CN113203476A - 一种窄带中红外热辐射源及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高反射率金属上低折射率介质柱阵列的窄线宽中红外热辐射源。由下至上依次是金属反射层、氧化铝层、二维周期性排列的介质柱阵列。该结构可以支持高品质因子的晶格共振，共振模式的电磁场被限制在介质柱阵列顶部。对于约4μm的中红外波长，介质柱阵列可以采用二氧化硅，通过等离子增强化学气相沉积方法以及反应离子刻蚀方法来制备，金属可以采用铜。根据基尔霍夫辐射定律，对该结构的金属反射层施加电流加热，来实现表面辐射的窄带中红外热辐射源。
Description
技术领域
本发明涉及一种窄带中红外热辐射源，特别是基于高反射率金属上的低折射率介质柱二维周期阵列的窄带中红外热辐射源。
背景技术
分子传感在生物、化工及环境安全等多种应用中发挥着关键作用。生化分子的检测方案有很多，对于具有红外特征吸收带的气体，光学光谱法是常用的，而且比其他技术有优势。对于具有中红外光谱区分子吸收特性的环境气体传感器，需要通过窄带红外辐射源来实现高分辨率和高灵敏度。
设计中红外窄带热辐射源的研究主要集中在等离激元结构上，包括光栅或光子晶体，以及由金属平面上的金属贴片阵列组成的超材料(两者之间有一层介质层)。尽管该设计结构紧凑，但是电磁场被限制在金属附近，而金属在很宽的光谱范围内具有吸收损耗，因此金属结构实现的辐射峰的品质因子通常最高只有几十。相比之下，高折射率介质光子晶体可以产生品质因子大于100的热辐射峰。
发明内容
1、本发明的目的
为了解决上述金属结构的吸收损耗等制约问题，本发明公开一种基于金属膜上低折射率介质柱阵列的窄带中红外热辐射源
2、本发明所采用的技术方案
本发明公开了一种窄带中红外热辐射源，包括高反射率金属反射层膜上的介质柱阵列组成，介质柱阵列等间距排列在氧化铝层上，氧化铝层下方为金属反射层，介质柱阵列为二氧化硅，基于基尔霍夫辐射定律和表面等离子共振原理，对基底进行加热获得窄线宽的热辐射。
更进一步，介质柱的高宽比大于1。
更进一步，金属反射层采用铜或者铝。
更进一步，金属反射层的厚度为大于等于100nm，氧化铝保护层厚度为10nm到100nm。
更进一步，辐射率为ε(ω)＝1-|R(ω)|2，R是阵列结构的反射。
更进一步，高品质因子共振的产生与晶格共振有关，其波长随晶格间距a0(即周期)的变化而变化，通过等比例改变晶格间距和介质柱尺寸实现可调的窄带热辐射源。
更进一步，在波长>晶格间距a0且小于1.05a0处有窄带辐射，辐射的品质因子大于等于100。更进一步，上述窄带辐射对应的模式光场被局域在介质柱的顶端以及介质柱之间的空白区域。
本发明公开了一种窄带中红外热辐射源的制备方法，对于约3-6μm的中红外波长，介质柱阵列采用二氧化硅，通过等离子增强化学气相沉积方法来沉积二氧化硅薄膜，再通过反应离子刻蚀来获得二维周期的柱子阵列。
更进一步，包括以下步骤：
步骤1、在平整基片上沉积金属反射层，包含粘附层，氧化铝保护层，二氧化硅薄膜；
步骤2、在上述多层膜上进行纳米压印定义二维周期阵列的掩膜；
步骤3、利用反应离子刻蚀方法将掩膜图形转移到二氧化硅薄膜，形成二维周期柱阵列。
3、本发明所采用的有益效果
(1)本发明在平面金属基底上构建高深宽比介质柱阵列，在介质柱上表面形成局域电磁模式，调控金属中自由载流子吸收，实现极窄的吸收增强。
(2)本发明在介质柱结构方面，通过调节介质柱的横向形貌、尺寸和高度来调节结构的品质因子。可实现单方向性窄线宽热辐射源，发散角<2°，品质因子≥100。
(4)本发明对于约4μm的中红外波长，低折射率介质可以采用二氧化硅，可通过等离子增强化学气相沉积沉积来获得。
(5)本发明金属基底兼作加热元件，根据基尔霍夫定律，加热后可获得窄线宽的热辐射。
(6)本发明提出的热辐射源是由高反射率金属与低折射率介质柱阵列组成的复合***，可提供高品质因子的晶格共振，其模式电磁场被较强地局域在介质结构顶部。周期结构的色散特性可使辐射具有方向性，增强仅发生在对应于表面法线方向的带边位置，因此将产生垂直器件表面的热辐射。
附图说明
图1是本发明实施例1中的三维立体图。
图2是本发明实施例1中用电磁仿真软件计算金属介质复合结构的吸收谱，模式1具有极窄的共振线宽(a0＝4μm,d＝1.5μm,h＝2.9μm,hAl2O3＝100nm,hCu＝1μm)。
图3是本发明在实施例2中通过增大介质柱底部宽度得到的梯形柱阵列的吸收谱与实施例1中吸收谱的对比。
图4是本发明实施例2中由于二氧化硅折射率虚部变化(n＝1.4–jni)引起梯形柱结构模式1的演变。右图中的虚线是对数据点的指数拟合。
图5是本发明实施例3在考虑介质柱的吸收损耗时，通过调整介质柱尺寸，垂直入射时在晶格共振处表现出的完全吸收谱。
图6是本发明实施例3中图6中标记的晶格共振在平行于入射电场的横截面上的电场分布。
本发明中的主要标号说明：1-二氧化硅、2-氧化铝、3-铜基底。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
如图1所示是窄带中红外热辐射源的三维视图，一种金属介质复合结构的窄带中红外热辐射源，结构由下到上分别为铜基底，氧化铝膜，二氧化硅介质方柱阵列。本发明所描述的二氧化硅介质柱阵列呈正方形排列，且紧贴氧化铝表面，氧化铝作为保护层，保护铜不被氧化。铜基底作为平面反射镜，在中红外具有优异的表面等离子特性，同时兼作加热元件，根据基尔霍夫定律，对基底进行加热可获得窄线宽的热辐射。
本发明在平面金属铜基底上布置低折射率高深宽比介质柱阵列，电磁波在金属与介质分界面可激发出局域表面等离子共振，这种共振在界面处会产生显著的局域场增强，通过镜面反射，将产生的局域场增强迁移到介质表面、远离金属，从而大大减少了金属中自由载流子吸收的影响，在介质柱上方形成局域的表面电磁场，通过衍射耦合实现窄线宽的吸收增强。
这种结构的热辐射特性可以通过基尔霍夫热辐射定律来确定，该定律说明，在热平衡状态下每个物体都能辐射和吸收热辐射，且物体的辐射率与吸收率相等，即物体的辐射能力越大，吸收能力也越大。换句话说，辐射率公式可以表示为ε(ω)＝1-|T(ω)|2-|R(ω)|2，其中T和R是整个结构的光谱透射和反射。由于图1中的结构由厚金属基底支撑，因此辐射率仅由ε(ω)＝1-|R(ω)|2给出，因为|T|＝0。因此要实现窄带热辐射，该结构应吸收所有入射光。
实施例1
如图2所示为金属膜上方形介质柱阵列结构(即图1)在a0＝4μm，d＝1.5μm，h＝2.9μm时，正入射下的计算吸收谱。由于铜膜的阻挡，因此吸收率由A(λ)＝1-R(λ)给出，其中R(λ)是周期阵列的反射率。该周期阵列在一个非常窄的波段中表现出完美的吸收谱，其中峰值波长接近晶格间距a0，标记为模式1。拟合共振为
ω0为共振的角频率，Qr和Qnr为共振的辐射品质因子和非辐射品质因子，模式1几乎达到临界耦合条件(Qr＝Qnr)，可得总品质因子Q＝1/(1/Qr+1/Qnr)≈6000。品质因子共振(模式1)的产生与晶格共振有关，其波长随晶格间距a0的变化而变化，通过等比例改变晶格间距和介质柱尺寸能够实现可调的窄带热辐射源。
实施例2
本发明扩大了介质柱底部的宽度，构建梯形柱阵列，以便发现更多的可能性。如图3所示为柱底宽度为d′＝2.9μm时(柱顶宽度和柱顶高度不变)正入射时的吸收光谱。现在模式1有轻微的红移，晶格共振仍然展示出完美的吸收谱，此时品质因子可超过3000。
考虑到实际上制成的介质柱具有表面粗糙度(引起辐射损耗)，并且沉积的介电材料也可能具有吸收损耗，因此本发明接下来研究图3中梯形柱结构的模式1在其折射率(n＝1.4-jni)上具有虚部变化的演变。当ni＝0时，该结构呈现出完美的吸收峰，其Q大于3000。如图4所示，当ni增加时，光谱随着吸收峰的减小而变宽，而Q随着介质柱中损耗正切(εi/εr)的增加而呈指数下降。值得注意的是，即使ni值较大，品质因子Q仍然可达数百。
实施例3
当构成的介质材料具有实际的吸收损耗时，可以通过调整介质柱的形状来恢复100％的吸收峰。如图4所示，对于固定的梯形柱形状，当折射率ni的虚部增加时，峰值吸收率会降低，这主要是由于Qr和Qnr之间的不匹配所导致。ni的增加会导致Qnr迅速降低。为了与减小的Qnr相匹配，本发明可以通过增大柱子的底部宽度来减小Qr(同时保持其他参数与图3相同)。
如图5所示，对比情况(i)和情况(ii)，对于ni＝0.001，当底部宽度d＝3.2μm时，可恢复出Q＝1010的100％吸收；对于ni＝0.003，底部宽度d＝3.6μm时，才可恢复出Q＝330的100％吸收。由此可见，ni在有限范围内的进一步增加可以通过进一步增大底部宽度来补偿，以降低Q和场增强为代价。更复杂的设计，可通过调整整个柱子的形状来保持Qr＝Qnr条件以达到较大的总Q因子。例如，当ni＝0.001时，对于底部宽度d′＝2.9μm，顶部宽度d＝1.25μm，高度h＝3.2μm的梯形柱阵列，可得总品质因子Q＝1410，此时情况(iii)显示出比情况(i)更高品质因子的完全吸收。
图6为图5中标记的晶格共振在平行于入射电场截面上的电场分布。显然，情况(iii)中的电场强度高于情况(i)，二者皆明显大于情况(ii)。
所提出的结构可以通过膜沉积然后进行反应性离子蚀刻来制造。窄带中红外热辐射源的制备方法，对于约3-6μm的中红外波长，介质柱阵列采用二氧化硅，通过等离子增强化学气相沉积方法来沉积二氧化硅薄膜，再通过反应离子刻蚀来获得二维周期的柱子阵列。
包括以下步骤：
步骤1、在平整基片上沉积金属反射层，包含粘附层，氧化铝保护层，二氧化硅薄膜；
步骤2、在上述多层膜上进行纳米压印定义二维周期阵列的掩膜；
步骤3、利用反应离子刻蚀方法将掩膜图形转移到二氧化硅薄膜，形成二维周期柱阵列。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种窄带中红外热辐射源，其特征在于：包括高反射率金属反射层膜上的介质柱阵列组成，介质柱阵列等间距安装在氧化铝层上，氧化铝层下方为金属反射层，介质柱阵列为二氧化硅，基于基尔霍夫辐射定律和表面等离子共振原理，对基底进行加热获得窄线宽的热辐射。
2.根据权利要求1所述的窄带中红外热辐射源，其特征在于：介质柱的高宽比大于1。
3.根据权利要求1所述的窄带中红外热辐射源，其特征在于：品质因子共振的产生与晶格共振有关，其波长随晶格间距a0的变化而变化，通过等比例改变晶格间距和介质柱尺寸实现可调的窄带热辐射源。
4.根据权利要求1所述的窄带中红外热辐射源，其特征在于：在波长>晶格间距a0且小于1.05a0处有窄带辐射，辐射的品质因子大于等于100。
5.根据权利要求1所述的窄带中红外热辐射源，其特征在于：金属反射层采用铜或者铝。
6.根据权利要求1所述的窄带中红外热辐射源，其特征在于：金属反射层的厚度为大于等于100nm，氧化铝保护层厚度为10nm到100nm。
7.根据权利要求1所述的窄带中红外热辐射源，其特征在于：上述窄带辐射对应的模式光场被局域在介质柱的顶端以及介质柱之间的空白区域。
8.一种如权利要求1-7任一所述的窄带中红外热辐射源的制备方法，其特征在于：对于约3-6μm的中红外波长，介质柱阵列采用二氧化硅，通过等离子增强化学气相沉积方法来沉积二氧化硅薄膜，再通过反应离子刻蚀来获得二维周期的柱子阵列。
9.根据权利要求8所述的窄带中红外热辐射源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在平整基片上沉积金属反射层，包含粘附层，氧化铝保护层，二氧化硅薄膜；
步骤2、在上述多层膜上进行纳米压印定义二维周期阵列的掩膜；
步骤3、利用反应离子刻蚀方法将掩膜图形转移到二氧化硅薄膜，形成二维周期柱阵列。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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