[发明专利]基于硅的中红外区磁谐振超材料结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学领域，尤其涉及基于硅的中红外区磁谐振超材料结构设计。

背景技术

传统的磁谐振超材料都是利用金属材料(如金、银等)设计出类似开口谐振环的结构实现磁谐振，由于金属本身具有很高的电导损耗，使得金属结构的磁谐振材料应用受限。

金属结构的磁谐振超材料制备工艺难度比较高，难以扩展到三维结构，而且一般设计出来的结构都是不对称，对入射光的极化方向也是很敏感。

目前使用陶瓷材料设计的结构可以实现毫米波段的磁谐振，根据超材料的设计思想，如果想在光波波段实现磁谐振，就必须使陶瓷结构设计到微纳米级，目前这在技术上是无法实现的，而且磁谐振应用最广泛的波长范围是在中红外区域。

使用碲/锗的立方块结构可以实现中红外区域的磁谐振，但是由于材料的成本较高，而且碲/锗薄膜的不易制备，所以需要寻求更便宜而且更容易实现的材料进行设计。

由于自然界中的大多数磁性物质的磁响应具有高频截止特性，如铁磁物质在红外和可见光频段会失去磁性，所以需要设计出一种能够在高频段能够具有磁性的结构单元以满足器件要求。

为了实现磁谐振性能，最早由英国的科学家设计出一种能产生磁响应的微结构单元——开口谐振环(如图1)，该谐振环类等效于由电容电感组成的谐振电路，开口相当于电容，当选择合适的光波入射该结构时，开口谐振环会产生强烈的磁谐振效应。根据这种设计思想，后来的科研工作者设计了一系列用金属材料制备的类开口谐振环的结构，在相应的频段都产生了磁谐振效应。

但是利用金属材料设计的磁谐振超材料会存在一系列的问题。由于金属本身带有很大的吸收损耗，所以大部分入射到结构的光会被金属本身吸收掉，这使得损耗问题成为磁谐振超材料应用的最大的拦路虎。

其次，要实现可见光波段的磁谐振，就必须进一步缩小金属结构的尺寸，而纳米级的金属结构的技术实现难度比较大，而且所设计的谐振环的图形也比较复杂，大规模制备也是不小的挑战。利用金属材料设计的结构一般在三维空间扩展比较困难，不适合大规模集成，并且设计的结构一般不对称，使得最终的材料结构对入射光波具有强烈的极化敏感性。

而利用钛酸锶钡/氧化镁制备的陶瓷类电介质结构，也可以在微米波段实现相应的磁谐振效应，该设计虽然可以消除金属材料设计的高损耗和极化敏感等问题，但是由于陶瓷材料本身特性的制约，使得其无法实现微纳米级尺寸的制备。

目前一些基于介质材料实现电磁响应的研究成果都很不错，实现了低损耗，广入射角，随温度可调等一系列成果。但是我们发现，这些研究成果基本上都是集中在使用陶瓷材料作为电介质实现在微波段的电磁响应。然而，一些集中在红外波段的应用如过滤器、偏振器、光谱发射器等就无法很好的实现。所以，把基于电介质的超材料研究推向更高的频段是相当必要和有重大实用价值的。

目前利用微米量级的锗/碲立方块实现了在红外频段的电磁响应。他们通过电子束气相沉积的方法在低折射率的聚合物基板上镀上锗/碲膜并刻蚀出想要的尺寸，通过模拟和实验验证在红外波段确实存在透射禁带，而且损耗很低。但是锗/碲膜的不易制备的特性以及在实际应用中的代价昂贵使得其不能得到普遍的应用，所以需要寻求一种类似锗/碲且能实现磁谐振效应以及价格低廉而且更容易实现微纳制备的材料。

在磁谐振超材料设计方面，目前科研工作者做出了不少的工作，但是在中红外波段磁谐振超材料的谐振波长随结构的变化的规律，还缺少系统研究和总结。所以，找到谐振峰随结构变化的规律是实现实际器件应用的必备条件。

发明内容

针对现有的磁谐振超材料设计的不足，为了有效减少电导损耗，设计出极化不敏感的中红外磁谐振超材料，从而实现集中在中红外波段的应用，如过滤器、偏振器、光谱发射器等的设计，特提出以下基于硅的中红外区磁谐振超材料结构以及相应的制备方案，真正实现低损耗、极化不敏感、可以三维扩展、低成本的磁谐振超材料。

本发明提供了一种基于硅的中红外区磁谐振超材料结构，其包括两部分，一部分是基板，另一部分是硅立方块，所述基板为玻璃基板，所述硅立方块周期性分布在所述玻璃基板上，硅立方块的边长为L，L的取值范围是在1微米至5微米之间，硅立方块的间距为W，W的取值范围是在1微米至5微米之间。

作为本发明的进一步改进，所要滤过的波段的波长满足下面的表达式：

λ(M)＝3.9394L。

作为本发明的进一步改进，硅立方块的边长为L与硅立方块的间距为W满足：L∶M＝1∶1。

作为本发明的进一步改进，L的取值范围是在1.2微米至4微米之间。