[发明专利]一种基于可变表面方阻的可调谐超材料结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于可变表面方阻的可调谐超材料结构及其制备方法，用于红外及太赫兹波段的调制器与探测器等领域。本发明中可调谐超材料结构的制备方法为：首先制备顶层为图形化的金属薄膜的三层超材料结构，然后采用氧等离子体轰击超材料结构，调控顶层金属薄膜表面方阻，实现可调谐超材料结构。氧等离子体轰击前，通过介质薄膜部分覆盖顶层金属薄膜，可实现对部分顶层金属薄膜的选择性方阻调控，从而对超材料的谐振峰频率等进行调制。该可调谐超材料结构具有制备工艺与调谐方式简单，与MEMS工艺兼容，在红外及太赫兹波段调制效果明显，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及红外及太赫兹波段的调制器与探测器等领域，具体来说涉及一种基于可变表面方阻的可调谐超材料的结构及其制备方法。

背景技术

红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760nm至1mm之间，比红光长的非可见光。太赫兹(THz)波是指频率介于0.1-10THz(波长30μm-3mm)的电磁辐射。由于THz电磁辐射具有瞬态性、宽带性、低能性、穿透性等独特优点，使得太赫兹成像技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等领域有着巨大的应用价值。基于微桥结构的红外微测辐射热计作为当今非制冷热成像的主流技术，在THz波与红外辐射源的照射下可以用于THz与红外波段的成像与探测。根据1/4波长理论，以辐射频率3THz为例，为充分吸收太赫兹辐射，非制冷红外焦平面阵列的光学谐振器的高度应为25μm(入射辐射的1/4波长)，但这样的谐振腔高度在器件的制备上难以实现。若不改变谐振腔的高度，其膜系结构对太赫兹辐射的吸收极低，使得信号检测的难度较大。目前常用的解决方法是：保持非制冷红外焦平面阵列微桥结构的谐振腔高度不变，增加一层专门的太赫兹辐射吸收层在膜系结构的顶层上，以实现红外和太赫兹波段的调制器和探测器的实现。而超材料的吸波结构通过有序而合理的设计可以在固定的太赫兹频率与红外波段处具有很大的吸收。可以完美胜任顶层吸收的应用。而可调谐的超材料在原本固定吸收的基础上对结构的吸波性能进行调制。

超材料与过去一直研究的和应用的铜、铁、半导体等原子、分子以及纳米级别的材料不同，是一种全新的材料。“电磁超材料”(metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过有序而合理的设计超材料在其结构上的关键物理尺寸，可以实现其对某些表观的自然规律的突破，从而获得自然界固有的普通性质所不具备的超常功能。

电磁超材料因为其特有的电磁特性而被越来越广泛地研究和研究，同时，因为是新兴事物，也使得它具有很深远的研究和探索空间，即使是现阶段，其在光学以及微波器件方面也展现出十分可观的潜在应用价值；超材料的研究已经远远超出了最初的“负折射材料”或者“左手材料”的范畴。在超材料的基础上，人们又提出了超表面(metasurface)，超器件(metadevice)等新的概念。

超材料在光的偏振、相位和振幅控制方面具有许多传统光学材料和器件无法比拟的独特优势，在新型光学元件的开发方面具有巨大潜力。利用超材料对光的超常控制能力可以实现一些新的元件如宽带圆偏振器、新型完美吸收器、具有无相差成像能力的平面透镜等。基于超材料，特别是平面超材料的光学元件，可以极大地减小传统光学元件的体积和重量，从而更加有利于小型化和集成化。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。这在一些传统光学元件比较缺乏的光学频段(如中远红外或者太赫兹波段)具有尤为重要的价值。

可调超材料的发展对于超材料的应用有着重要的意义。可调超材料可以通过施加外部信号(如电场、磁场、激光辐射等)改变超材料的电磁学性质。这一方面可以改变和扩展超材料的工作频段；另一方面，则为调制器等各种主动光子器件的开发提供了可能。因此，人们在可调超材料的研究方面付出了很多努力，并且取得了很大的进展。在可调超材料的类型方面，人们设计了基于可变电容的微波段可调超材料、基于MEMS工艺的机械可重构超材料和基于活性媒质的混合结构超材料等。从调制方式来说，有热调制、电调制、磁场调制和光调制等。从被调制的电磁波特性来说，有振幅调制、共振频率调制、相位调制等。