[发明专利]偏振不敏感的高折射率超材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学材料，尤其涉及超高折射率材料及其制作方法。

背景技术

自然材料的折射率大多是一个很小的正值，只有极少的一些半导体和绝缘体会在中红外和远红外波段出现高折射率。

现有的高折射率超材料的折射率峰值较低，响应频域范围较窄。与此同时光的偏振方向对其性能的影响十分明显。

目前，人们对于高折射率材料的研究还处于萌芽阶段，在2009年才有相关理论被提出。根据麦克斯韦方程可知，材料的折射率是由其（相对）介电常数和磁导率决定的。因此如果要增加材料的折射率，首要任务就是要尽可能的提高ε与μ，特别是对于超材料而言，其（相对）介电常数和磁导率是依赖于其金属介电结构的电容和电感。因此对于设计高折射率材料而言，首要任务就是实现大的电容单元结构。其次还需要抑制抗磁效应。高折射率材料理论的设计和提出，对成像和光刻的发展有很深刻的意义。如图1所示，利用高折射率材料作为200处的填充介质，可以增大显微镜数值孔径（NA=n*sinα)，从而大大增加显微镜的分辨率。图中100为物镜，300为载物台。

目前的超高折射率超材料很难同时具有各向同性、高折射率峰值和宽响应频域的性质。当入射光的偏振方向改变时，图2所示的两种的超材料均保持了相对稳定的折射率曲线，但是蜂窝状结构的超材料只能在一个极窄的范围内达到折射率的峰值，并不能实现宽带高折射率，而窗口结构的超材料虽然保持了宽频域折射率的稳定，但是其折射率峰值比蜂窝状结构超材料的折射率峰值小一倍，即其也无法达到一个宽带高折射率。

而当超材料能够同时保持较宽带的高折射率时，其又对入射光偏振方向有很大依赖，如图3所示，超材料的结构为工字型，可以看到，当入射光偏振方向转过90度时，其折射率的峰值和其响应频率都有很大的改变，证明这种二维超材料的高折射率有极大的入射光偏振依赖性。

发明内容

针对现有高折射率材料存在的不足，为了提高折射率的峰值，同时拓宽其响应频域，并且保持各向同性，提出以下高折射率材料的设计，真正实现“宽频、各向同性的超高折射率的材料”。

一种超高折射率材料，其主体为超材料，该超材料的结构单元如下，其包括介质材料和两个工字型金属材料，两个工字型金属材料是嵌入在介质材料中的，两个工字型金属材料垂直对称设置，该结构单元在平面上周期性排布，形成单层的二维超材料，三层二维超材料堆叠在一起，组成超高折射率超材料。

作为本发明的进一步改进，结构单元周期p=60±5微米,厚度H=1±0.05微米。说明：60±5微米代表正负公差是5微米，以下涉及到类似表达均表示公差的意思。

作为本发明的进一步改进，工字形金属材料的上下长度相等，为a=59±0.1微米。

作为本发明的进一步改进，工字形金属材料的宽度为d=8±0.1微米。

作为本发明的进一步改进，金作为金属材料，金膜厚度wd=100±10纳米。

作为本发明的进一步改进，聚酰亚胺作为介质材料。

作为本发明的进一步改进，两个工字型金属材料分别是嵌入在250±10nm厚的介质材料中。

一种超高折射率材料的制作方法，具体步骤如下：

步骤1.在清洁的硅片上旋涂250±10nm厚的聚酰亚胺溶液，将其在180±10℃条件下烘干30±5分钟，使之成为具有高韧性的基底；

步骤2.将聚酰亚胺层在惰性气体中加热至350±10℃进行熟化，使聚酰胺酸转变成为不溶于水的芳香族的聚酰亚胺；

步骤3.将已得样品进行清洗，然后旋涂光刻胶，对其进行光刻后进行后烘，再将其显影，完成后进行硬烘处理获得第一层工字型图案；

步骤4.利用电子束真空蒸镀的办法根据所得图形镀上一层100±10纳米厚的金膜，洗掉光刻胶后得到第一层工字型结构；

步骤5.以金膜的底部为基准，继续旋涂250±10nm厚的聚酰亚胺溶液，对其重复1，2步的烘干，熟化操作；

步骤6.将样品进行清洗后旋涂光刻胶，再次对其进行光刻处理，将此次光刻的工字型图案的中心与第一次光刻的工字型图案中心对准，完成后进行后烘，再将其显影，完成后进行硬烘处理获得第二层工字型图案；

步骤7.再利用电子束真空蒸镀的办法根据所得图形镀上一层100±10nm厚的金膜，洗掉光刻胶后得到第二层工字型结构；

步骤8.继续旋涂300±10nm厚的聚酰亚胺溶液，重复进行1、2步的烘干熟化操作，这样就完成了二维超材料的制备；