納米級(jí)冷卻的納米等離子體激元裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種納米等離子體激元裝置，其包括：具有加熱側(cè)和冷卻側(cè)的納米等離子體激元加熱層，該加熱層包括多個(gè)局部能量接收位點(diǎn)；以及鄰接于冷卻側(cè)的冷卻結(jié)構(gòu)，該冷卻結(jié)構(gòu)包括從加熱層除熱的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。
【專利說明】納米級(jí)冷卻的納米等離子體激元裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米等離子體激元裝置，尤其是涉及對(duì)納米等離子體激元裝置的冷卻。
【背景技術(shù)】
[0002]納米等離子體激元技術(shù)越來越多地被用于將光能量耦合入裝置內(nèi)。此類應(yīng)用的例子包括磁存儲(chǔ)器、光伏電池和亞波長光刻。除了能量的高效耦合，亞波長分辨率也是可能的。
[0003]上述應(yīng)用中使用小于衍射極限的光斑。這可能會(huì)導(dǎo)致顯著的局部發(fā)熱?？梢岳么篌w積的金屬層來除熱，但這會(huì)導(dǎo)致熱擴(kuò)散引起的一般加熱，也可能改變裝置的近場(chǎng)特性。通常，可能難以獲得令人滿意的、高效和緊湊的冷卻效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的納米等離子體激元裝置包括:納米等離子體激元的加熱層，其具有加熱側(cè)和冷卻側(cè)，并包括多個(gè)局部能量接收位點(diǎn)；以及鄰接于所述冷卻側(cè)的冷卻結(jié)構(gòu)，其包括從加熱層除熱的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的納米等離子體激元系統(tǒng)的一例的示意圖。
[0006]圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的納米等離子體激元裝置的一例的示意圖。
[0007]圖3是根據(jù)本發(fā)明再另一個(gè)方面的納米等離子體激元裝置的一例的示意圖。
[0008]圖4是根據(jù)本發(fā)明再另一個(gè)方面的納米等離子體激元裝置的一例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]如圖1所示，納米等離子體激元系統(tǒng)10例如包括光源12、納米傳感元件14和納米裝置20。
[0010]納米裝置20包括具有加熱側(cè)24和冷卻側(cè)26的加熱層22、和鄰接于冷卻側(cè)26的冷卻結(jié)構(gòu)28。冷卻結(jié)構(gòu)28包括以下詳述的納米結(jié)構(gòu)。
[0011]加熱層22可以是例如熱響應(yīng)的磁存儲(chǔ)材料、光伏電池或光刻材料。
[0012]在操作時(shí)，各個(gè)光源12和納米傳感元件14的組合可以在加熱層22上產(chǎn)生光能量的亞波長斑16。納米傳感元件14可以是例如納米顆粒、納米天線和納米波導(dǎo)等用于定位入射輻射并轉(zhuǎn)換成亞波長加熱斑的公知裝置。各個(gè)斑16均與一個(gè)局部能量接收位點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。這能夠轉(zhuǎn)換單個(gè)光源12和納米傳感元件14的組合來連續(xù)照射上述斑16。納米級(jí)的福射熱傳遞是耦合由各個(gè)斑16和納米傳感元件16的組合所產(chǎn)生的亞波長光斑16的基礎(chǔ)機(jī)制。
[0013]當(dāng)兩個(gè)物體未接觸時(shí)，即，當(dāng)這兩個(gè)物體隔開一定距離時(shí)，仍然存在因輻射熱傳遞而產(chǎn)生的物體間熱傳遞。熱通過電磁輻射在這兩個(gè)物體間傳導(dǎo)。傳統(tǒng)上，該來自一個(gè)物體的電磁輻射與該物體的溫度相關(guān)，即所謂的黑體輻射。從一個(gè)物體到另一個(gè)物體的電磁輻射熱傳遞不僅取決于輻射體的溫度，還同樣取決于包括兩物體間距離在內(nèi)的其他因素。從一個(gè)物體發(fā)出的電磁輻射為1/R，其中R為到該物體的距離。電磁能量為1/R2。
[0014]然而，在納米數(shù)量級(jí)，即亞波長級(jí)中，當(dāng)物體以小于亞波長級(jí)被分開時(shí)，表面間的輻射熱傳遞可以比普朗克黑體輻射的預(yù)測(cè)值高出若干個(gè)數(shù)量級(jí)。在亞波長距離上的輻射熱傳遞可以比普朗克黑體輻射的預(yù)測(cè)值高三個(gè)數(shù)量級(jí)。這種增強(qiáng)是由于倏逝場(chǎng)的電磁能隧穿，以及結(jié)構(gòu)上的表面等離子體或聲子極化的激發(fā)。有幾種方法來提高這種物體之間的輻射熱傳遞。當(dāng)物體被置于亞波長的近場(chǎng)區(qū)域中時(shí)，由于物體之間的電磁能量的倏逝波耦合而使物體之間的輻射能量轉(zhuǎn)移增強(qiáng)。這種現(xiàn)象也被稱為光子隧穿，當(dāng)物體被分離成小于光波長時(shí)即能夠觀察到這種現(xiàn)象。另外，表面等離子體共振或聲子共振也促進(jìn)電磁能量傳遞。如果結(jié)構(gòu)支持表面等離子體共振或表面聲子共振，則電磁能量傳遞大大增加。如本發(fā)明所使用的，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)分別支持表面等離子體共振或表面聲子共振時(shí)，等離子體激元冷卻或聲子冷卻對(duì)應(yīng)于通過增強(qiáng)的能量傳遞而進(jìn)行的對(duì)物體的冷卻。
[0015]物體之間的空間或間隙可以是例如空氣或真空，也可以用電介質(zhì)等材料形成。
[0016]如圖2所示，納米等離子體激元裝置20包括加熱層22和形成于基材30上的冷卻結(jié)構(gòu)28’。該基材可以是例如硅等半導(dǎo)體或介電材料、或陶瓷玻璃、非結(jié)晶玻璃等其他任何合適的材料，并通常比其他層厚。加熱層可以是例如5nm至30nm厚。冷卻結(jié)構(gòu)28’可以是例如5nm至200nm厚。
[0017]冷卻結(jié)構(gòu)28’由嵌入有納米顆粒34的電介質(zhì)或半導(dǎo)體32形成，該納米顆粒34支持表面等離子體或聲子共振。
[0018]納米顆粒34的尺寸可以在5nm至200nm之間。優(yōu)選顆粒尺寸為5nm至20nm量級(jí)。顆粒交替圖案占總寬度的百分比可被稱作占空比。顆粒的典型占空比為50%左右。
[0019]電介質(zhì)32可以是例如二氧化硅、二氧化鈦或五氧化二鉭等氧化物。納米顆粒32可由金、銀、鋁、鉬、銅等金屬制成，以支持表面等離子體激元共振?；蛘?，納米顆粒32可由碳化硅、立方氮化硼(cBN)、六方氮化硼(hBN)或碳化硼(BC)制成，以支持表面聲子共振。
[0020]上述結(jié)構(gòu)可以用不同的技術(shù)來制造。制造上述結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能方法是薄膜沉積和圖案技術(shù)，該技術(shù)廣為人知并被半導(dǎo)體廠商和硬盤驅(qū)動(dòng)器廠商大量利用?？梢允褂脼R射，熱蒸發(fā)，離子束沉積等不同的技術(shù)來沉積薄膜層。可以使用光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的圖案。也可以使用自有序陣列或納米壓印光刻技術(shù)等最近開發(fā)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的圖案化。
[0021]不同的圖案可以由嵌入到電介質(zhì)或半導(dǎo)體層的納米顆粒制成。通過不同粒子間使用不同的占空比能夠獲得不同的圖案。此外，不同的圖案包括可以形成該層橫截面的可能的形狀。不同的圖案可以指納米顆粒的不同橫截面，包括例如球形、圓柱形、矩形和正方形。不同的圖案還可以指上述顆粒彼此間的不同排列，包括具有固定占空比的常規(guī)分布和隨機(jī)分布。
[0022]上述發(fā)明利用基本電磁現(xiàn)象和熱現(xiàn)象的耦合。設(shè)置能夠支持表面等離子體激元共振和聲子共振的圖案化的結(jié)構(gòu)，改善圍繞這些區(qū)域的局域電磁場(chǎng)和光場(chǎng)分布。此類局域的和被提高的光場(chǎng)促進(jìn)上述顆粒和加熱層之間的輻射能量轉(zhuǎn)移，從而改善局部加熱和冷卻。
[0023]如圖3所示，納米等離子體激元裝置20包括形成于基材30上的加熱層22和冷卻結(jié)構(gòu)28”。該基材可以是例如硅等半導(dǎo)體或介電材料、或陶瓷玻璃、非晶玻璃等其他任何合適的材料，通常比其他層厚。加熱層可以是例如5nm至30nm厚。冷卻結(jié)構(gòu)28”可以是例如5nm 至 200nm 厚。
[0024]冷卻結(jié)構(gòu)28 ”包括加熱層22和極化層38、40、42、44之間的間隙36。間隙36有助于層之間的輻射能量轉(zhuǎn)移。該間隙可以非常小，即，在納米量級(jí)或亞波長級(jí)，以便于上述結(jié)構(gòu)間的聲子隧道效應(yīng)(或倏逝能量耦合)。選擇下方的層，以便其支持表面聲子共振，或者，可選擇其來支持表面等離子體激元共振。由此在物體間的輻射能量轉(zhuǎn)移被進(jìn)一步增強(qiáng)。
[0025]極化層38、40、42、44為多層結(jié)構(gòu)，其中各個(gè)層可具有不同的厚度和材質(zhì)。各個(gè)層可具有與其他層不同的性質(zhì)。該堆積結(jié)構(gòu)支持表面等離子體激元共振或表面聲子共振。這些是能在特定條件下被激發(fā)的表面波。這些層可以是金或銀等表面等離子體激元共振支持材料；或碳化硅、立方氮化硼(cBN)、六方氮化硼(hBN)或碳化硼(BC)等表面聲子共振支持材料。在這些層之間為介電層。
[0026]如圖4所示，納米等離子體激元裝置20包括形成于基材30上的加熱層22和冷卻結(jié)構(gòu)28，，，。
[0027]冷卻結(jié)構(gòu)28”’包括在基材30中和供循環(huán)冷卻流體例如水使用的亞微米級(jí)通道46。在各個(gè)通道46中有納米棒48，以提高熱吸收。也可以采用非棒狀的其他形狀。
[0028]可以在例如硅基材中制造冷卻結(jié)構(gòu)28”’?；?0可以由兩個(gè)半部陽極接合形成，并同樣地被接合于加熱層22?？梢杂秒娮邮饪碳夹g(shù)來形成各個(gè)半部中的通道。在接合前，可以用掠射角沉積(GLAD)來沉積納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)可以是例如銅棒。
[0029]應(yīng)注意，冷卻結(jié)構(gòu)28”’位于斑16之下。該位置也可用于本發(fā)明的其他實(shí)施例。這不僅使得用納米級(jí)結(jié)構(gòu)能更快散熱，也使得冷卻效果的匯集在更接近需要冷卻的位置。
[0030]顯而易見，以上說明僅僅是示例，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想范圍的前提下，可以通過增加、修改或刪除技術(shù)特征來作出各種變形。因此本發(fā)明不限于所公開的具體細(xì)節(jié)，而只限定于權(quán)利要求的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種納米等離子體激元裝置，包括: 納米等離子體激元的加熱層，其具有加熱側(cè)和冷卻側(cè)，所述加熱層包括多個(gè)局部能量接收位點(diǎn)；以及 鄰接于所述冷卻側(cè)的冷卻結(jié)構(gòu)，所述冷卻結(jié)構(gòu)包括從所述加熱層除熱的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米等離子體激元裝置，其中所述冷卻結(jié)構(gòu)包括等離子體激元冷卻層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米等離子體激元裝置，其中所述等離子體激元冷卻層包括縱向交替的納米顆粒和非納米顆粒的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米等離子體激元裝置，其中所述等離子體激元冷卻層包括小于亞波長厚度的間隙層和等離子體亞層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米等離子體激元裝置，其中所述等離子體激元冷卻層包括交替的間隙層和等離子體亞層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米等離子體激元裝置，其中所述冷卻結(jié)構(gòu)包括聲子冷卻層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米等離子體激元裝置，其中所述聲子冷卻層包括縱向交替的納米顆粒和非納米顆粒的區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米等離子體激元裝置，其中所述聲子冷卻層包括小于亞波長厚度的間隙層和聲子亞層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米等離子體激元裝置，其中所述聲子冷卻層包括交替的間隙層和聲子亞層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米等離子體激元裝置，其中所述冷卻結(jié)構(gòu)包括:亞微米流體通道，其具有納米級(jí)結(jié)構(gòu)的吸熱結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米等離子體激元裝置，其中所述冷卻結(jié)構(gòu)位于所述能量接收位斑。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米等離子體激元裝置，其中所述裝置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置、光伏電池和光刻介質(zhì)之一。
【文檔編號(hào)】G03F7/20GK103959924SQ201180073846
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2011年10月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月5日
【發(fā)明者】易卜拉欣·庫爾薩特·塞頓, 阿里·卡薩爾, 穆斯塔帕·皮納爾·蒙格可 申請(qǐng)人:薩班哲大學(xué), 安茲耶因大學(xué)