CN116107100B - 一种基于全硫系材料的可调谐超构表面及其构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全硫系材料的可调谐超构表面及其构造方法，属于光学人工微结构材料技术领域；包括基底和位于所述基底上的若干结构单元，所述结构单元包括硫系相变材料，所述硫系相变材料封装在硫系玻璃材料内部；所述硫系玻璃材料包括Ge25Sb10S65、30Ga2S3‑70La2S3、As2S3、Ge12As24S64中的至少一种。本发明通过将硫系PCM封装在硫系玻璃材料的内部；因硫系玻璃材料具有比硫系PCM更高的热稳定性，所以在硫系PCM发生相变的温度下，硫系玻璃材料也不会发生结构和光学参数的变化；可以避免硫系PCM在高温下与其它非氧化物或金属材料发生界面反应或扩散。结构单元可以对光的强度、相位、频率和偏振态进行精准的动态调控，从而精准实现光的开关、聚焦、滤波、偏折等效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学人工微结构材料技术领域，具体涉及一种基于全硫系材料的可调谐超构表面及其构造方法。
背景技术
超构表面(Metasurface)是一种由亚波长共振超原子组成的人工工程平面纳米结构，因其具有灵活的波前整形能力而受到广泛关注。迄今为止，基于光学超表面的各种新型光子器件已经被设计和展示，包括吸收器、平面透镜、偏振器、光束转向器、全息图等。在这些器件中，亚波长结构单元在光的相位、振幅和偏振的局部工程中发挥着重要作用，因为它们可以支持电气和/或磁共振。这种结构单元通常由金属或介电材料构成，如金、硅、锗等。然而，基于这些材料设计的超表面的功能通常在设计之后就固定了，即光学响应由所使用的元原子的结构、尺寸、空间排列和组成材料性质决定。这在一定程度上限制了它们的应用。具有可调谐光学响应的可重构超表面为波前整形提供了机会，展现出比一般光学超构表面更广泛的应用。通常，可调谐动态超构表面通过操纵制造结构单元的活性材料的光学特性来调整局域单元的光学响应。目前，活性材料包括透明导电氧化物、半导体材料、二维材料、液晶(LC)和相变材料(PCM)已被用于可重构超表面的制备和光的动态波前整形。在这些活性材料中，PCM因其独特的光调制功能而受到了广泛的关注和研究；特别是，如GeSbTe(GST)、GeSbSeTe(GSST)、Sb2S3(SS)、Sb2Se3(SS)等硫系PCM，可以通过热、光或电等外部激励在非晶态和晶体态之间快速重复地切换；较大的光学对比度为动态波前整形设计提供了很大的灵活性。此外，与VO2等其他PCM不同的是，硫化物PCM是非易失性的，即非晶态或晶态的维持不需要持续的能量供应，这使得实现快速、节能的动态可重构光学器件和超表面成为可能。
然而，硫化物PCM在相变过程中都需要一层保护层来防止氧化或挥发，因为在这个过程中非氧化物材料都要加热到相对较高的温度。常用的保护层材料为氧化铝、TiO2、SiO2等氧化物材料。如中国专利CN110764283B公开了一种基于相变材料的可调慢光器件，所述可调慢光器件包括自下而上依次设置的介质衬底、相变材料、介质保护层和金属结构。介质保护层指可以对相变材料进行保护、以防止其在相变过程中发生不必要的变性的材料，且要求保护层在所需响应波段透光率高、损耗低，例如氧化硅、氧化铟锡、氧化铝等。该专利通过设置介质保护层对相变材料进行保护，但是在硫系PCM的高温相变过程中，氧化物保护层不可避免的会与硫系PCM发生界面反应或扩散。此外，由于等离子体效应随金属层与PCM之间的距离呈指数级衰减，因此，硫系PCM经常与金属材料(如Au、Ag或Al)直接接触来设计和制造基于等离子体的动态超表面。在硫系PCM的高温相变过程中，金属层也不可避免的会与硫系PCM发生界面反应或扩散。而这些界面反应和扩散必然影响PCM的结晶动力学和光学常数，导致动态光学器件的开关响应的不确定性和较低的循环使用时间。
因此，亟需解决硫系PCM在高温相变过程中与保护层或金属层发生界面反应的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于全硫系材料的可调谐超构表面，可以避免硫系PCM在高温相变的过程中与其它非氧化物或金属材料发生界面反应或扩散。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种基于全硫系材料的可调谐超构表面，包括基底和位于所述基底上的若干结构单元，所述结构单元包括硫系相变材料，所述硫系相变材料封装在硫系玻璃材料内部；所述硫系玻璃材料包括Ge25Sb10S65、30Ga2S3-70La2S3、As2S3、Ge12As24S64中的至少一种。
本发明的可调谐超构表面，其结构单元全部由不含氧化物的硫族材料和金属介质组成，并且通过将硫系PCM封装在硫系玻璃材料的内部；因硫系玻璃材料具有比硫系PCM更高的热稳定性，所以在硫系PCM发生相变的温度下，硫系玻璃材料也不会发生结构和光学参数的变化；通过材料上述技术方案，可以避免硫系PCM在高温下与其它非氧化物或金属材料发生界面反应或扩散。结构单元可以对光的强度、相位、频率和偏振态进行精准的动态调控，从而精准实现光的开关、聚焦、滤波、偏折等效果。
本发明的技术方案将为基于相变材料的功能改进的动态超表面的设计提供了一种新思路，将极大地促进可调谐超表面在实际应用中的稳定性。
优选的，所述硫系相变材料包括Ge2Sb2Te5、Sb2S3、Sb2Se3、Ge2Sb2Se1Te4中的至少一种。在外部激励作用下，硫系相变材料可在非晶态与晶态之间连续变化；外部激励包括但不限于光激发、电激发或热激发。
优选的，所述基底包括硅基底、蓝宝石基底、石英基底、铌酸锂基底、硫系玻璃基底中的至少一种。所述基底为在目标波段低吸收的介质材料。
优选的，所述结构单元的形状为圆柱形、椭圆柱形或工字形。
优选的，若干所述结构单元在所述基底上呈周期性排布。
本发明的另一目的在于提供基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，包括以下步骤：
S1.将基底清洗并烘干；
S2.采用热蒸镀或磁控溅射的方法在基底上生长硫系玻璃材料薄膜；
S3.采用热蒸镀或磁控溅射的方法在步骤S2得到的硫系玻璃材料薄膜表面生长硫系PCM薄膜；
S4.采用干法或湿法在步骤S3的薄膜上刻蚀出硫系PCM微纳结构；
S5.采用热蒸镀或磁控溅射的方法在步骤S4的薄膜表面生长硫系玻璃材料薄膜；
S6.采用干法或湿法在步骤S5的薄膜上刻蚀出硫系玻璃微纳结构单元阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的可调谐超构表面，通过将硫系PCM封装在硫系玻璃材料的内部；因硫系玻璃材料具有比硫系PCM更高的热稳定性，所以在硫系PCM发生相变的温度下，硫系玻璃材料也不会发生结构和光学参数的变化；通过材料上述技术方案，可以避免硫系PCM在高温下与其它非氧化物或金属材料发生界面反应或扩散。结构单元可以对光的强度、相位、频率和偏振态进行精准的动态调控，从而精准实现光的开关、聚焦、滤波、偏折等效果。
附图说明
图1为本发明的基于全硫系材料的可调谐超构表面的示意图；
图2为结构单元的示意图；
图3为本发明的基于全硫系材料的可调谐超构表面的反射光谱图。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员能够清楚地理解本发明。但以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明权利要求书请求保护范围的限制。
本发明的基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，包括以下步骤：
S1.将基底清洗并烘干；
S2.采用热蒸镀或磁控溅射的方法在基底上生长硫系玻璃材料薄膜；
S3.采用热蒸镀或磁控溅射的方法在步骤S2得到的硫系玻璃材料薄膜表面生长硫系PCM薄膜；
S4.采用干法或湿法在步骤S3的薄膜上刻蚀出硫系PCM微纳结构；
S5.采用热蒸镀或磁控溅射的方法在步骤S4的薄膜表面生长硫系玻璃材料薄膜；
S6.采用干法或湿法在步骤S5的薄膜上刻蚀出硫系玻璃微纳结构单元阵列。
实施例1
如图1～3所示，本实施例提供一种可调谐的光滤波器，超构表面包括基底和以阵列形式排布在基底上的结构单元，该结构单元能够实现改变O波段和C波段双波段反射到C波段单波段反射的滤光效果。
具体的，如图1和2所示，该超表面的基底为硅上氧化硅(SOI)，亚波长结构单元是Ge25Sb10S65(GSS)和Ge2Sb2Te5(GST)组成的圆柱形结构，二者均是硫系材料，采用套刻的方法将GST材料密封在GSS圆柱体内部。由于GSS具有更高的玻璃化转变温度和溶解度，能够承受GST从非晶态到晶态以及晶态到非晶态转变所需的温度；因此可以避免GST在高温下GSS发生界面反应或扩散。
通过合理设计该结构单元的周期性、GSS高度、GSS半径、GST高度、GST半径、GST中心位置等(本实施例中结构单元周期为900nm，GSS高度645nm，GSS半径380nm，GST高度5nm，GST半径300nm，GST中心位置位于GSS圆柱底部73nm处)；通过光、电或热等外部激励可实现GST晶态和非晶态二级甚至多级相变，从而实现O波段和C波段双波段反射到C波段单波段反射的滤光功能(如图3所示)。
本实例在设计结构单元结构尺寸和周期性时，通过数值仿真获得了其反射光谱，达到了O波段和C波段双波段反射到C波段单波段反射的滤光功能，且效率较高，有利于该全硫系可调谐超表面滤波器在实际中的应用。
实施例2
本实施例提供一种可调谐的红外超透镜，超构表面包括基底和以阵列形式排布在基底上的结构单元，该结构单元能够实现红外波段的聚焦效果。
具体的，该超表面的基底为Ge12As24S64(GAS)玻璃片，亚波长结构单元是30Ga2S3-70La2S3(GLS)和Sb2S3(SS)组成的椭圆柱结构，三者均是硫系材料，采用套刻的方法将SS材料密封在GLS圆柱体内部。由于GLS具有更高的玻璃化转变温度和溶解度，能够承受SS从非晶态到晶态以及晶态到非晶态转变所需的温度。
通过合理设计该结构单元的周期性、GLS高度、GLS半径、SS高度、SS半径、SS中心位置等(本实施例中结构单元周期可为300-950nm，GLS高度400-900nm，GLS半径200-450nm，SS高度5-20nm，SS半径200-900nm，SS中心位置位于GLS圆柱底部50-200nm处)；通过光、电或热等外部激励可实现SS晶态和非晶态二级甚至多级相变，从而实现红外光的聚焦功能。
本实例设计结构单元结构尺寸和周期性从而实现红外光的聚焦功能，且效率较高，有利于该全硫系可调谐超透镜在实际中的应用。
实施例3
本实施例提供一种可调谐的中红外光偏折器，超构表面包括基底和以阵列形式排布在基底上的结构单元，该结构单元能够实现中红外波段的偏折功能。
具体的，该超表面的基底为蓝宝石，亚波长结构单元是As2S3(AS)和Sb2Se3(SS)组成的椭圆柱结构，二者均是硫系材料，采用套刻的方法将SS材料密封在AS工字形体内部。由于AS具有更高的玻璃化转变温度和溶解度，能够承受SS从非晶态到晶态以及晶态到非晶态转变所需的温度。
通过合理设计该结构单元的周期性、AS高度、AS半径、SS高度、SS半径、SS中心位置等(本实施例中结构单元周期可为300-950nm，AS高度300-900nm，AS半径200-500nm，SS高度5-20nm，SS半径200-900nm，SS中心位置位于AS圆柱底部50-500nm处)；通过光、电或热等外部激励可实现SS晶态和非晶态二级甚至多级相变，从而实现中红外光的偏折功能。
本实例设计结构单元结构尺寸和周期性从而实现中红外光的偏折功能，且效率较高，有利于该全硫系可调谐偏折器在实际中的应用。
实施例4
本实施例提供一种可调谐的中红外光偏折器，超构表面包括基底和以阵列形式排布在基底上的结构单元，该结构单元能够实现近红外波段的全息成像功能。
具体的，该超表面的基底为铌酸锂，亚波长结构单元是Ge12As24S64(GAS)和Ge2Sb2Se1Te4(GSST)组成的“×”字结构，二者均是硫系材料，采用套刻的方法将GSST材料密封在GAS工字形体内部。由于GAS具有更高的玻璃化转变温度和溶解度，能够承受GSST从非晶态到晶态以及晶态到非晶态转变所需的温度。
通过合理设计该结构单元的周期性、GAS高度、GAS半径、GSST高度、GSST半径、GSST中心位置等(本实施例中结构单元周期可为300-950nm，GAS高度350-900nm，GAS半径200-600nm，GSST高度5-50nm，GSST半径200-900nm，GSST中心位置位于GAS圆柱底部50-500nm处)；通过光、电或热等外部激励可实现GSST晶态和非晶态二级甚至多级相变，从而实现近红外的全息成像功能。
本实例设计结构单元结构尺寸和周期性从而实现近红外的全息成像功能，且效率较高，有利于该全硫系可调谐全息成像在实际中的应用。
本发明以实施例1为例详尽阐述了本发明具体的实施方式，由于实施例2-4中硫系玻璃材料和硫系PCM组合多组具体参数均可满足相关功能，故给予结构参数范围。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，其特征在于，所述可调谐超构表面包括基底和位于所述基底上的若干结构单元，所述结构单元包括硫系相变材料，所述硫系相变材料封装在硫系玻璃材料内部；所述硫系玻璃材料包括Ge25Sb10S65、30Ga2S3-70La2S3、As2S3、Ge12As24S64中的至少一种；
所述基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法包括以下步骤：
S1. 将基底清洗并烘干；
S2. 采用热蒸镀或磁控溅射的方法在基底上生长硫系玻璃材料薄膜；
S3. 采用热蒸镀或磁控溅射的方法在步骤S2得到的硫系玻璃材料薄膜表面生长硫系相变材料薄膜；
S4. 采用干法或湿法在步骤S3的薄膜上刻蚀出硫系相变材料微纳结构；
S5. 采用热蒸镀或磁控溅射的方法在步骤S4的薄膜表面生长硫系玻璃材料薄膜；
S6. 采用干法或湿法在步骤S5的薄膜上刻蚀出硫系玻璃微纳结构单元阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，其特征在于，所述硫系相变材料包括Ge2Sb2Te5、Sb2S3、Sb2Se3、Ge2Sb2Se1Te4中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，其特征在于，所述基底包括硅基底、蓝宝石基底、石英基底、铌酸锂基底、硫系玻璃基底中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，其特征在于，所述结构单元的形状为圆柱形、椭圆柱形或工字形。
5.根据权利要求1所述的一种基于全硫系材料的可调谐超构表面的构造方法，其特征在于，若干所述结构单元在所述基底上呈周期性排布。
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