CN115911881A - 一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，器件包括：上层为掺杂硅或无掺硅介质图案层，下层为聚二甲基硅氧烷柔性衬底层，上层掺杂硅或无掺硅介质图案层与下层衬底层的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用；上层图案为对称三角形结构、对称扇环结构或不对称裂口环结构单元在平面内周期性阵列平铺，阵列与衬底的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用。通过拉伸，器件在太赫兹波段实现明显的滤波位置调制与滤波深度调制。本发明具有初级材料成本低的优势，且与传统半导体制造工艺有很高的兼容性，在较宽的频率范围内具有较大深度的可调制性，满足太赫兹系统的许多应用要求，并有潜力替代传统的金属基超材料器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，属太赫兹超材料技术领域。
背景技术
太赫兹波是指波长在红外与微波之间的电磁频段，一般指0.1THz到10THz范围，数值上1THz＝1012Hz。太赫兹波具有光子能量低、脉冲宽度窄、频带宽等优点，在生化物品检测、新一代通信技术革命、太赫兹成像等多个研究领域有丰富的应用前景。与此同时，能与太赫兹波段产生强响应的自然材料较少，相应的功能性器件也因此面临匮乏，这些问题极大限制了太赫兹技术的运用。超材料是指具有限定周期并特定图案化的人工材料，利用该思路可以制作出性能优良的太赫兹滤波器、太赫兹吸收器等多种功能性器件，进而解决太赫兹器件的匮乏问题。
传统的金属基超材料一般采用金、银、铜等金属作为上层图案阵列材料，这些金属价格较为昂贵，同时如果不进行回收处理，会导致大量浪费与对环境的破坏。
为了解决金属基超材料的上述问题，全介质超材料逐渐受到人们关注。全介质概念即器件全部由介质材料组成，不包含金属材料，一些研究者利用硅材料成功制备了超材料吸收器。随着柔性科学的兴起，人们考虑是否可以将全介质超材料同柔性相结合，即利用外加应力使器件产生形变，进而改变太赫兹响应以实现超材料的调制；相比于金属基柔性超材料，全介质柔性超材料衬底与阵列间结合性、拉伸稳定性更好。一些研究者将氧化锆介质球同柔性衬底结合，成功制作了滤波器，但该全介质超材料采用的介质球为平面内随机分布，缺乏严整的排列规则，不能同现有的微纳加工技术融合。
目前的问题可以归纳为：
1.传统的金属基超材料造成金属资源浪费与环境污染，急需利用非金属材料制作性能优良的超材料以替代传统金属超材料。
2.现有的全介质非金属超材料大多采用刚性衬底结构，不能适应复杂环境需要，也不能通过拉伸进行动态调制。
3.目前报道的全介质柔性超材料采用陶瓷球随机粘连于柔性衬底上，缺乏严格的分布规则，制作重复性差，不能同现有的微纳加工技术融合。
发明内容
本发明的目的是，针对目前全介质非金属、与现有微纳加工技术兼容性好、高性能柔性可调制太赫兹超材料器件的需要，提出一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器。作为本发明所述的一种太赫兹滤波器结构单元的一种改进，所述上层介质层材料为掺杂硅或无掺硅，下方柔性衬底层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，其特征在于，上层为掺杂硅或无掺硅介质图案层(1)，下层为聚二甲基硅氧烷柔性衬底层(2)，上层掺杂硅或无掺硅介质图案层与下层衬底层的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用；上层的图案为对称三角形结构、对称扇环结构或不对称裂口环结构单元在平面内周期性阵列平铺。
所述介质层(1)的掺杂或无掺硅厚度为5～30微米；所述柔性衬底层(2)的聚二甲基硅氧烷厚度为10～100微米。
所述柔性衬底层(2)的侧边边长为100～400微米，上层介质层(1)的最长外廓尺寸介于所述柔性衬底层(2)边长的二分之一至所述柔性衬底层(2)的侧边边长之间。
所述对称三角形结构，由两个形貌相同的等腰三角形对称排布组成；三角形结构底长为60～160微米，高长为80～120微米，对称三角形之间距离为5～20微米之间。
所述的对称扇环结构，由两个形貌相同打的扇环对称排布组成；扇环外径长度为100～120微米，内径长度为5～15微米，扇环开角为30°～90°。
所述不对称裂口环结构，由两个形貌不相同的裂口环同心排布组成；其中外部大裂口环外径为90～125微米，大裂口环开角同水平线夹角为5°-30°，内部小裂口环外径为40～60微米，小裂口环开角为10°～60°，大小裂口环线宽为20～45微米。
所述下方柔性衬底层优选为矩形板状结构。
本发明公开一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器制备方法可以采用如下步骤：
1.在SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工超材料图案阵列掩膜。
2.刻蚀去除无掩膜区域的硅。
3.将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
4.将硅阵列转移键合至PDMS衬底。
本发明涉及一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，器件包括上层掺杂硅或无掺硅介质图案层(1)与下层聚二甲基硅氧烷柔性衬底层(2)，阵列与衬底的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用。通过拉伸，器件可以在太赫兹波段实现明显的滤波位置调制与滤波深度调制。本发明太赫兹超材料滤波器有初级材料成本低的优势，且与传统半导体制造工艺有很高的兼容性，可以在较宽的频率范围内具有较大深度的可调制性。本发明可满足太赫兹系统的许多应用要求，并有潜力替代传统的金属基超材料器件。
本发明的有益效果在于：
1.本发明包括上层周期排布的掺杂硅或无掺硅介质图案层与下方聚二甲基硅氧烷，器件整体全部采用介质材料制作，不包括金属材料。
2.本发明提出的滤波器区别于传统金属基柔性超材料，阵列与衬底的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷间的成键力，作用牢固，通过拉伸器件可以在太赫兹频段实现明显的滤波频率位置调制与滤波幅值调制。其中非拉伸状态下器件在0.909THz位置产生了滤波，滤波谷透射率为11.6％；拉伸50％后滤波位置调制为0.629THz，滤波谷透射率为29.8％。
3.本发明太赫兹超材料滤波器具有体积小，成本低，易于制备等特点，与现有半导体工艺契合度高，有潜力替代传统的金属基超材料器件，可以大面积制备使用。
附图说明
图1.a为本发明实施例提供一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器的阵列三维结构示意图；上层(1)为上表面平面内周期排布的对称三角形介质层,下层(2)为聚二甲基硅氧烷柔性衬底。其中单个方形周期阵列长度P为250微米，单个单元由一组对称的等腰三角形组成，三角形结构底长d为120微米，高长h为100微米，对称“三角形”之间距离g为10微米,聚二甲基硅氧烷层的厚度t(PDMS)为30微米，硅介质的厚度t(Si)为10微米。
图1.b为本发明实施例提供的一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器(图1.a)的滤波效果图；其结果对应为太赫兹TM偏振入射时拉伸比s对应的透射率。图中拉伸比s＝Δl/l，其中Δl形变量，l为原始长度。
图2.a为图1.a结构基础上PDMS衬底厚度t(PDMS)'变更为60微米的示意图，图2.b为图2.a结构对应的滤波效果图。
图3.a为图1.a结构基础上硅阵列厚度t(Si)'变更为20微米的示意图，图3.b为图3.a结构对应的滤波效果图。
图4.a为图1.a结构基础上对称三角形底长d'变更为150微米的示意图。图4.b为图4.a结构对应的滤波效果图。
图5.a为图1.a结构基础上’上层介质层材料(3)变更为无掺硅。图5.b为图5a结构对应的滤波效果图。
图6.a为图1.a结构基础上阵列变更为一组对称领结形“扇环”的示意图。“扇环”外径R为120微米，内径r为5微米，开角α为60°，单个方形周期阵列边长P为250微米。图6.b为图6.b结构对应的滤波效果图。
图7.a为图1.a结构基础上阵列变更为一组不对称裂口环的示意图。其中外部大裂口环外径r2＝117微米，大裂口环开角同水平线夹角θ1＝10°；内部小裂口环外径r1＝52微米，小裂口环开角θ2＝40°；横向周期边长Px为215微米，纵向周期边长Py为250微米；大小裂口环线宽w统一为32微米。图7.b为图7.a结构对应的滤波效果图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1～7对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
本发明的具体实施方式如下所示。
实施例1
利用刻蚀转移的方法将三角形硅阵列键合于PDMS衬底上。
参考图1.a，本实施例一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器，上层为掺杂硅介质图案层、下方为柔性衬底层；其中介质图案层键合于下方柔性衬底层。
本实施例如下，当太赫兹波垂直入射到所述的全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器时，由于入射波诱导器件产生共振，进而产生明显的滤波效应，此时透射率达到极低值。当器件进行拉伸时，可以实现明显的滤波位置调制与滤波深度调制。具体来说，随着拉伸比的增加，器件对应的滤波位置向着频率小的方向移动，同时滤波深度变小。以上性质赋予了器件在传感方面的应用潜力。
本实施例上层介质材料为掺杂硅，其在太赫兹范围下介电常数可以用Drude模型进行表述：ε＝εc-wp 2/(w2+iγw)，其中无限频率处介电常数εc＝11.68，等离子体频率wp＝49.4236THz，碰撞频率γ＝11.1784THz。
于实施方式中，下方柔性衬底层材料为PDMS，太赫兹范围下介电常数为1.72，损耗正切角为0.15。
于本实施方式中，单个方形周期阵列边长P为250微米；单个单元结构如图1.a所示。单个单元由一组对称的等腰三角形组成，其中单个方形周期阵列长度P为250微米，三角形底长d为120微米，高长h为100微米，对称“三角形”相距g为10微米。
于本实施方式中，上层介质层材料掺杂硅的厚度t(Si)为10微米；下层柔性衬底层聚二甲基硅氧烷的厚度t(PDMS)为10微米.
本发明太赫兹超材料滤波器，通过拉伸下方衬底，改变超材料对称三角形单元的周期长度，器件可以实现明显的滤波位置调制与滤波深度调制，如图1.b所示。其中非拉伸状态下器件在0.909THz位置产生了滤波，滤波谷透射率为11.6％；拉伸50％后滤波位置调制为0.629THz，滤波谷透射率为29.8％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层掺杂硅为10微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工本实施例描述的对称三角形图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至30微米厚PDMS衬底。
本发明太赫兹超材料滤波器利用硅材料替代金属制作超材料器件，结构中的柔性衬底赋予了材料拉伸调制的能力；硅阵列层依靠成键方式同PDMS结合，连接牢固。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器，对拓展太赫兹滤波器性能及相关器件具有重要意义。
实施例2
实施例2在实施例1基础上改变了柔性衬底厚度。
实施例2与实施例1结构不同的是：本实施方式的PDMS衬底厚度t(PDMS)'变更为60微米，参考图2a.所示。其对应的拉伸调制结果如图2.b所示。
其中非拉伸状态下器件在0.896THz位置产生了滤波，滤波谷透射率为13.9％；拉伸50％后滤波位置调制为0.617THz，滤波谷透射率为38.5％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层掺杂硅为10微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工与实施例1描述相同的对称三角形图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至60微米厚PDMS衬底。
因衬底厚度变化，器件的滤波位置与调制结果与实施例1有一定差异，满足特定范围需求。
实施例3
实施例3在实施例1基础上改变了介质层厚度。
实施例3与实施例1结构不同的是：本实施方式的硅阵列厚度t(Si)'变更为20微米，参考如图3.a所示。其对应的拉伸调制结果如图3.b所示。
其中非拉伸状态下器件在0.899THz位置产生了滤波，滤波谷透射率为7.6％；拉伸50％后滤波位置调制为0.62THz，滤波谷透射率为22.3％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层掺杂硅为20微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工与实施例1描述相同的对称三角形图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至30微米厚PDMS衬底。
因图案层硅阵列厚度发生变化，器件的滤波位置与调制结果与实施例1有一定差异，满足特定范围需求。
实施例4
实施例4在实施例1基础上改变了介质硅三角形单元的底长长度。
实施例4与实施例1结构不同的是：本实施方式的对称三角形结构底长d'变更为150微米，参考如图4.a所示。其对应的拉伸调制结果如图4.b所示。
其中非拉伸状态下器件在0.918THz位置产生了滤波，滤波谷透射率为9.9％；拉伸50％后滤波位置调制为0.625THz，滤波谷透射率为25.6％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层掺杂硅为10微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工本实施例描述的对称三角形图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至30微米厚PDMS衬底。
因超材料单元结构发生变化，器件的滤波位置与调制结果与实施例1有一定差异，满足特定范围需求。
实施例5
实施例5在实施例1基础上改变了上层介质层材料。
实施例5与实施例1结构不同的是：本实施方式的上层介质层材料变更为无掺硅。无掺硅在太赫兹波段下介电常数可以表示为ε＝11.56+0.06909i,；参考如图5.a所示。其对应的拉伸调制结果如图5.b所示。
其中非拉伸状态下器件在1.062THz、1.404THz与1.681THz分别产生了滤波谷，滤波谷透射率分别为49.60％、31.75％与27.48％；拉伸50％后上述两滤波位置频率分别调制为0.683THz、1.057THz与1.338THz，滤波谷透射率分别调制为73.40％、49.62％与54.60％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层无掺硅为10微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工与实施例1描述相同的对称三角形图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至30微米厚PDMS衬底。
因上层介质层材料发生变化，器件的滤波位置与调制结果与实施例1有一定差异，满足特定范围需求。
实施例6
实施例6在实施例1基础上改变了介质硅单元图案。
实施例6与实施例1结构不同的是：本实施方式的超材料单元为一组对称的领结形扇环。“扇环”外径R为120微米，内径r为5微米，开角α为60°，单个方形周期阵列边长P为250微米；参考如图6.a所示。其对应的拉伸调制结果如图6.b所示。
其中非拉伸状态下器件在0.832THz位置产生了滤波，滤波谷透射率为5.69％；拉伸50％后滤波位置调制为0.586THz，滤波谷透射率为15.9％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层掺杂硅为10微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工本实施例描述的对称领结形扇环图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至30微米厚PDMS衬底。
因超材料单元结构发生变化，器件的滤波位置与调制结果与实施例1有一定差异，满足特定范围需求。
实施例7
实施例7在实施例1基础上改变了介质硅单元图案。
实施例7与实施例1结构不同的是：本实施方式的超材料单元为一组不对称裂口环。其中外部大裂口环外径r2＝117微米，大裂口环开角同水平线夹角θ1＝10°；内部小裂口环外径r1＝52微米，小裂口环开角θ2＝40°；横向周期边长Px为215微米，纵向周期边长Py为250微米；大小裂口环线宽统一为32微米；参考如图7.a所示。其对应的拉伸调制结果如图7.b所示。
其中非拉伸状态下器件在0.413THz与0.678THz分别产生了滤波谷，滤波谷透射率分别为7.57％与9.46％；拉伸50％后上述两滤波位置频率分别调制为0.384THz与0.643THz，滤波谷透射率分别调制为11.38％与16.67％。特别地，器件在非拉伸状态下与0.525THz位置出现了明显的透明峰，透射率为40.1％，经过50％拉伸后透明峰位置调制至0.499THz，透射率调制为54.5％。
本发明一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，制备方法为：
S1、在上层掺杂硅为10微米厚的SOI(silicon-on-insulator)硅片上加工本实施例描述的不对称裂口环图案阵列掩膜。
S2、刻蚀去除无掩膜区域的硅。
S3、将SOI硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。
S4、将硅阵列转移键合至30微米厚PDMS衬底。
因超材料单元结构发生变化，器件的滤波位置与调制结果与实施例1有一定差异，满足特定范围需求。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (7)
1.一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，其特征在于，上层为掺杂硅或无掺硅介质图案层(1)，下层为聚二甲基硅氧烷柔性衬底层(2)，上层掺杂硅或无掺硅介质图案层与下层衬底层的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用；上层的图案为对称三角形结构、对称扇环结构或不对称裂口环结构单元在平面内周期性阵列平铺。
2.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述介质层(1)的掺杂硅或无掺硅厚度为5～30微米之间；所述柔性衬底层(2)的聚二甲基硅氧烷厚度为10～100微米。
3.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述柔性衬底层(2)的侧边边长为100～400微米，上层介质层(1)的最长外廓尺寸介于所述柔性衬底层(2)边长的二分之一至所述柔性衬底层(2)的侧边边长之间。
4.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述对称三角形结构，由两个形貌相同的等腰三角形对称排布组成；三角形结构底长为60～160微米，高长为80～120微米，对称三角形之间距离为5～20微米。
5.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述的对称扇环结构，由两个形貌相同的扇环对称排布组成；扇环外径长度为100～120微米，内径长度为5～15微米，扇环开角为30°～90°。
6.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述不对称裂口环结构，由两个形貌不相同的裂口环同心排布组成；其中外部大裂口环外径为90～125微米，大裂口环开角同水平线夹角为5°～30°，内部小裂口环外径为40～60微米，小裂口环开角为10°～60°，大小裂口环线宽为20～45微米。
7.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述下方柔性衬底层为矩形板状结构。
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