一種寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)與制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)與制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)特定頻率的電磁波，現(xiàn)有吸波器的吸收帶寬窄，不能在整個(gè)光譜范圍內(nèi)達(dá)到較高吸收。
[0003]對(duì)特定頻率的電磁波，現(xiàn)有吸波器的吸收角較小，不能在較大的角度范圍內(nèi)達(dá)到較高吸收。
[0004]對(duì)特定頻率的電磁波，現(xiàn)有吸波器對(duì)入射的電磁波的極化方向敏感，不能達(dá)到很好的吸收。
[0005]現(xiàn)有吸波器按照吸收帶寬可以分為窄帶吸波器、多頻吸波器和寬頻吸波器三種。其在結(jié)構(gòu)上一般采用金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)。
[0006]窄帶吸波器對(duì)單頻率電磁波具有很強(qiáng)的吸收，但由于其吸收的帶寬極窄，一般只針對(duì)某一特定的頻率，故其在應(yīng)用上具有很大的限制性，不能在器件上得以應(yīng)用。多頻吸波器對(duì)某幾個(gè)特定頻率的電磁波具有較高的吸收，但存在較多缺陷。一般的多頻吸波器其特定吸收的電磁波頻率分散，不能達(dá)到連續(xù)吸收且對(duì)幾個(gè)頻率的吸收會(huì)相互妥協(xié)，不能兼顧，致使其吸收減弱。寬頻吸波器一般采用多層設(shè)計(jì)，將幾個(gè)不同的結(jié)構(gòu)疊加耦合到一起，但存在的問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備困難。現(xiàn)有的吸波器還普遍存在吸收角度窄，且對(duì)入射電磁波的極化方向敏感，大大限制了現(xiàn)有吸波器的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有吸波器的不足，為了設(shè)計(jì)制備出具有較寬吸收帶、較寬入射角和對(duì)入射電磁波極化不敏感的吸波器，特提出以下半金字塔結(jié)構(gòu)的吸波器以及制備方法。
[0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明提供了一種寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括基底層，設(shè)置在基底層上的半金字塔結(jié)構(gòu)，所述半金字塔為多層金屬-介質(zhì)層交替疊加組合而成，且結(jié)構(gòu)的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度遞減，該結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱軸為金屬-介質(zhì)層的中心的連線。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述介質(zhì)層為低損耗紅外介質(zhì)材料。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述低損耗紅外介質(zhì)材料為非晶硅、鍺、二氧化硅、氟化鈣中的一種或幾種。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)電層為鈦、金、銀、銅、鋁中的一種。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，半金字塔的上邊長(zhǎng)P1= 900±200nm，半金字塔的下邊長(zhǎng)卩2= 1800±1000nm。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，半金字塔的上邊長(zhǎng)P1= 900±100nm，半金字塔的下邊長(zhǎng)卩2= 1800±500nm。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，介質(zhì)厚度10nm和200nm內(nèi)變化，厚度D 2在250nm和500nm范圍內(nèi)變化。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，介質(zhì)厚度Dl在120nm和180nm內(nèi)變化，厚度02在300nm和450nm范圍內(nèi)變化。
[0016]上述任意一項(xiàng)的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)的制備方法，采用鍍膜的方式在基底上依次鍍金屬-介質(zhì)層，然后刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述鍍膜的方式為電子束蒸鍍、磁控濺射、CVD中的一種，基底為硅片或玻璃片，CVD:化學(xué)氣相沉積。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]該寬頻吸波器有如下優(yōu)勢(shì):
[0020]寬頻:該吸波器的主要吸收光譜在8-14微米，且在垂直入射時(shí)，在整個(gè)光譜內(nèi)的吸收都能達(dá)到90%以上。
[0021]吸收角度寬:該吸波器在0-60°入射角范圍內(nèi)都能達(dá)到較高吸收。
[0022]極化不敏感:該吸波器在結(jié)構(gòu)上為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其在吸收時(shí)極化不敏感。
[0023]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:該吸波器的結(jié)構(gòu)單一，便于制備。
[0024]光譜容易測(cè)量:在測(cè)量階段，8-14 μπι為中紅外波段，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，很容易得到該結(jié)構(gòu)的透射和反射光譜，從而得到吸收譜。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明吸波器三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0027]圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的主視圖、側(cè)視圖；
[0028]圖4是垂直入射光的吸收；
[0029]圖5是不同入射角下波長(zhǎng)9 μπι的吸收；
[0030]圖6是入射波長(zhǎng)為9 ym(a)和13 ym(b)時(shí)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0032]在該設(shè)計(jì)中，吸波器采用半金字塔結(jié)構(gòu)。該金字塔是由多層金屬-介質(zhì)層交替疊加組合而成。當(dāng)電磁波入射到吸波器時(shí)，由于金屬-介質(zhì)界面處局域表面等離子體共振的作用，在吸波器的金屬層中積聚電性相反的電荷，激發(fā)出金屬薄膜中的電偶極子產(chǎn)生共振，導(dǎo)致局域電場(chǎng)增強(qiáng)。由于電偶極子的耦合作用，在相鄰的金屬層中產(chǎn)生磁偶極子，磁偶極子的作用又導(dǎo)致介質(zhì)層中磁場(chǎng)的增強(qiáng)。由于金屬和介質(zhì)層具有不同的寬度，而不同的寬度對(duì)應(yīng)不同的響應(yīng)頻率。當(dāng)寬度越寬，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率越低，相反，寬度越窄，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率越高。由于金屬和介質(zhì)層的寬度是連續(xù)變化的，故響應(yīng)頻率也是連續(xù)的，從而實(shí)現(xiàn)吸收帶寬的寬頻。由于吸波器的多層設(shè)計(jì)和金字塔形狀，使得該結(jié)構(gòu)的吸波器的折射率能夠連續(xù)過渡，從而大大抑制電磁波的反射，達(dá)到很強(qiáng)的吸收。由于該結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其對(duì)電磁波的極化方向不敏感。
[0033]具體實(shí)施方案如下:在該設(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)上采用金屬-介質(zhì)多層重復(fù)疊加，且結(jié)構(gòu)的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度遞減。該結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中I為介質(zhì)層(低損耗紅外介質(zhì)材料:如非晶硅、鍺、二氧化硅、氟化鈣等)，2為導(dǎo)電層(鈦、金、銀、銅、銷等一般金屬)。理論上，如果加工工藝成熟，金字塔的層數(shù)沒有限制。金字塔的層數(shù)越多，其吸收譜的范圍就會(huì)越大，此處只是用四層結(jié)構(gòu)作為例證，其吸收譜范圍為8-14微米，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增多，其吸收范圍會(huì)變大。金字塔上邊長(zhǎng)尺寸減小，吸收的波長(zhǎng)相應(yīng)向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展，金字塔下邊長(zhǎng)尺寸增加，吸收的波長(zhǎng)相應(yīng)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)擴(kuò)展。當(dāng)金字塔的上邊長(zhǎng)越小，其對(duì)應(yīng)吸收波長(zhǎng)向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展；當(dāng)金字塔的下邊長(zhǎng)越大，其對(duì)應(yīng)吸收波長(zhǎng)相應(yīng)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)擴(kuò)展。此處，用圖1的四層結(jié)構(gòu)作為例證說明該結(jié)構(gòu)的有效性。
[0034]由于結(jié)構(gòu)采用多層設(shè)計(jì)且每層的金屬和介質(zhì)層的寬度不同，所以其對(duì)應(yīng)有不同的磁響應(yīng)和電響應(yīng)頻率。寬度越小對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率越高，寬度越大對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率越低。通過將寬度逐漸增加的多層金屬-介質(zhì)層疊加在一起，就能得到在特定波段內(nèi)的寬頻吸收。另夕卜，由于該設(shè)計(jì)的半金字塔結(jié)構(gòu)采用多層金屬-介質(zhì)層，折射率在Z方向上連續(xù)過渡，故該多層結(jié)構(gòu)也相當(dāng)于反透射層，其在另一角度也增加了該寬頻吸波器的吸收。
[0035]該結(jié)構(gòu)的幾何示意圖如圖2、圖3所示。圖2結(jié)構(gòu)的俯視圖中，其中結(jié)構(gòu)尺寸P =2000±1000nm，金字塔的上邊長(zhǎng)？丨=900±200nm，金字塔的下邊長(zhǎng)？2= 1800±1000nm。厚度D的可調(diào)控范圍非常廣泛，理論上只要D的厚度比其對(duì)應(yīng)的趨膚深度厚就可以。厚度D1和02厚度也可在很大的范圍內(nèi)變動(dòng)，其中D i可在10nm和200nm內(nèi)變化，D 2可在250nm和500nm范圍內(nèi)變化而不影響吸收。
[0036]如圖4所示，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，在整個(gè)特定光譜范圍內(nèi)其吸收都達(dá)到90%以上。在整個(gè)光譜范圍內(nèi)呈一個(gè)完整平滑的吸收峰。
[0037]當(dāng)電磁波以很寬的入射角入射時(shí)，該結(jié)構(gòu)依然能達(dá)到較高的吸收。如圖5所示，為在不同入射角時(shí)波長(zhǎng)為9 μ m處的吸收。
[0038]當(dāng)不同頻率的電磁波作用在該金字塔結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)在該結(jié)構(gòu)的不同位置處產(chǎn)生磁場(chǎng)增強(qiáng)。如圖6所示，當(dāng)入射的波長(zhǎng)較短時(shí)(圖6a)，在結(jié)構(gòu)的上部產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)增強(qiáng)，當(dāng)入射的波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)(圖6b)，在結(jié)構(gòu)的下部產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而該結(jié)構(gòu)可以吸收連續(xù)的不同波長(zhǎng)的電磁波，從而達(dá)到寬頻吸收。
[0039]涉及到的制備流程為:采用鍍膜的方式(電子束蒸鍍、磁控濺射、CVD等)在基底(硅片、玻璃片等)上依次鍍金屬-介質(zhì)層，然后用刻蝕(聚焦離子束等)刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)。
[0040]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:該結(jié)構(gòu)包括基底層，設(shè)置在基底層上的半金字塔結(jié)構(gòu)，所述半金字塔為多層金屬-介質(zhì)層交替疊加組合而成，且結(jié)構(gòu)的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度遞減，該結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱軸為金屬-介質(zhì)層的中心的連線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述介質(zhì)層為低損耗紅外介質(zhì)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述低損耗紅外介質(zhì)材料為非晶硅、鍺、二氧化硅、氟化鈣中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述導(dǎo)電層為鈦、金、銀、銅、鋁中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:半金字塔的上邊長(zhǎng)Pi =900 土 200nm，半金字塔的下邊長(zhǎng) P2 = 1800 土 lOOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:半金字塔的上邊長(zhǎng)P!=900 土 lOOnm，半金字塔的下邊長(zhǎng)P2 = 1800 土 500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:介質(zhì)厚度01在10nm和200nm內(nèi)變化，厚度02在250nm和500nm范圍內(nèi)變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)，其特征在于:介質(zhì)厚度D1在120nm和180nm內(nèi)變化，厚度02在300nm和450nm范圍內(nèi)變化。
9.權(quán)利要求1至權(quán)利要求8任意一項(xiàng)的寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:采用鍍膜的方式在基底上依次鍍金屬-介質(zhì)層，然后刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于:所述鍍膜的方式為電子束蒸鍍、磁控濺射、CVD中的一種，基底為硅片或玻璃片，CVD:化學(xué)氣相沉積。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種寬頻吸波器的結(jié)構(gòu)與制備方法，該結(jié)構(gòu)包括基底層，設(shè)置在基底層上的半金字塔結(jié)構(gòu)，所述半金字塔為多層金屬-介質(zhì)層交替疊加組合而成，且結(jié)構(gòu)的尺寸在Z方向上由下往上呈梯度遞減，該結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱軸為金屬-介質(zhì)層的中心的連線。采用鍍膜的方式在基底上依次鍍金屬-介質(zhì)層，然后刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：該吸波器的結(jié)構(gòu)單一，便于制備。光譜容易測(cè)量：在測(cè)量階段，8-14μm為中紅外波段，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，很容易得到該結(jié)構(gòu)的透射和反射光譜，從而得到吸收譜。
【IPC分類】H01Q17-00
【公開號(hào)】CN104779447
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510163603
【發(fā)明人】肖淑敏, 劉佳, 宋清海
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月8日