CN106868458A - 一种宽带热调控红外吸波结构材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

发明属于红外人工电磁超材料领域，更具体的，涉及一种宽带热调控红外吸波结构材料及其制备方法。本发明是利用相变材料氧化钒的可逆金属‑半导体相变特性和高介电常数特性，合理地设计结构参数，使得“三明治”结构的磁谐振吸收峰和介质层的驻波吸收峰交叠耦合在一起，从而在中远红外波段实现宽带可调吸收。

Description

一种宽带热调控红外吸波结构材料及其制备方法

技术领域

本发明属于红外人工电磁超材料领域，更具体的，涉及一种宽带热调控红外吸波结构材料及其制备方法。

背景技术

随着人工电磁超材料的迅速发展，相比传统电磁材料，红外人工电磁超材料因其具有负折射率、完美吸收和选择吸收等特性而受到越来越多的关注。宽带吸收一直以来都是红外人工电磁超材料的研究重点，传统的电磁材料实现宽带吸收主要通过多层结构、几何渐变结构以及特殊的色散媒质等方式。然而，由于红外波段的电磁波波长处于微米级别，多层结构和几何渐变结构都对工艺有极高的要求，尤其是在薄膜的厚度控制和每层结构的图形制作方面，要求精度更高、工艺兼容性好，然而能够实现的带宽却往往有限。对于特殊色散媒质的宽带红外吸收的研究，由于对媒质色散特性要求较高，人为控制难度较大，因此大多数还停留在理论阶段。传统宽带红外人工电磁超材料的另外一个局限是，一旦结构确定后，其吸波性能也就确定了，这样的性能已经难以满足现在对新型人工电磁超材料的要求了，而且在其实际的应用价值也会因此降低。

因此，现有技术的红外人工电磁材料存在工艺复杂，吸波带宽不可调等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，吸波带宽可调的一种宽带热调控红外吸波结构材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是，一种宽带热调控红外吸波结构材料，由下至上包括TiN薄膜、VO₂薄膜、Al₂O₃薄膜和Al₂O₃薄膜上的图形层；所述TiN薄膜的厚度大于红外波段电磁波在TiN中的趋肤深度，VO₂薄膜的厚度为500nm～700nm，Al₂O₃薄膜的厚度为100nm～200nm，所述超材料由超材料单元结构周期性排列而成，图形层的单元结构为金属圆柱，金属圆柱直径为2μm～2.4μm，高为50nm～100nm，每个单元结构与相邻最近的单元结构的几何中心距为5μm。

所述图形层的材料为铝、铜、金或银。

上述宽带热调控红外吸波结构材料的制备方法，包括如下步骤：

1)通过薄膜沉积技术在衬底上沉积一层TiN薄膜，TiN薄膜厚度大于红外波段电磁波在TiN中的趋肤深度；再在TiN薄膜上沉积一层厚度为500nm～700nm的VO₂薄膜；

2)将沉积好TiN薄膜和VO₂薄膜的衬底置于热处理设备中在480℃～500℃下热处理50～100分钟，热处理氧气压为150Pa～200Pa；热处理完成后自然冷却至室温；

3)将热处理后的衬底置于薄膜沉积设备中，在VO₂薄膜再沉积一层厚度为100nm～200nm的Al₂O₃薄膜；

4)通过光刻技术，在Al₂O₃薄膜上制得一层厚度为0.5μm～1μm的光刻胶膜，光刻胶膜上具有周期排列的圆孔，圆孔直径为2μm～2.4μm，每个圆孔与相邻最近的圆孔的圆心距为5μm；

5)通过薄膜沉积技术，在胶膜上沉积一层厚度为50nm～100nm的金属薄膜，沉积完毕后将样品置于丙酮溶液中进行超声清洗将光刻胶剥离，得到目标宽带热调控红外吸波结构材料。

本发明的有益效果是：

本发明是利用相变材料氧化钒(VO₂)的可逆金属-半导体相变特性(MIT)和高介电常数特性，合理地设计结构参数，使得“三明治”结构的磁谐振吸收峰和介质层的驻波吸收峰交叠耦合在一起，从而在中远红外波段实现宽带可调吸收。

附图说明

图1为宽带热调控红外吸波结构材料中一个周期单元的结构模型；

图2为宽带热调控红外吸波结构材料的俯视图；

图3为室温下通过FTIR测得的实施例1的反射率曲线；

图4为在温度从30℃升至85℃的过程中，样品在对应温度下的反射率曲线；

图5为变温测试结果，其中5(a)为升温和降温过程中磁谐振峰位置随温度的变化，图5(b)为升温和降温过程中，在驻波位置(λ＝7.8μm)反射率随温度的变化。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供的一种宽带热调控红外吸波结构材料，由下至上包括TiN薄膜、VO₂薄膜、Al₂O₃薄膜和Al₂O₃薄膜上的图形层；所述TiN薄膜的厚度为500nm，VO₂薄膜的厚度为550nm，Al₂O₃薄膜的厚度为200nm，所述超材料为超材料单元结构周期性排列而成，图形层的单元结构为铝圆柱，铝圆柱直径为2μm，高为50nm，每个单元结构与相邻最近单元结构的几何中心距为5μm。

宽带热调控红外吸波结构材料的制备

本实施例采用的是表面已制备好一层TiN薄膜的Si基片，TiN厚度为500nm；

1)将清洗过的基片通过脉冲激光沉积技术在TiN薄膜上沉积厚度为550nm的VO₂薄膜。沉积工艺参数为：腔体真空度为5×10^-5Pa，激光能量为500mJ，激光次数为30000次，靶基距为5cm，沉积氧气压为0.86Pa；

2)VO₂薄膜沉积完成后，将样品置于热处理设备中，热处理温度为480℃，氧气压为180Pa，热处理时间为50分钟，热处理完毕后自然冷却至室温；

3)将热处理后的样品置于电子束蒸发镀膜机中，在VO₂薄膜上沉积厚度为200nm的Al₂O₃薄膜；沉积工艺参数为：腔体真空度为6x 10^-4Pa，束流70mA；

4)通过光刻技术，在Al₂O₃薄膜上制得一层光刻胶膜，光刻胶膜上具有周期排列的圆孔，圆孔直径为2μm，圆孔深度为50nm，每个圆孔与相邻最近的圆孔的圆心距为5μm；光刻胶采用AZ5214光刻胶，涂胶转速为3000r/min，甩胶完成后在100℃的温度下前烘60s，装载好掩膜版采用接触式曝光，曝光时间为2.5s，曝光后进行后烘，后烘90s，温度为120℃，后烘后进行120s的泛曝，最后进行显影，显影时间为40s；

5)在步骤5中光刻好图形的胶膜上通过电子束蒸发镀膜的方法沉积厚度为50nm的均匀Al薄膜。工艺参数为：腔体真空度为6×10^-4Pa，束流230mA。

6)将经过步骤1)-5)制备的样品置于丙酮溶液中清洗掉光刻胶后用酒精冲洗后吹干，得到最终的宽带热调控红外吸波结构的样品。

测试流程：

将背景样品(Au薄膜)放置在恒温控制台中央，设置傅里叶红外光谱分析仪的测试条件为TEM波垂直入射，测试内容为反射，然后测试背景曲线。

取下背景样品，将上述所制得的样品放置在恒温控制台中央。首先测试样品不同区域的几个点的反射率，检查样品的均匀性是否良好。

然后开始逐渐升温，逐渐加热样品从30℃到85℃度(氧化钒的相变特征温度约为68℃)。待样品温度温度后，测试每一个温度点在2μm～15μm波段的反射率曲线。然后降温，采用同样的方式测试降温过程中的反射率曲线。

如图3所示，在室温下测试得到样品在6.8μm～9.8μm波段范围得吸收率在80％以上，即在中远红外波段存在一个带宽为2.9μm、吸收率80％以上的宽带吸收峰。图4和图5的变温测试结果显示，样品的吸收谱会随着温度的改变而改变，同时当温度降低后，样品的吸收谱又恢复到升温之前的状态，即该发明具还有可逆温度调控的效果。

综上，该发明设计方便、制作工艺简单，能够在中远红外波段实现宽带吸收，并且其吸收性能能够受外界温度的调控，在红外传感、红外成像等相关技术领域具有较大的潜在应用价值。

Claims (3)

1.一种宽带热调控红外吸波结构材料，其特征在于，由下至上包括TiN薄膜、VO₂薄膜、Al₂O₃薄膜和Al₂O₃薄膜上的图形层；所述TiN薄膜的厚度大于红外波段电磁波在TiN中的趋肤深度，VO₂薄膜的厚度为500nm～700nm，Al₂O₃薄膜的厚度为100nm～200nm，所述超材料由超材料单元结构周期性排列而成，图形层的单元结构为金属圆柱，金属圆柱直径为2μm～2.4μm，高为50nm～100nm，每个单元结构与相邻最近的单元结构的几何中心距为5μm。

2.如权利要求1所述的宽带热调控红外吸波结构材料，其特征在于，所述图形层的材料为铝、铜、金或银。

3.如权利要求1所述宽带热调控红外吸波结构材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过薄膜沉积技术在衬底上沉积一层TiN薄膜，TiN薄膜厚度大于红外波段电磁波在TiN中的趋肤深度；再在TiN薄膜上沉积一层厚度为500nm～700nm的VO₂薄膜；

2)将沉积好TiN薄膜和VO₂薄膜的衬底置于热处理设备中在480℃～500℃下热处理50～100分钟，热处理氧气压150Pa～200Pa；处理完成后自然冷却至室温；

3)将热处理后的衬底置于薄膜沉积设备中，在VO₂薄膜再沉积一层厚度为100nm～200nm的Al₂O₃薄膜；

4)通过光刻技术，在Al₂O₃薄膜上制得一层厚度为0.5μm～1μm的光刻胶膜，光刻胶膜上具有周期排列的圆孔，圆孔直径为2μm～2.4μm，每个圆孔与相邻最近的圆孔的圆心距为5μm；

5)通过薄膜沉积技术，在胶膜上沉积一层厚度为50nm～100nm的金属薄膜，沉积完毕后将样品置于丙酮溶液中进行超声清洗将光刻胶剥离，得到目标宽带热调控红外吸波结构材料。