基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其包括兩部分，一部分是基板，另一部分是硅立方塊，所述基板為玻璃基板，所述硅立方塊周期性分布在所述玻璃基板上，硅立方塊的邊長為L，L的取值范圍是在1微米至5微米之間，硅立方塊的間距為W，W的取值范圍是在1微米至5微米之間。還提供了上述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構的制備方法，采用光刻的方法獲得上述結構。本發(fā)明有效減少電導損耗，實現(xiàn)集中在中紅外波段的應用，如過濾器、偏振器、光譜發(fā)射器等的設計，特提出以下基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構以及相應的制備方案，真正實現(xiàn)低損耗、極化不敏感、可以三維擴展、低成本的磁諧振超材料。
【專利說明】基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成光學領域，尤其涉及基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構設計。

【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的磁諧振超材料都是利用金屬材料（如金、銀等）設計出類似開口諧振環(huán)的 結構實現(xiàn)磁諧振，由于金屬本身具有很高的電導損耗，使得金屬結構的磁諧振材料應用受 限。
[0003] 金屬結構的磁諧振超材料制備工藝難度比較高，難以擴展到三維結構，而且一般 設計出來的結構都是不對稱，對入射光的極化方向也是很敏感。
[0004] 目前使用陶瓷材料設計的結構可以實現(xiàn)毫米波段的磁諧振，根據(jù)超材料的設計思 想，如果想在光波波段實現(xiàn)磁諧振，就必須使陶瓷結構設計到微納米級，目前這在技術上是 無法實現(xiàn)的，而且磁諧振應用最廣泛的波長范圍是在中紅外區(qū)域。
[0005] 使用碲/鍺的立方塊結構可以實現(xiàn)中紅外區(qū)域的磁諧振，但是由于材料的成本較 高，而且碲/鍺薄膜的不易制備，所以需要尋求更便宜而且更容易實現(xiàn)的材料進行設計。
[0006] 由于自然界中的大多數(shù)磁性物質的磁響應具有高頻截止特性，如鐵磁物質在紅外 和可見光頻段會失去磁性，所以需要設計出一種能夠在高頻段能夠具有磁性的結構單元以 滿足器件要求。
[0007] 為了實現(xiàn)磁諧振性能，最早由英國的科學家設計出一種能產(chǎn)生磁響應的微結構單 元一開口諧振環(huán)（如圖1)，該諧振環(huán)類等效于由電容電感組成的諧振電路，開口相當于 電容，當選擇合適的光波入射該結構時，開口諧振環(huán)會產(chǎn)生強烈的磁諧振效應。根據(jù)這種設 計思想，后來的科研工作者設計了一系列用金屬材料制備的類開口諧振環(huán)的結構，在相應 的頻段都產(chǎn)生了磁諧振效應。
[0008] 但是利用金屬材料設計的磁諧振超材料會存在一系列的問題。由于金屬本身帶有 很大的吸收損耗，所以大部分入射到結構的光會被金屬本身吸收掉，這使得損耗問題成為 磁諧振超材料應用的最大的攔路虎。
[0009] 其次，要實現(xiàn)可見光波段的磁諧振，就必須進一步縮小金屬結構的尺寸，而納米級 的金屬結構的技術實現(xiàn)難度比較大，而且所設計的諧振環(huán)的圖形也比較復雜，大規(guī)模制備 也是不小的挑戰(zhàn)。利用金屬材料設計的結構一般在三維空間擴展比較困難，不適合大規(guī)模 集成，并且設計的結構一般不對稱，使得最終的材料結構對入射光波具有強烈的極化敏感 性。
[0010] 而利用鈦酸鍶鋇/氧化鎂制備的陶瓷類電介質結構，也可以在微米波段實現(xiàn)相應 的磁諧振效應，該設計雖然可以消除金屬材料設計的高損耗和極化敏感等問題，但是由于 陶瓷材料本身特性的制約，使得其無法實現(xiàn)微納米級尺寸的制備。
[0011] 目前一些基于介質材料實現(xiàn)電磁響應的研究成果都很不錯，實現(xiàn)了低損耗，廣入 射角，隨溫度可調等一系列成果。但是我們發(fā)現(xiàn)，這些研究成果基本上都是集中在使用陶瓷 材料作為電介質實現(xiàn)在微波段的電磁響應。然而，一些集中在紅外波段的應用如過濾器、偏 振器、光譜發(fā)射器等就無法很好的實現(xiàn)。所以，把基于電介質的超材料研究推向更高的頻段 是相當必要和有重大實用價值的。
[0012] 目前利用微米量級的鍺/碲立方塊實現(xiàn)了在紅外頻段的電磁響應。他們通過電子 束氣相沉積的方法在低折射率的聚合物基板上鍍上鍺/碲膜并刻蝕出想要的尺寸，通過模 擬和實驗驗證在紅外波段確實存在透射禁帶，而且損耗很低。但是鍺/碲膜的不易制備的 特性以及在實際應用中的代價昂貴使得其不能得到普遍的應用，所以需要尋求一種類似鍺 /碲且能實現(xiàn)磁諧振效應以及價格低廉而且更容易實現(xiàn)微納制備的材料。
[0013] 在磁諧振超材料設計方面，目前科研工作者做出了不少的工作，但是在中紅外波 段磁諧振超材料的諧振波長隨結構的變化的規(guī)律，還缺少系統(tǒng)研究和總結。所以，找到諧振 峰隨結構變化的規(guī)律是實現(xiàn)實際器件應用的必備條件。


【發(fā)明內容】

[0014] 針對現(xiàn)有的磁諧振超材料設計的不足，為了有效減少電導損耗，設計出極化不敏 感的中紅外磁諧振超材料，從而實現(xiàn)集中在中紅外波段的應用，如過濾器、偏振器、光譜發(fā) 射器等的設計，特提出以下基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構以及相應的制備方案，真 正實現(xiàn)低損耗、極化不敏感、可以三維擴展、低成本的磁諧振超材料。
[0015] 本發(fā)明提供了一種基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其包括兩部分，一部分 是基板，另一部分是硅立方塊，所述基板為玻璃基板，所述硅立方塊周期性分布在所述玻璃 基板上，硅立方塊的邊長為L，L的取值范圍是在1微米至5微米之間，硅立方塊的間距為W， W的取值范圍是在1微米至5微米之間。
[0016] 作為本發(fā)明的進一步改進，所要濾過的波段的波長滿足下面的表達式：
[0017] λ (M) = 3. 9394L。
[0018] 作為本發(fā)明的進一步改進，硅立方塊的邊長為L與硅立方塊的間距為W滿足： L : Μ = 1 : 1。
[0019] 作為本發(fā)明的進一步改進，L的取值范圍是在1. 2微米至4微米之間。
[0020] 作為本發(fā)明的進一步改進，L的取值范圍是在1. 5微米至3微米之間。
[0021] 作為本發(fā)明的進一步改進，W的取值范圍是在1. 2微米至4微米之間。
[0022] 作為本發(fā)明的進一步改進，W的取值范圍是在1. 5微米至3微米之間。
[0023] 上述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構的制備方法，采用光刻的方法獲得所 述結構，具體如下：首先在玻璃基板上旋涂光刻膠，曝光后，進行顯影，得到掩模板上的圖 案，然后用電子束真空蒸鍍的辦法將硅膜蒸鍍到基板上，移除光刻膠，得到所需的結構。 [0024] 本發(fā)明的有益效果是：
[0025] 使用的材料是硅，經(jīng)濟實惠，且制備硅微納米結構的技術已趨成熟，可以大規(guī)模集 成；該結構采用的是立方塊模型，屬于對稱結構，對入射光方向不敏感；在中紅外區(qū)，硅可 看做電介質，損耗很??；通過調整該超材料的結構參數(shù)可以有效調控磁諧振峰的位置，根據(jù) 所得到的經(jīng)驗公式可以推導出任何中紅外區(qū)域所需要的結構參數(shù)，簡單實用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是現(xiàn)有技術中的開口諧振環(huán)結構單元結構示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明結構的三維示意圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明結構的二維示意圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明W = L = 1. 2微米時的透射光譜；
[0030] 圖5是本發(fā)明W = L = 1. 2、1· 6、2· 0微米時的透射光譜；
[0031] 圖6是本發(fā)明W : L = 1 : 1時不同L時的磁諧振峰位置
[0032] 圖7是本發(fā)明磁諧振波長隨W變化曲線。

【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0034] 在本發(fā)明的原理如下：
[0035] 利用沉積在基板上的多晶硅立方塊的周期性結構實現(xiàn)了在中紅外波段的磁諧振 效應。由于硅在中紅外波段的折射率趨向一個定值，其可以看作是電介質，所以其對入射光 的損耗趨近于零，又由于硅半導體工藝技術已經(jīng)發(fā)展的相當完備，在制備微納米結構上是 很容易實現(xiàn)，而且制備成本也較低，所以在器件應用中有不可替代的作用。在本發(fā)明中，硅 立方塊周期性分布在玻璃基板上，當入射光照射結構后，周期性分布的硅立方塊相當于一 個個小的介質諧振器，當電磁波進入電介質后，借助于電磁波在電介質與自由空間的界面 不斷反射，形成駐波而產(chǎn)生振蕩，從而實現(xiàn)諧振出現(xiàn)傳輸禁帶，在硅立方塊內部形成強烈的 局域場，此時產(chǎn)生諧振的介質諧振器中的場分布與磁偶極子相同。在我們擬定的本發(fā)明中， 利用沉積在折射率很小的基板（本設計中玻璃板η = 1. 4)上的折射率約為3. 4的多晶硅 立方塊的周期性結構實現(xiàn)了在中紅外波段的磁諧振效應，硅膜作為有效介質層，將入射電 磁波局域到硅立方塊中形成強烈的局域場效應，在中紅外波段產(chǎn)生磁諧振。
[0036] 具體實施方案如下：
[0037] -個基于硅立方塊周期性結構的磁諧振超材料，主要是由兩部分組成，其中1是 折射率很低的玻璃基板（η約為1. 4)，上面一層2是周期性分布的硅立方塊，該立方塊周期 根據(jù)需要的磁諧振響應波長可以根據(jù)需要進行設計。
[0038] 該結構可以通過多種方法獲得，包括采用光刻的方法，首先在玻璃基板上旋涂光 刻膠，曝光后，進行顯影，得到掩模板上的圖案，然后用電子束真空蒸鍍的辦法將硅膜蒸鍍 到基板上，移除光刻膠，便得到我們所需要的結構。
[0039] 第一步設計采用的參數(shù)是基板為玻璃板（η約為1. 4)，硅立方塊的邊長L為1. 2微 米，間距W為1. 2微米（為了保證磁諧振在中紅外波段，L的取值范圍在1至5微米之間）， 即W : L=1 : !時的周期結構，該結構的透射譜如圖4。從圖4看出，該結構的磁諧振波 長為4. 7微米，在中紅外波段。
[0040] 當W : L = 1 : 1不變，改變硅立方塊邊長L的大小，如L = 1. 6微米、2. 0微米時 的透射光譜如圖5:當W : L=1 : 1時，隨著L的增加，磁諧振峰的位置都會向長波長方 向移動，說明該周期結構的電磁響應對硅立方塊的邊長尺寸很敏感。
[0041] 通過一系列參數(shù)的模擬結果，我們繪制出電諧振峰諧振波長與磁諧振峰諧振波長 隨半導體塊的尺寸改變的關系圖，如圖6 :可以看出磁諧振波長與尺寸L之間呈現(xiàn)完美的線 性關系，通過計算，得到磁諧振波長與尺寸的關系曲線的斜率為k(M) = 3. 9394,所以總結 出如下的經(jīng)驗表達式：
[0042] λ (Μ) = 3. 9394L
[0043] 通過該表達式，我們在實際器件應用中，可以根據(jù)性能要求初步估計出所需要的 結構尺寸，提高了設計的便捷性和準確性。例如在中紅外濾波器應用中，如果所要濾過的波 段是20微米，我們就可以直接設計L約為5微米的1 : 1的周期結構來實現(xiàn)。另外，在磁 鏡中如果需要在20微米波段有較強烈的磁諧振效應，我們同樣可以設計邊長L約為5微米 的1 : 1的周期結構來實現(xiàn)。
[0044] 第二步設計采用的參數(shù)是硅立方塊的邊長L = 2. 0微米，W : L分別為0. 6,0. 8， 1. 2,1. 4,1. 6,1. 8, 2. 0時的周期性結構。圖7為不同W時結構磁諧振峰位置的變化曲線圖， 可以看出，當硅立方塊的波長L固定不變，改變間距W對磁諧振峰的諧振波長影響不大，這 為器件設計提供了設計指導。
[0045] 該結構有的優(yōu)勢如下：
[0046] 1、結構簡單，摒棄了使用金屬材料開口諧振環(huán)實現(xiàn)磁諧振的復雜結構形式；
[0047] 2、該結構制備上更加簡單易行，使用的設備要求明顯降低；
[0048] 3、更容易集成三維結構，具有很好的各向同性；
[0049] 4、參數(shù)調整更加簡單易行，通過調整結構參數(shù)可以有效控制磁諧振波長；
[0050] 5、可以代替金屬材料實現(xiàn)磁諧振，損耗低。
[0051] 以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在 不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的 保護范圍。
【權利要求】
1. 一種基于娃的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：其包括兩部分，一部分是 基板，另一部分是硅立方塊，所述基板為玻璃基板，所述硅立方塊周期性分布在所述玻璃基 板上，硅立方塊的邊長為L，L的取值范圍是在1微米至5微米之間，硅立方塊的間距為W，W 的取值范圍是在1微米至5微米之間。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：所要濾 過的波段的波長滿足下面的表達式： λ (M) = 3. 9394L。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：硅立方 塊的邊長為L與娃立方塊的間距為W滿足：L : M=1 : 1。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：L的取值 范圍是在1. 2微米至4微米之間。
5. 根據(jù)權利要求4所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：L的取值 范圍是在1. 5微米至3微米之間。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：W的取值 范圍是在1. 2微米至4微米之間。
7. 根據(jù)權利要求6所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構，其特征在于：W的取值 范圍是在1. 5微米至3微米之間。
8. -種權利要求1至7任意一項所述的基于硅的中紅外區(qū)磁諧振超材料結構的制備 方法，其特征在于：采用光刻的方法獲得所述結構，具體如下：首先在玻璃基板上旋涂光刻 膠，曝光后，進行顯影，得到掩模板上的圖案，然后用電子束真空蒸鍍的辦法將硅膜蒸鍍到 基板上，移除光刻膠，得到所需的結構。
【文檔編號】G02B5/20GK104090321SQ201410318204
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】肖淑敏, 孫四五, 宋清海 申請人:哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院