的MDM电磁谐振结构，基于栅格微纳结构实现电磁波的选择性吸收，并提出其加工方法，实现结构功能一体化设计，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，具有这样的特征：由下到上依次包括基体、反射体和填充体；基体为电介质或金属；基体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体为金属；反射体覆盖在基体表面，覆盖区域包含基体表面的栅格沟槽，且反射体表面也具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体表面的栅格沟槽与基体表面的栅格沟槽一一对应，反射体表面栅格沟槽的截面尺寸小于相应的基体表面栅格沟槽的截面尺寸；填充体为固体电介质、液体电介质或气体电介质；填充体覆盖在反射体表面，并填充反射体表面的栅格沟槽。
进一步，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述基体的电介质材料为硅或锗，金属材料为铜、钛、铝、不锈钢或高温合金；所述反射体为金、银、铝、铜或铂；所述填充体的固体电介质为三氧化二铝、氟化镁、二氧化锆、碳化硅、氮化硅或锗，液体电介质可以为氯化钠溶液、葡萄糖溶液、丁香油或二硫化碳等，气体电介质可以为空气、氮气或二氧化碳等。
填充体的选择较为灵活，主要针对以下不同应用：1、保护反射体。例如，红外隐身结构，可采用二氧化锆作为固体电介质填充，在反射体表面形成一层连续的陶瓷保护层。2、作为传感器，区分不同液体电介质或同种液体电介质的不同浓度。例如区分氯化钠溶液和葡萄糖溶液，当栅格微纳结构加工完成后，尺寸不再改变，当不同的液体填充在反射体栅格沟槽中，结构对电磁波的吸收会出现频谱移动，从而进行区别。气体传感器与液体传感器同理。其中空气较为特殊，此时可以简化结构加工，且仍可作为电磁波选择性辐射器用于红外隐身、辐射冷却等多种场合。
进一步，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述基体的栅格沟槽的槽顶宽度为0.28-2.6μm，槽顶宽度与槽底宽度之比为5/1-2/1，深度为0.25-3μm；基体的栅格沟槽的周期尺寸为3-6μm，一个周期内排列一个或多个(两个及以上)栅格沟槽，不同的栅格沟槽对应不同波长的电磁波吸收，一个周期内排列多个栅格沟槽可实现电磁波的宽带吸收；基体的厚度大于5μm。
进一步，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述反射体的栅格沟槽的槽顶宽度为0.18-0.6μm，深度为0.2-2μm；反射体的厚度为0.05-1μm。
进一步，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述填充体的厚度大于2μm。
本发明还提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，具有这样的特征：首先通过飞秒激光直写或离子束刻蚀在基体表面加工出栅格沟槽；然后通过电子束蒸镀或磁控溅射在基体上沉积反射体金属；最后通过电子束蒸镀或磁控溅射在反射体上沉积固体电介质作为填充体，或者在表面倾倒液体电介质作为填充体，或者直接在气体电介质环境中使用，不再沉积。
进一步，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，飞秒激光直写或离子束刻蚀加工基体的栅格沟槽时，先调整好激光光束或离子束焦点位置，然后通过精密运动平台控制激光光束或离子束沿X方向平行直线扫描，加工出一条单方向的栅格沟槽；随后精密运动平台沿Y方向移动一个周期距离继续加工，直至X方向栅格沟槽全部加工完成；完成X方向栅格沟槽加工后，精密运动平台旋转90度，通过精密运动平台控制激光光束或离子束沿Y方向平行直线扫描，加工出一条单方向的栅格沟槽；随后精密运动平台沿X方向移动一个周期距离继续加工，直至X方向栅格沟槽全部加工完成；其中飞秒激光加工脉冲能量为10nJ～1μJ，激光频率为1kHz，扫描速度10mm/s～500mm/s，光斑直径0.25～0.5μm，扫描次数1～20次；当一个周期内排列多个栅格沟槽时，调整激光光束或离子束功率及扫描次数，重复上述加工过程，完成其余栅格沟槽的加工，每次仅加工相同形貌的栅格沟槽。
进一步，本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，基体表面栅格沟槽加工完成后，清理表面杂质，随后通过电子束蒸镀或磁控溅射在基体表面沉积反射体金属，沉积过程中控制金属层厚度，金属沉积在基体栅格沟槽中，覆盖基体栅格沟槽的同时形成反射体的栅格沟槽。
由于工艺特性，基体上沉积反射体后形成的栅格沟槽会出现相应的圆角，此特点对结构整体性能无影响，可在设计过程中考虑在内，结构本身发挥作用的仍为反射体中的栅格沟槽结构。通过薄膜沉积后形成的栅格沟槽，与基体表面的栅格沟槽相比，反射体上的栅格沟槽具有更小的截面尺寸。
本发明还提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，具有这样的特征：由下到上依次包括基体反射体和填充体；基体反射体为金属；基体反射体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；填充体为固体电介质、液体电介质或气体电介质；填充体覆盖在基体反射体表面，并填充基体反射体表面的栅格沟槽。
本发明还提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，具有这样的特征：其首先通过飞秒激光直写或离子束刻蚀在基体反射体表面加工出栅格沟槽；然后通过电子束蒸镀或磁控溅射在基体反射体上沉积固体电介质作为填充体，或者在表面倾倒液体电介质作为填充体，或者直接在气体电介质环境中使用，不再沉积。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，与现有电磁谐振结构相比，是一种全新的结构设计思路。且与现有MDM电磁谐振结构不同的是，本发明提出基于栅格微纳结构的电磁波选择性吸收MDM谐振结构，一方面，实现了结构功能一体化设计，另一方面，结构具有更高化学、机械鲁棒性。具体的，基于栅格微纳结构的电磁波选择性吸收器，可以采用具有保护作用的电介质，如二氧化锆，既于金属材料形成MDM电磁谐振结构，又对反射体起到保护作用。此外，本发明结构应用于辐射冷却时，采用空气作为气体电介质，反射体采用银，则结构整个表面均为金属，对紫外、可见光具有极高的反射率，且可实现特定波段的吸收，从而答复提升结构辐射冷却能力。
附图说明
图1是电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的工作原理示意图；
图2是电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的加工路线示意图；
图3是实施例1的栅格微纳结构的紫外可见光近红外电磁波窄带选择性吸收图；
图4是实施例1的栅格微纳结构的中红外电磁波窄带选择性吸收图；
图5是实施例1的栅格微纳结构的工艺圆角对选择性吸收影响图；
图6是实施例2的栅格微纳结构的整体的结构图；
图7是实施例2的栅格微纳结构的栅格沟槽单个周期的结构图；
图8是实施例2的栅格微纳结构的电磁波宽带选择性吸收图；
图9是实施例3的不同折射率液体作为填充体的栅格微纳结构的光谱响应图；
图10是实施例4的栅格微纳结构的电磁波选择性吸收图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰、明白，以下参照附图并结合实施例，对本发明进一步详细说明。除非特别说明，本发明中用到的各种设备、材料均可通过市场购买得到。
实施例1
本实施例提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，用于辐射冷却。
栅格微纳结构由下到上依次包括基体、反射体和填充体。
基体为硅片；基体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽。反射体为银；反射体覆盖在基体表面，覆盖区域包含基体表面的栅格沟槽，且反射体表面也具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体表面的栅格沟槽与基体表面的栅格沟槽一一对应，反射体表面栅格沟槽的截面尺寸小于相应的基体表面栅格沟槽的截面尺寸。填充体为空气。
基体表面的栅格沟槽的槽顶宽度为1.32μm，沟槽深度为2.45μm，槽顶宽度与槽底宽度之比为5/1，栅格沟槽的周期为2.4μm。
该栅格微纳结构表面为全银面，可减少紫外、可见光吸收，且在中红外波段选择性辐射。
该栅格微纳结构的制备方法为：硅片表面清洗；调整离子束聚焦位置于硅片表面，设置扫描次数及功率，控制沟槽形貌；精密运动平台操纵硅片沿X轴移动，达到扫描次数后，加工出单条X方向栅格沟槽，随后沿Y轴移动2.4μm，加工下一条X方向栅格沟槽至所有X方向沟槽加工完毕；精密运动平台旋转90°，操纵硅片沿Y轴移动，离子束扫描加工Y方向栅格沟槽，加工完一条后沿X方向移动2.4μm，直至多有Y方向沟槽加工完毕；采用磁控溅射在加工后的硅片基体上沉积0.6μm的Ag，完成加工；加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备。
该栅格微纳结构在紫外可见光近红外波段吸收率如图3所示，与预期相同，具有较低的吸收率；在中红外波段吸收率如图4所示，具有较好的选择性吸收。同时，此处将加工工艺路线中可能引起的工艺圆角考虑在内，如图5所示，工艺圆角的存在对于结构整体性能无影响，可将圆角影响归于吸收峰位置影响因素之一，考虑于设计中，提升设计准确性。
实施例2
本实施例提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，用于红外隐身。
如图6和7所示，栅格微纳结构由下到上依次包括基体、反射体和填充体。
基体为高温合金；基体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽。反射体为铂；反射体覆盖在基体表面，覆盖区域包含基体表面的栅格沟槽，且反射体表面也具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体表面的栅格沟槽与基体表面的栅格沟槽一一对应，反射体表面栅格沟槽的截面尺寸小于相应的基体表面栅格沟槽的截面尺寸。填充体为二氧化锆；填充体覆盖在反射体表面，并填充反射体表面的栅格沟槽。
基体表面的栅格沟槽1的槽顶宽度W1,2为1.5μm，沟槽深度H1,1为1.4μm，槽顶宽度与槽底宽度W1,1之比为4/1；基体表面的栅格沟槽2的槽顶宽度W2,2为1.55μm，沟槽深度H2,1为1.45μm，槽顶宽度与槽底宽度W2,1之比为4/1；栅格沟槽的周期P为4.8μm。结构在6.15μm和7.25μm有两个吸收峰，实现宽带吸收。
该栅格微纳结构的制备方法为：高温合金表面清洗；调整飞秒激光聚焦位置于高温合金表面，设置扫描次数及功率，控制格栅沟槽1形貌；精密运动平台操纵高温合金沿X轴移动，达到扫描次数后，加工出单条X方向栅格沟槽，随后沿Y轴移动4.8μm，加工下一条X方向栅格沟槽至所有X方向沟槽加工完毕；精密运动平台旋转90°，操纵高温合金沿Y轴移动，离子束扫描加工Y方向栅格沟槽，加工完一条后沿X方向移动4.8μm，直至多有Y方向沟槽加工完毕；沿着前一个沟槽偏移2.4μm后，调整扫描次数及功率，控制格栅沟槽2形貌，重复上述加工过程，完成沟槽2的加工。然后采用磁控溅射在加工后的高温合金基体上沉积厚度H2为0.6μm的Pt；随后沉积厚度H3为0.5μm的ZrO2后完成加工；加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备。
该栅格微纳结构在中红外波段宽带吸收率如图8所示，具有较好的选择性吸收。
实施例3
本实施例提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，用于液体传感器(检测/区分液体)。
栅格微纳结构由下到上依次包括基体、反射体和填充体。
基体为硅片；基体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体为银；反射体覆盖在基体表面，覆盖区域包含基体表面的栅格沟槽，且反射体表面也具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体表面的栅格沟槽与基体表面的栅格沟槽一一对应，反射体表面栅格沟槽的截面尺寸小于相应的基体表面栅格沟槽的截面尺寸；填充体为液体电介质(被检测/区分的液体)，具体为氯化钠溶液或葡萄糖溶液作为区分，或不同浓度的氯化钠溶液作为区分。
基体的栅格沟槽的槽顶宽度为1.45μm，沟槽深度为2.1μm，槽顶宽度与槽底宽度之比为5/1，栅格周期为2.4μm。
该栅格微纳结构的制备方法为：硅片表面清洗；调整离子束聚焦位置于硅片表面，设置扫描次数及功率，控制沟槽形貌；精密运动平台操纵硅片沿X轴移动，达到扫描次数后，加工出单条X方向栅格沟槽，随后沿Y轴移动2.4μm，加工下一条X方向栅格沟槽至所有X方向沟槽加工完毕；精密运动平台旋转90°，操纵硅片沿Y轴移动，离子束扫描加工Y方向栅格沟槽，加工完一条后沿X方向移动2.4μm，直至多有Y方向沟槽加工完毕；加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备；采用磁控溅射在加工后的硅片基体上沉积0.6μm的Ag；采用TPX在栅格结构表面建立起挡板，如图9插图所示，挡板约束填充区，将被检测/区分的液体电介质充入填充区，液体电介质作为填充体充满结构表面银栅格，测红外光谱即可。
该栅格微纳结构在中红外波段吸收率随不同填充液体折射率变化频谱移动，如图9所示。结构对填充体液体电介质折射率具有较好敏感性，已知液体电介质折射率随浓度的变化而变化，因而此结构可进行不同液体电介质或同种液体电介质不同浓度的鉴别。
实施例4
本实施例提供一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，用于红外固体传感器。
栅格微纳结构由下到上依次包括基体反射体和填充体。基体反射体为金属，具体为铜，基体反射体即为基体同时也承担反射体作用；基体反射体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；填充体为空气。
该栅格微纳结构的制备方法为：铜表面经过抛光处理后备用；铜基体清洗；调整飞秒激光聚焦于铜表面，精密运动平台操纵铜沿X轴移动，达到扫描次数后，加工出单条X方向栅格沟槽，随后沿Y轴移动2.4μm，加工下一条X方向栅格沟槽至所有X方向沟槽加工完毕；精密运动平台旋转90°，操纵铜沿Y轴移动，离子束扫描加工Y方向栅格沟槽，加工完一条后沿X方向移动2.4μm，直至多有Y方向沟槽加工完毕；加工完成的样品采用超声清洗10min，完成加工。
该栅格微纳结构在6.35μm处有较强吸收，如图10所示。本实施例可为高性能选择性红外吸收器制造提供思路，制造简单且成本较低。
本实施例中，填充体还可以为固体电介质或液体电介质，覆盖在基体反射体表面，并填充基体反射体表面的栅格沟槽。
Claims (10)
1.一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，其特征在于：
由下到上依次包括基体、反射体和填充体；
基体为电介质或金属；基体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；
反射体为金属；反射体覆盖在基体表面，覆盖区域包含基体表面的栅格沟槽，且反射体表面也具有正交周期性排列的栅格沟槽；反射体表面的栅格沟槽与基体表面的栅格沟槽一一对应，反射体表面栅格沟槽的截面尺寸小于相应的基体表面栅格沟槽的截面尺寸；
填充体为固体电介质、液体电介质或气体电介质；填充体覆盖在反射体表面，并填充反射体表面的栅格沟槽。
2.根据权利要求1所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，其特征在于：
其中，所述基体的电介质材料为硅或锗，金属材料为铜、钛、铝、不锈钢或高温合金；
所述反射体为金、银、铝、铜或铂；
所述填充体的固体电介质为三氧化二铝、氟化镁、二氧化锆、碳化硅、氮化硅或锗。
3.根据权利要求1所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，其特征在于：
其中，所述基体的栅格沟槽的槽顶宽度为0.28-2.6μm，槽顶宽度与槽底宽度之比为5/1-2/1，深度为0.25-3μm；
基体的栅格沟槽的周期尺寸为3-6μm，一个周期内排列一个或多个栅格沟槽；
基体的厚度大于5μm。
4.根据权利要求1所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，其特征在于：
其中，所述反射体的栅格沟槽的槽顶宽度为0.18-0.6μm，深度为0.2-2μm；
反射体的厚度为0.05-1μm。
5.根据权利要求1所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，其特征在于：
其中，所述填充体的厚度大于2μm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，其特征在于：
首先通过飞秒激光直写或离子束刻蚀在基体表面加工出栅格沟槽；然后通过电子束蒸镀或磁控溅射在基体上沉积反射体金属；最后通过电子束蒸镀或磁控溅射在反射体上沉积固体电介质作为填充体，或者在表面倾倒液体电介质作为填充体，或者直接在气体电介质环境中使用，不再沉积。
7.根据权利要求6所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，其特征在于：
其中，飞秒激光直写或离子束刻蚀加工基体的栅格沟槽时，先调整好激光光束或离子束焦点位置，然后通过精密运动平台控制激光光束或离子束沿X方向平行直线扫描，加工出一条单方向的栅格沟槽；随后精密运动平台沿Y方向移动一个周期距离继续加工，直至X方向栅格沟槽全部加工完成；完成X方向栅格沟槽加工后，精密运动平台旋转90度，通过精密运动平台控制激光光束或离子束沿Y方向平行直线扫描，加工出一条单方向的栅格沟槽；随后精密运动平台沿X方向移动一个周期距离继续加工，直至X方向栅格沟槽全部加工完成；
当一个周期内排列多个栅格沟槽时，调整激光光束或离子束功率及扫描次数，重复上述加工过程，完成其余栅格沟槽的加工，每次仅加工相同形貌的栅格沟槽。
8.根据权利要求6所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，其特征在于：
其中，基体表面栅格沟槽加工完成后，清理表面杂质，随后通过电子束蒸镀或磁控溅射在基体表面沉积反射体金属，沉积过程中控制金属层厚度，金属沉积在基体栅格沟槽中，覆盖基体栅格沟槽的同时形成反射体的栅格沟槽。
9.一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构，其特征在于：
由下到上依次包括基体反射体和填充体；
基体反射体为金属；基体反射体的表面具有正交周期性排列的栅格沟槽；
填充体为固体电介质、液体电介质或气体电介质；填充体覆盖在基体反射体表面，并填充基体反射体表面的栅格沟槽。
10.如权利要求9所述的电磁波选择性吸收的栅格微纳结构的制备方法，其特征在于：
首先通过飞秒激光直写或离子束刻蚀在基体反射体表面加工出栅格沟槽；然后通过电子束蒸镀或磁控溅射在基体反射体上沉积固体电介质作为填充体，或者在表面倾倒液体电介质作为填充体，或者直接在气体电介质环境中使用，不再沉积。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117976686A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-03 | 合肥晶合集成电路股份有限公司 | 一种背照式图像传感器及其制作方法 |
| CN117976686B (zh) * | 2024-04-02 | 2024-06-11 | 合肥晶合集成电路股份有限公司 | 一种背照式图像传感器及其制作方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101261227A (zh) * | 2007-03-05 | 2008-09-10 | 欧姆龙株式会社 | 表面等离子体共振传感器及该传感器用芯片 |
| CN102162871A (zh) * | 2010-02-19 | 2011-08-24 | 精工爱普生株式会社 | 偏光元件及投影仪 |
| US20170219746A1 (en) * | 2014-08-29 | 2017-08-03 | National Institute For Materials Science | Electromagnetic Wave Absorbing/Radiating Material, Method of Manufacturing Same, and Infrared Source |
| CN111239866A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-06-05 | 江西师范大学 | 一种超宽带的中红外波段完美吸波器及其制备方法 |
| CN114265134A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-04-01 | 南京航空航天大学 | 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101261227A (zh) * | 2007-03-05 | 2008-09-10 | 欧姆龙株式会社 | 表面等离子体共振传感器及该传感器用芯片 |
| CN102162871A (zh) * | 2010-02-19 | 2011-08-24 | 精工爱普生株式会社 | 偏光元件及投影仪 |
| US20170219746A1 (en) * | 2014-08-29 | 2017-08-03 | National Institute For Materials Science | Electromagnetic Wave Absorbing/Radiating Material, Method of Manufacturing Same, and Infrared Source |
| CN111239866A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-06-05 | 江西师范大学 | 一种超宽带的中红外波段完美吸波器及其制备方法 |
| CN114265134A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-04-01 | 南京航空航天大学 | 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117976686A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-03 | 合肥晶合集成电路股份有限公司 | 一种背照式图像传感器及其制作方法 |
| CN117976686B (zh) * | 2024-04-02 | 2024-06-11 | 合肥晶合集成电路股份有限公司 | 一种背照式图像传感器及其制作方法 |
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