CN115279162A - 完美吸收体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种完美吸收体，包括圆柱体阵列以及位于所述圆柱体阵列一侧的金属薄膜层。本发明还公开了一种完美吸收体的制备方法。本发明的完美吸收体无偏振敏感缺陷，实现了对太赫兹波段以及红外波段的非对称吸收，且金属损耗层厚度极薄，热容热导较小，敏感度高，在单光子探测***中有较为广阔的应用。
Description
技术领域
本发明属于电磁波吸收结构技术领域，特别涉及一种完美吸收体及其制备方法。
背景技术
基于人工合成材料的一种电磁波吸收结构，它的电磁波参数和周围环境的电磁参数可实现阻抗匹配，在特定波段下的吸收率为100％，因此人们称这种电磁波吸收结构为完美吸收体。吸收体的发展起始于二战时期，在上个世纪先后提出了多种吸收体设计方法，最著名的就是电路模拟吸收体。进入二十一世纪之后，于2002年，超材料吸收体被首次提出；2008年诞生了首个微波材料吸收体。与此同时，大量不同特性不同结构的超材料吸收体纷纷出现。按照带宽方式分类可以分成窄带吸收体于宽带吸收体；按照堆叠方式可分为单层平面结构与堆叠结构等等。超材料吸收体的几何形状往往都是对称的单元结构。而超材料吸收体的材料也有多种选择，基本可以分为以下四类：贵金属或高电导率金属，如金、铜、铝等；过渡金属，如铬、镍、钛等；导电金属氧化物、氮化物，如氮化钛；半导体或半金属，如硅、砷化镓等；超导材料，如铌、氮化铌等。同样地，不同工作波长地超材料吸收体介质材料也大不相同。微波与毫米波往往采用玻璃、特氟龙等材料；太赫兹波段会多使用空气、聚酰亚胺等材料；红外波段会使用二氧化硅、氧化铝等；而在可见光和紫外波段会采用二氧化硅、二氧化钛、氟化镁等。
但是现有完美吸收体为实现对目标频段的高吸收率，往往会采用添加背板金或者较厚的金属层的方法。这种方法虽然可以实现完美吸收的目标，但是由于底部金属层的存在使得吸收的能量中有一部分甚至大部分是由该层金属层完成。这样的结果一方面使得吸收体会阻断其他波段的电磁波信号，另一方面由底层金属吸收的能量无法用于传感、探测或者成像应用，从而降低了完美吸收体中的电磁场的利用效力。同时，目前工作在毫米波、太赫兹波以及红外可见光波段的完美吸收体结构的厚度一般是在波长的几十分之一，几乎很少能够做到波长的1000分之一甚至万分之一的。当完美吸收体变得极其薄时，吸收转化后的能量密度可以非常高，可以用于高灵敏探测。因此，有必要提出一种结构简单、轻薄的新型完美吸收体。
发明内容
发明目的：针对目前完美吸收体结构复杂，器件厚重，损耗较高不利于集成等缺陷，本发明提出了一种新的完美吸收体及其制备方法，本发明的完美吸收体是一种超薄非对称完美吸收体，不仅结构简单，而且金属层厚度占整个完美吸收体的千分之零点二到千分之一之间。
为了实现上述发明目的，本发明提出的第一种技术方案为一种完美吸收体，包括圆柱型硅阵列层以及阵列上的超薄损耗金属薄膜层。耗损耗金属层厚度仅约为目标波长的两万五千分之一。
本发明提供的第二种技术方案为一种制备完美吸收体的方法，包括以下步骤：
1.生长金属薄膜：清洗SOI衬底，采用磁控溅射法在SOI衬底表面生长金属薄膜；
2.旋涂光刻胶：在已生长金属薄膜的所述SO I衬底表面旋涂光刻胶并烘烤；
3.紫外曝光与显影：在光刻机上放置已旋涂光刻胶的SO I衬底，并与掩模版对准，所使用掩模版的结构为周期性圆形结构，曝光完后用正胶显影液进行显影，然后进行后烘；
4.蚀金属薄膜层：使用反应离子刻蚀工艺在金属薄膜上刻蚀出周期性圆盘结构，用丙酮清洗残留的光刻胶，用酒精和去离子水清洗后烘干；
5.重复所述步骤(3)、(4)，但所使用掩模版的结构为硅柱结构；
6.刻蚀SO I衬底：使用深硅刻蚀工艺在SO I衬底上刻蚀出硅圆柱结构，用丙酮清洗残留的光刻胶，用酒精和去离子水清洗后烘干；
7.旋涂两层光刻胶：在所述SOI衬底背面，依次旋涂两层光刻胶；
8.重复所述步骤(3)、(4)，但所使用掩模版的结构为方框结构；
9.重复所述步骤(6)，将SO I衬底剩下部分全部刻蚀去除；
10.释放结构：使用缓冲氧化物刻蚀液将SO I衬底残留的二氧化硅层刻蚀掉，最终获得完美吸收体。
有益效果：本发明公开了一种超薄非对称吸收完美吸收体，在太赫兹波段与红外波段可以实现非对称完美吸收，相较于传统的完美吸收体，金属层厚度远小于工作波长，因此具有体积小、损耗小、集成度高等优点；此外，由于该完美吸收体低热容低热导的特点，在作测辐射热记方面也拥有应用前景。
附图说明
图1是本发明的完美吸收体的结构示意图；
图2(a)和图2(b)分别是图1的顶视图与侧视图；
图3是实施例1在太赫兹波段S参数曲线仿真结果图(a)与实验结果图(b)；
图4是实施例2在太赫兹波段S参数曲线仿真结果图(a)与实验结果图(b)；
图5是实施例3在太赫兹波段S参数曲线仿真结果图(a)与实验结果图(b)；
图6是实施例2在太赫兹波段，不同入射方向吸收率情况图；
图7(a)和图7(b)分别是实施例2吸收体功率损耗密度的反向入射图和正向入射图；
图8是实施例2的扫描电镜图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的完美吸收体包括：硅圆柱体单元1，超薄损耗金属层2，硅连接桥3。其中超薄损耗金属层2位于硅圆柱单元1的上表面，并与硅圆柱单元1直接接触，属于同心结构。通过硅连接桥3将硅圆柱体单元1连接组成单元结构。
本发明将损耗金属层厚度设计远小于目标波长，并且无设置背板金属层，制备得到极薄太赫兹单向完美吸收体，大幅度简化了吸收体结构，提高了工艺兼容性，从而扩展了应用领域。
实施例1-3
步骤1：依次分别使用丙酮和乙醇低功率超声对硅片进行清洁；通过氮气对清洗后的硅片进行吹干，得到高洁净度的硅片；用磁控溅射方式在硅片上生长一层均匀性良好的损耗金属层。
步骤2：在金属层表面旋涂正性光刻胶；采用光刻机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；通过显影、定影处理，得到具有圆盘形状的正性光刻胶掩膜；利用反应离子刻蚀多余的损耗金属薄膜，得到损耗金属圆盘单元。
步骤3：依次分别使用丙酮和乙醇低功率超声对硅片进行清洁；通过氮气对清洗后的硅片进行吹干，得到高洁净度样品。
步骤4：在金属层表面旋涂正性光刻胶；采用光刻机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；通过显影、定影处理，得到硅圆柱阵列单元的正性光刻胶掩膜；利用深硅刻蚀多余的硅，得到硅圆柱阵列单元。
步骤5：依次分别使用丙酮和乙醇低功率超声对硅片进行清洁；通过氮气对清洗后的硅片进行吹干，得到高洁净度样品。
步骤6：在样品背面旋涂正性光刻胶；采用光刻机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；通过显影、定影处理，得到正方形的正性光刻胶掩膜；利用深硅刻蚀样品背部多余的硅，得到完整的极薄单向完美吸收体。
经过上述步骤，制备得到如图1所示的极薄单向完美吸收体。
本实施例1中的损耗金属圆盘材料为氮化铌材料(NbN)，半径为10微米。
硅圆柱高度为80微米，半径为102微米。硅连接桥高度为80微米，线宽10微米。本实施例2中的损耗金属圆盘材料为氮化铌材料(NbN)，半径为28.5微米。硅圆柱高度为80微米，半径为102微米。硅连接桥高度为80微米，线宽10微米。本实施例3中的损耗金属圆盘材料为氮化铌材料(NbN)，半径为40微米。
硅圆柱高度为80微米，半径为102微米。硅连接桥高度为80微米，线宽10微米。对本实施例1-3制备得到的吸收体进行测试，实验结果如图3、4、5、6所示，与仿真结果基本吻合。同时可以看到，吸收体的超薄损耗金属圆盘半径对吸收性能有非常大的影响。当超薄损耗金属圆盘半径为28.5微米时，可以实现非对称完美吸收。对本实施例2制备得到的完美吸收体的功率损耗密度进行仿真，仿真结果如图7所示，可以看到，完美吸收体工作时产生的所有损耗全部集中于超薄损耗金属层之中，不会影响单元中的其他结构。最终制作完成的实物图如图8所示。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种完美吸收体，其特征在于：包括圆柱体阵列以及位于所述圆柱体阵列一侧的金属薄膜层。
2.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述金属薄膜层为损耗金属层；所述圆柱体阵列为硅阵列。
3.如权利要求2所述的完美吸收体，其特征在于：所述损耗金属层的厚度占整个完美吸收体厚度的千分之零点二到千分之一之间。
4.一种制备如权利要求1所述完美吸收体的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)生长金属薄膜：清洗SOI衬底，采用磁控溅射法在SOI衬底表面生长金属薄膜；(2)旋涂光刻胶：在已生长金属薄膜的所述SOI衬底上表面旋涂光刻胶并烘烤；(3)紫外曝光与显影：在光刻机上放置已旋涂光刻胶的SOI衬底，并与掩模版对准，所使用掩模版的结构为周期性圆形结构，曝光完后用正胶显影液进行显影，然后进行后烘；(4)刻蚀金属薄膜层：使用反应离子刻蚀工艺在金属薄膜上刻蚀出周期性圆盘结构，用丙酮清洗残留的光刻胶，用酒精和去离子水清洗后烘干；(5)重复所述步骤(3)、(4)，但所使用掩模版的结构为硅柱结构；(6)刻蚀SOI衬底：使用深硅刻蚀工艺在SOI衬底上刻蚀出硅圆柱结构，用丙酮清洗残留的光刻胶，用酒精和去离子水清洗后烘干；(7)旋涂两层光刻胶：在所述SOI衬底背面，依次旋涂两层光刻胶；(8)重复所述步骤(3)、(4)，但所使用掩模版的结构为方框结构；(9)重复所述步骤(6)，将SOI衬底剩下部分全部刻蚀去除；(10)释放结构：使用缓冲氧化物刻蚀液将SOI衬底残留的二氧化硅层刻蚀掉，最终获得完美吸收体。
5.根据权利要求4所述制备完美吸收体的方法，其特征在于，所述金属薄膜层为损耗金属层。
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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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