專利名稱：基于拓?fù)浜褪┑目烧{(diào)諧吸波人工電磁超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于拓?fù)浜褪〔牧系目烧{(diào)諧吸波人工電磁超材料，在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
人工電磁超材料是一種人造介質(zhì)，在自然界并不存在，它利用亞波長的微結(jié)構(gòu)當(dāng)作類似材料組成單元的原子分子，因其所具有的獨(dú)特的電磁特性，例如，負(fù)折射率效應(yīng)、負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)、強(qiáng)圓二向色性、電磁隱身、逆多普勒效應(yīng)、逆契侖可夫輻射、放大倏逝波、吸波人工電磁超材料等而受到廣泛的關(guān)注。其中吸波人工電磁超材料的研究近年來已取得了很大成果，但還有許多關(guān)鍵性技術(shù)問題厄待解決，如怎樣拓寬和智能控制吸波人工電磁超材料的工作頻帶等。為了解決這些問題，人們做了很多嘗試，由此形成了電磁學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)可調(diào)諧吸波人工電磁超材料。2008年，N.1. Landy從負(fù)折射率媒質(zhì)宏觀等效電磁參數(shù)出發(fā)，探討了人工電磁超材料對入射電磁波達(dá)到完美吸收時(shí)的電磁參數(shù)條件；并試驗(yàn)驗(yàn)證了基于SRR-Wires周期諧振單元人工電磁超材料具有非常好的吸波效果。同年，Hu Tao等人采用相同方法對N.1.Landy的吸波人工電磁超材料結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，把工作頻率提高到了太赫茲頻段。美國阿肯色州州立大學(xué)V. V. Varadan也對類似SRR-Wires結(jié)構(gòu)負(fù)折射率吸波材料做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。2008年，H.T. Chen提出可以通過光參雜調(diào)諧吸波人工電磁超材料的吸收光譜。同年，D.R. Smith提出可以通過控制溫度的變化實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧吸波人工電磁超材料。2012年，A. Minovich等人將液晶集成與吸波人工電磁超材料中，通過外加電場調(diào)節(jié)液晶的雙折射率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸收光譜的頻率可調(diào)諧性。上面幾種結(jié)構(gòu)在制作方法、應(yīng)用及推廣上仍存在不足，如設(shè)計(jì)過程復(fù)雜且加工工藝要求高，同時(shí)液晶材料又具有流動(dòng)性與腐蝕性，會給吸波人工電磁超材料的實(shí)際應(yīng)用帶來很大的難度。因此，本發(fā)明提供一種基于拓?fù)洳牧虾褪┎牧系目烧{(diào)諧吸波人工電磁超材料。通過在多層人工電磁超材料中弓I入拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧?，使其產(chǎn)生的吸收譜工作頻帶具有可調(diào)諧性，從而解決了吸波人工電磁超材料工作頻段過窄和不可調(diào)諧的問題。本發(fā)明利用拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧系慕殡娤禂?shù)及表面電阻率隨外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸雀淖兌兓奶匦裕瑢?shí)現(xiàn)可調(diào)諧吸波人工電磁超材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述可調(diào)諧吸波人工電磁超材料的問題，提供了一種基于拓?fù)浠蛘呤┎牧系目烧{(diào)諧吸波人工電磁超材料，該器件具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、工作頻率調(diào)諧范圍大等特點(diǎn)。本發(fā)明解決問題采用的技術(shù)方案如下基于拓?fù)洳牧虾褪┎牧系奈ㄈ斯る姶懦牧鲜且粋€(gè)多層結(jié)構(gòu)器件。其表面所具有的亞波長周期性諧振單元陣列，會使其產(chǎn)生較高的吸收光譜。通過改變拓?fù)洳牧虾褪┎牧系慕殡姵?shù)及表面電阻率，使吸收譜對應(yīng)的工作頻帶發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧吸波人工電磁超材料。一種具有可調(diào)諧吸收光譜的吸波人工電磁超材料，該吸波人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)是通過在襯底材料上生長金屬層、拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧蠈?、金屬層和氧化層，然后在頂部金屬層和氧化層上制作周期性諧振單元陣列而成；第二種結(jié)構(gòu)是通過在襯底材料上生長金屬層、介質(zhì)層、金屬層，然后在頂部金屬層上制作周期性諧振單元陣列，最后在周期性諧振單元陣列表面鍍拓?fù)洳牧蠈踊蛘呤┎牧蠈佣伞?
所述的周期性諧振單元陣列是圓形、矩形、橢圓形、三角形、弧形、十字形、六邊形、不對稱開環(huán)、螺旋結(jié)構(gòu)或共軛卍字形；所述的介質(zhì)層可以是Al2O3層、Si3N4層、MgF2層或SiO2層等。所述的拓?fù)洳牧蠈涌梢允荁ixSlvx層、HgTe層、Bi2Te3層、Bi2Se3層或Sb2Te3層
坐寸。所述的石墨烯層是單層碳原子層，由石墨烯層和M層碳原子層構(gòu)成，其中1〈M〈100。所述的氧化層可以是In2O3層、SnO2層或ITO層等。所述的襯底層可以是BK7光學(xué)玻璃層、SiO2層、Si3N4層或Al2O3層等。所述的多層結(jié)構(gòu)可以通過材料生長工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，范德華外延法，取向附生法-晶膜生長，和分子束外延技術(shù)所述的周期性諧振單元陣列是通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光和反應(yīng)離子束刻蝕。所述的基于拓?fù)浜褪┎牧系目烧{(diào)諧吸波人工電磁超材料可以通過控制外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸?，改變拓?fù)浜褪┎牧辖殡娤禂?shù)及表面電阻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸波人工電磁超材料吸收光譜的可調(diào)諧性。本發(fā)明的測試系統(tǒng)由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀完成，通過傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀對所述器件的吸收光譜的幅度和相位進(jìn)行測試。
圖1為可調(diào)諧吸波人工電磁超材料示意圖。圖2為本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為可調(diào)諧吸波人工電磁超材料的各種形狀示意圖。圖中1襯底，2多層結(jié)構(gòu)，3金屬層，4拓?fù)洳牧蠈踊蚴樱?氧化層，6掩膜，7周期性諧振單元陣列，8可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，9基于N個(gè)多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料第一種結(jié)構(gòu)，10介質(zhì)層，11基于N個(gè)多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料第二種結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。其中的材料生長技術(shù)包括電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，范德華外延法，取向附生法-晶膜生長，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。例I首先，利用材料生長工藝在襯底I上形成一個(gè)多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-拓?fù)洳牧匣蚴?-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖2 (a)所示。其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖2(b)所示。然后，通過掩模工藝將設(shè)計(jì)好的周期性諧振單元陣列樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖2(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性諧振單元陣列7，如附圖2(d)所示。最后，移除掩模6，得到可調(diào)諧吸波人工電磁超材料8，如附圖2(e)所示。其中基于N個(gè)(N>1)多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料第一種結(jié)構(gòu)9，如附圖2(f)所示。例2首先，利用材料生長工藝在襯底I上形成一個(gè)多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-介質(zhì)層10-金屬層3) 2，如附圖3(a)所示。其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖3(b)所示。然后，通過掩模工藝將設(shè)計(jì)好的周期諧振單元樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖3(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性諧振單元陣列7，如附圖3(d)所示最后，移除掩模6，并在2上沉積石墨烯或拓?fù)洳牧蠈?得到可調(diào)諧吸波人工電磁超材料8，如附圖3(e)所示。其中基于N個(gè)(N>1)可調(diào)諧吸波人工電磁超材料第二種結(jié)構(gòu)11，如附圖3(f)所示。本發(fā)明測試系統(tǒng)主要由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀構(gòu)成?？梢酝ㄟ^控制外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸龋淖兪┗蛲負(fù)洳牧辖殡娤禂?shù)及表面電阻率，進(jìn)而調(diào)諧吸波人工電磁超材料吸收光譜的工作頻率。綜上所述，本發(fā)明提供的基于石墨烯或拓?fù)洳牧系娜斯る姶懦牧峡梢酝ㄟ^溫度，外加電場，注入光強(qiáng)和拓?fù)洳牧吓c石墨烯材料的厚度對其所產(chǎn)生的吸收光譜的工作頻率進(jìn)行調(diào)諧，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)。以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。
權(quán)利要求
1.一種具有可調(diào)諧吸收光譜的吸波人工電磁超材料，其特征在于，該吸波人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，襯底材料上生長金屬層、拓?fù)洳牧蠈踊蛘呤┎牧蠈印⒔饘賹?、氧化層，頂部金屬層和氧化層上制作周期性諧振單元陣列。
2.一種具有可調(diào)諧吸收光譜的吸波人工電磁超材料，其特征在于，該吸波人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，襯底材料上生長金屬層、介質(zhì)層、金屬層，頂部金屬層上制作周期性諧振單元陣列，最后在周期性諧振單元陣列表面鍍拓?fù)洳牧蠈踊蛘呤┎牧蠈樱?br>
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，所述的周期性諧振單元陣列是圓形、矩形、橢圓形、三角形、弧形、十字形、六邊形、不對稱開環(huán)、螺旋結(jié)構(gòu)或共軛卍字形；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，所述的金屬層是Al層、Ag層、Au層、Cu層、Ni層或Pt層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，介質(zhì)層是Al2O3 層、Si3N4 層、MgF2 層或 SiO2 層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，拓?fù)洳牧蠈邮荁ixSVx 層、HgTe 層、Bi2Te3 層、Bi2Se3 層或 Sb2Te3 層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，石墨烯層是單層碳原子層，由石墨纟布層和M層碳原子層構(gòu)成，其中1〈M〈100。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，氧化層是In2O3 層、SnO2 層或 ITO 層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，襯底層是BK7光學(xué)玻璃層、SiO2層、Si3N4層或Al2O3層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧吸波人工電磁超材料，其特征在于，多層結(jié)構(gòu)通過材料生長工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀、氣相外延生長、范德華外延法、取向附生法-晶膜生長、分子束外延技術(shù)；周期性諧振單元陣列是通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光和反應(yīng)離子束刻蝕。
全文摘要
一種基于石墨烯材料或拓?fù)洳牧系目烧{(diào)諧吸波人工電磁超材料，通過在吸波人工電磁超材料中引入拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧?，使其吸收峰對?yīng)的諧振頻率發(fā)生改變，從而使吸收光譜的頻帶具有可調(diào)諧性，進(jìn)而解決吸波人工電磁超材料的頻帶過窄和不可調(diào)諧的問題。本發(fā)明可以通過控制外加電場或溫度或拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸?，改變拓?fù)洳牧虾褪┑慕殡娤禂?shù)及表面電阻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)諧工作頻帶的吸波人工電磁超材料。
文檔編號G02F1/01GK103018926SQ20121054106
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者曹暾 申請人:大連理工大學(xué)