CN107315205B - 一种基于机械移动的可调谐超材料结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及红外及太赫兹波段的调制器与探测器技术领域，尤其公开了一种基于机械移动的可调谐超材料结构及其制作方法，包括：固定图形结构、超材料结构、固定盒以及微位移控制器；固定盒包括顶端开口、在第一侧面开孔的框架，超材料结构放置于所述固定盒内，固定图形结构嵌入固定盒的顶端开口进行固定，微位移控制器包括U型框架和U型框架一端的螺旋测微器，U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器的旋转轴与超材料结构相接触，螺旋测微器通过旋转轴控制超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移，实现对超材料的谐振峰频进行调制或吸收。

Description

一种基于机械移动的可调谐超材料结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及红外及太赫兹波段的调制器与探测器技术领域，尤其涉及一种基于机械移动的可调谐超材料结构及其制作方法。
背景技术
超材料与过去一直研究的和应用的铜、铁、半导体等原子、分子以及纳米级别的材料不同，是一种全新的材料。“电磁超材料”(metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过有序而合理的设计超材料在其结构上的关键物理尺寸，可以实现其对某些表观的自然规律的突破，从而获得自然界固有的普通性质所不具备的超常功能。超材料是一种新型的可以调制电磁波的人造材料。超材料是由亚波长的金属共振器在绝缘介质上周期性排列组成的。相对于传统自然界材料的电磁场特性是由本身的分子决定的，超材料的电磁特性主要是由周期性排列的金属共振单元决定的。“超材料”这个名词最早是由Walser提出的，用来命名同时具有两种或两种以上奇异电磁响应特性的三维周期性排列的人工合成材料。时至今日，超材料仍然没有一个科学的统一的定义。但是超材料一定要具有以下特性：
(1)能够被一组等效均匀的电磁参数所描述；
(2)这些参数是由所有金属共振器的电磁响应共同决定的；
(3)这些共振器是周期性排列的；
(4)周期单元的尺寸约为电磁波长的十分之一。
通过合理的设计金属结构，可以实现各种奇异的电磁现象。鉴于这一特点，超材料可以广泛用于电磁隐身、完美吸收、负折射率等研究领域。近年来，随着太赫兹技术的快速发展，基于超材料太赫兹波器件的研究报道也越来也多，如太赫兹滤波器、太赫兹吸波器和太赫兹线栅偏振器等，超材料太赫兹波器件在太赫兹像、光谱和生物传感等领域有着很大的应用潜质。
超材料的介电常数和磁导率可以同时为负，这种电磁特性是自然界中的任何材料都不具有的。自然界中，大部分的电介质的介电常数都是正数，负的磁导率也是非常罕见的。超材料的这种负介电常数和负磁导率的特性，为光波领域一些前所未有的设计和应用提供了无限的可能，比如消除衍射对图像分辨率限制的超级透镜、灵敏度极高的生物传感器、隐形斗篷等。随着对超材料研究的深入，超材料的基础研究越来越丰富，新颖的设计和先进的应用也越来越多。更重要的是，这个领域的富有前景的研究甚至会改变将来的物理和工程设计的基本准则。
超材料在光的偏振、相位和振幅控制方面具有许多传统光学材料和器件无法比拟的独特优势，在新型光学元件的开发方面具有巨大潜力。利用超材料对光的超常控制能力可以实现一些新的元件如宽带圆偏振器、新型完美吸收器、具有无相差成像能力的平面透镜等。基于超材料，特别是平面超材料的光学元件，可以极大地减小传统光学元件的体积和重量，从而更加有利于小型化和集成化。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。这在一些传统光学元件比较缺乏的光学频段(如中远红外或者太赫兹波段)具有尤为重要的价值。
可调超材料的发展对于超材料的应用有着重要的意义。可调超材料可以通过施加外部信号(如电场、磁场、激光辐射等)改变超材料的电磁学性质。这一方面可以改变和扩展超材料的工作频段；另一方面，则为调制器等各种主动光子器件的开发提供了可能。因此，人们在可调超材料的研究方面付出了很多努力，并且取得了很大的进展。在可调超材料的类型方面，人们设计了基于可变电容的微波段可调超材料、基于MEMS工艺的机械可重构超材料和基于活性媒质的混合结构超材料等。从调制方式来说，有热调制、电调制、磁场调制和光调制等。从被调制的电磁波特性来说，有振幅调制、共振频率调制、相位调制等。
综上所述可调谐超材料在调制器与探测器等领域具有重要的应用，但是现有超材料制作完成后谐振频率点固定，只能在固定频率进行吸收、透射、反射；当在实际要求中需求其他频率谐振的超材料结构时，就需要进行重新的设计与制作。由于超材料特别是太赫兹波段的超材料结构非常精细，制作过程中通常需要制作紫外光刻的掩模版然后进行紫外光刻，结构的精细导致制作超材料的成功率并不是很高，因此，导致在不同谐振频率下超材料的使用效率并不高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是由于超材料制作过程中需要制作紫外光刻的掩膜版然后进行紫外光刻，结构的精细导致制作超材料的成功率不高，因此，导致不同谐振频率下超材料的使用效率不高的技术问题。
进而提供一种基于机械移动的可调谐超材料结构及其制作方法，实现对超材料的谐振峰频率进行调制或吸收。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于机械移动的可调谐超材料结构，包括：固定图形结构、超材料结构、固定盒以及微位移控制器；
所述固定盒包括顶端开口、在第一侧面开孔设置的框架，所述超材料结构放置于所述固定盒内，所述固定图形结构嵌入固定盒的顶端开口进行固定，所述微位移控制器包括U型框架和U型框架一端的螺旋测微器，所述U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器的旋转轴与超材料结构相接触，所述螺旋测微器通过旋转轴控制所述超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移。
进一步地，所述固定图形结构包括由上至下的高透过率基片、顶层图形化金属层以及无机聚合物薄膜层。
进一步地，所述超材料结构包括由下至上的基底、底层金属薄膜层、介质层以及中间图形化金属层。
进一步地，所述顶层图形化金属层的图形化结构与中间图形化金属层的图形化结构相适配，用于相对位移后产生不同波段的共振吸收。
进一步地，所述顶层图形化金属层厚度为100nm-500nm。
进一步地，所述底层金属薄膜层厚度为100nm-500nm。
进一步地，所述介质层厚度为1μm-50μm。
进一步地，所述中间图形化金属层厚度为10nm-300nm。
进一步地，所述底层金属薄膜层和中间图形化金属层的材料均为金、铋、铝、钛、NiCr或上述金属中的两个或两个以上金属的合金。
进一步地，所述介质层的材料为氮化硅、氧化硅、硅或聚酰亚胺。
另一方面，本发明还提供了一种基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，包括如下内容：
固定图形结构的制作步骤：将无机聚合物薄膜固定或沉积于玻璃或硅基底上；采用蒸发、磁控检测法在无机聚合物薄膜上制备顶层金属薄膜；在所述顶层金属薄膜上光刻制作出超材料图形，并采用刻蚀工艺将所述顶层金属薄膜图形化，形成顶层图形化金属层，将无机聚合物薄膜以及以上的顶层图形化金属层从玻璃或硅基底上转移并贴合至高透过率基片上，形成固定图形结构；
超材料结构的制作步骤：在基底上制备底层金属薄膜层，在所述底层金属薄膜层上采用PECVD、蒸发、旋涂制备介质层；在所述介质层上采用蒸发、磁控溅射法制作中间层金属薄膜，并采用光刻与反应离子刻蚀工艺对所述中间层金属薄膜进行图形化，形成中间图形化金属层，整体形成超材料结构；
固定盒的制作步骤：根据固定图形结构和超材料结构的尺寸，确定固定盒的框架的顶端开口尺寸和第一侧面开孔尺寸，使得所述超材料结构刚好从所述顶端开口或第一侧面开孔放入固定盒内，所述固定图形结构刚好固定于顶端开口处；
微位移控制器的组装：微位移控制器包括U型框架和U型框架一端的螺旋测微器，所述U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器的旋转轴与超材料结构相接触，所述螺旋测微器通过旋转轴控制所述超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况：
由于在本发明中采用固定图形结构、超材料结构、固定盒以及微位移控制器，该固定盒包括顶端开口、在第一侧面开孔的框架，超材料结构放置于固定盒内，固定图形结构嵌入固定盒的顶端开口进行固定，该微位移控制器包括U型框架和U型框架一端的螺旋测微器，在U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器的旋转轴与超材料结构相接触，螺旋测微器通过旋转轴控制超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移，解决了现有由于超材料制作过程中需要制作紫外光刻的掩膜版然后进行紫外光刻，结构的精细导致制作超材料的成功率不高，导致不同谐振频率下超材料的使用效率不高的技术问题,从而实现对超材料的谐振峰频进行调制或吸收。
附图说明
图1是本发明实施例中基于机械移动的可调谐超材料结构的正视结构示意图；
图2是本发明实施例中基于机械移动的可调谐超材料结构的俯视结构示意图；
图3a是本发明实施例中固定图形结构的具体结构示意图；
图3b是本发明实施例中超材料结构的具体结构示意图；
图4A-图4E是本发明实施例中顶层图形化金属层的图形化结构示意图；
图4F-图4J是本发明实施例中中间图形化金属层的图形化结构示意图；
图5a-图5c是本发明实施例中固定图形结构与超材料结构相对移动的示意图；
图6是本发明实施例中基于机械移动的可调谐型超材料的吸收谐振频的调谐吸收曲线的示意图。
具体实施方式
本发明主要解决的技术问题是由于超材料制作过程中需要制作紫外光刻的掩膜版然后进行紫外光刻，结构的精细导致制作超材料的成功率不高，因此，导致不同谐振频率下超材料的使用效率不高的技术问题。
进而提供一种基于机械移动的可调谐超材料结构及其制作方法，实现对超材料的谐振峰频率进行调制或吸收。
为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供的一种基于机械移动的可调谐超材料结构，如图1、图2所示，图1为主视图，图2为俯视图，包括固定图形结构1、超材料结构2、固定盒3以及微位移控制器4；具体地，该固定盒3包括顶端开口、在第一侧面开孔的框架，该超材料结构放置于该固定盒3内，该固定图形结构1嵌入固定盒3的顶端开口进行固定，该微位移控制器4包括U型框架41和U型框架41一端的螺旋测微器42，该U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器42的旋转轴与超材料结构相接触，且螺旋测微器42通过旋转轴控制超材料结构2沿固定盒第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构1和超材料结构2产生相对微位移。
在具体的实施方式中，如图3a所示，该固定图形结构1包括由上至下的高透过率基片10、顶层图形化金属层11以及无机聚合物薄膜层12。具体的，该顶层图形化金属层11的厚度为100nm-500nm。
如图图3b所示，该超材料结构2包括由下至上的基底23、底层金属薄膜层22、介质层21以及中间图形化金属层20，该底层金属薄膜22层厚度为100nm-500nm。介质层21厚度为1μm-50μm。中间图形化金属层20厚度为10nm-300nm。
该底层金属薄膜层22和中间图形化金属层20的材料均为金、铋、铝、钛、NiCr或上述金属中的两个或两个以上金属的合金。
该介质层21的材料为氮化硅、氧化硅、硅或聚酰亚胺。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，按照先制作固定图形结构1，再制作超材料结构2，然后制作固定盒3，将固定图形结构1和超材料结构2设置于固定盒内，在固定盒3外设置组装的微位移控制器4，使得微位移控制器4的U型框架一端与固定盒3固定，U型框架另一端的螺旋测微器的旋转轴与超材料结构2接触，制所述超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移。
具体地，如图3a所示，固定图形结构的制作步骤：将无机聚合物薄膜12固定或沉积于玻璃或硅基底上；采用蒸发、磁控检测法在无机聚合物薄膜12上制备顶层金属薄膜；在顶层金属薄膜上光刻制作出超材料图形，并采用刻蚀工艺将顶层金属薄膜图形化，形成顶层图形化金属层11，将无机聚合物薄膜12以及以上的顶层图形化金属层11从玻璃或硅基底上转移并贴合至高透过率基片10上，形成固定图形结构1。其中，将顶层图形化金属层11与高透过率基片10贴合。
具体地，通过调节工艺参数，控制顶层金属薄膜厚度为100nm-500nm。采用刻蚀工艺将顶层金属薄膜图形化，刻蚀溶液为磷酸溶液，控制工艺参数使其恰好将厚度为100nm-500nm的顶层金属薄膜刚好刻蚀完而不会刻蚀到无机聚合物薄膜层12，形成顶层图形化金属层11。在将顶层图形化金属层11与高透过率基片10贴合之后，将制作号的顶层图形化金属层与无极聚合物组成的部分进行清洗。
接着，如图3b所示，超材料结构的制作步骤：在基底23上制备底层金属薄膜层22，在底层金属薄膜层22上采用PECVD、蒸发、旋涂制备介质层21；在介质层21上采用蒸发、磁控溅射法制作中间层金属薄膜，并采用光刻与反应离子刻蚀工艺对中间层金属薄膜进行图形化，形成中间图形化金属层20，整体形成超材料结构2。
具体地，在基底23上采用蒸发、磁控溅射法制备底层金属薄膜层22，通过调节工艺参数，控制该底层金属薄膜层22的厚度为100nm-500nm，在底层金属薄膜层22上采用PECVD、蒸发、旋涂制备介质层21，控制介质层薄膜厚度为1μm-50μm。采用蒸发、磁控溅射法制备中间层金属薄膜，控制其厚度为10nm—300nm。采用光刻与反应离子刻蚀工艺图形化中间层金属薄膜，刻蚀气体中活性刻蚀剂为BCl3和Cl2；中性气体N2或CH4，设置BCl2和Cl2的流量比为10:30～90：10，射频功率为200～800W，反应室压力为2～10Pa，最后形成超材料结构2。
上述顶层图形化金属层11与中间图形化金属层20的图形结构相匹配，具体如图4A-图4E，图4F-图4J所示，其中，图4A-图4E为顶层图形化金属层11的图形化结构，图4F-图4J为对应的中间图形化金属层20的图形化结构，具体是一一对应，也就是说如果顶层图形化金属层11采用图4A所示的图形化结构，则对应的中间图形化金属层20对应采用图4F所示的图形化结构，依次类推，均是一一对应的，用于相对位移后产生不同波段的共振吸收。
然后，是固定盒3的制作步骤，根据固定图形结构1和超材料结构2的尺寸确定固定盒3的框架的顶端开口尺寸和第一侧面开孔尺寸，使得超材料结构2刚好从顶端开口或第一侧面开孔放入固定盒3内，固定图形结构1刚好固定于顶端开口处。
最后，微位移控制器4的组装：微位移控制器4包括U型框架41和U型框架41一端的螺旋测微器42，该U型框架41另一端固定于固定盒3外侧的第二侧面，螺旋测微器42的旋转轴与超材料结构2相接触，该螺旋测微器42通过旋转轴控制超材料结构2沿固定盒3的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构1和超材料结构2产生相对微位移，达到调谐该基于机械移动的可调谐超材料谐振频率的目的。
具体地，如图5a-图5c所示，以顶层图形化金属层11的图形化结构为图4C所示，中间图形化金属层20的图形化结构为图4c所示为例，可以看到具体的超材料结构2的移动方向，图示为俯视图，具体地，图5a中能够透过高透过率基片10看到顶层图形化金属层11以及下面的无机聚合物薄膜层12，图5b中能够看到超材料结构2的中间图形化金属层20以及下面的介质层21。这样，具体的超材料结构2的移动方向如图5c所示。
由于在微位移控制器4推动超材料结构2的作用下，使得超材料结构2水平移动，在垂直方向相对固定图形结构1无距离变化，进而实现该基于机械移动的可调谐型超材料的吸收谐振频率的调谐，具体的调谐吸收曲线如图6所示。
以上所述仅为本发明实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，结构包括：固定图形结构、超材料结构、固定盒以及微位移控制器；
所述固定盒包括顶端开口、在第一侧面开孔的框架，所述超材料结构放置于所述固定盒内，所述固定图形结构嵌入固定盒的顶端开口进行固定，所述微位移控制器包括U型框架和U型框架一端的螺旋测微器，所述U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器的旋转轴与超材料结构相接触，所述螺旋测微器通过旋转轴控制所述超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移；
制作方法包括如下内容：
固定图形结构的制作步骤：将无机聚合物薄膜固定或沉积于玻璃或硅基底上；采用蒸发、磁控溅射 法在无机聚合物薄膜上制备顶层金属薄膜；在所述顶层金属薄膜上光刻制作出超材料图形，并采用刻蚀工艺将所述顶层金属薄膜图形化，形成顶层图形化金属层，将无机聚合物薄膜以及以上的顶层图形化金属层从玻璃或硅基底上转移并贴合至高透过率基片上，形成固定图形结构；
超材料结构的制作步骤：在基底上制备底层金属薄膜层，在所述底层金属薄膜层上采用PECVD、蒸发、旋涂制备介质层；在所述介质层上采用蒸发、磁控溅射法制作中间层金属薄膜，并采用光刻与反应离子刻蚀工艺对所述中间层金属薄膜进行图形化，形成中间图形化金属层，整体形成超材料结构；
固定盒的制作步骤：根据固定图形结构和超材料结构的尺寸，确定固定盒的框架的顶端开口尺寸和第一侧面开孔尺寸，使得所述超材料结构刚好从所述顶端开口或第一侧面开孔放入固定盒内，所述固定图形结构刚好固定于顶端开口处；
微位移控制器的组装：微位移控制器包括U型框架和U型框架一端的螺旋测微器，所述U型框架另一端固定于固定盒外侧的第二侧面，螺旋测微器的旋转轴与超材料结构相接触，所述螺旋测微器通过旋转轴控制所述超材料结构沿固定盒的第一侧面、第二侧面相对的方向移动，使得固定图形结构和超材料结构产生相对微位移。
2.根据权利要求1所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述固定图形结构包括由上至下的高透过率基片、顶层图形化金属层以及无机聚合物薄膜层。
3.根据权利要求2所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述超材料结构包括由下至上的基底、底层金属薄膜层、介质层以及中间图形化金属层。
4.根据权利要求3所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述顶层图形化金属层的图形化结构与中间图形化金属层的图形化结构相适配，用于相对位移后产生不同波段的共振吸收。
5.根据权利要求2所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述顶层图形化金属层厚度为100nm-500nm。
6.根据权利要求3所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述底层金属薄膜层厚度为100nm-500nm，所述介质层厚度为1μm-50μm。
7.根据权利要求3所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述中间图形化金属层厚度为10nm-300nm。
8.根据权利要求3所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述底层金属薄膜层和中间图形化金属层的材料均为金、铋、铝、钛、NiCr或上述金属中的两个或两个以上金属的合金。
9.根据权利要求3所述的基于机械移动的可调谐超材料结构的制作方法，其特征在于，所述介质层的材料为氮化硅、氧化硅、硅或聚酰亚胺。
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