專利名稱：一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲固態(tài)電子學(xué)的功能器件，特別是涉及一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料。
背景技術(shù)：
自從電磁波被發(fā)現(xiàn)以來，人類一直在嘗試各種努力，希望可以隨心所欲的控制電磁波，使其為人類服務(wù)。19世紀(jì)以來，雷達(dá)、無線電、傳感網(wǎng)等的發(fā)展大大加快了人類社會(huì)前進(jìn)的速度，同時(shí)也使得人類對(duì)電磁波控制器件的要求越發(fā)強(qiáng)烈?？刂齐姶挪ㄗ钪苯拥姆椒ㄊ窃谄鋫鞑ヂ窂郊尤氩煌牟牧蟻砀淖兤鋫鞑バ再|(zhì)，但自然界中的傳統(tǒng)材料越來越難滿足對(duì)電磁波控制的需求。尤其是在太赫茲波段，傳統(tǒng)材料表現(xiàn)出非常微弱的電磁響應(yīng)，使得對(duì)太赫茲波的控制遇到了巨大的挑戰(zhàn)。

另一方面，超材料的發(fā)展正推動(dòng)著新一輪的技術(shù)革命。超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表現(xiàn)自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料是一種特殊的人造結(jié)構(gòu)，其物理性質(zhì)決定于人工控制的周期性亞波長結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出很多不同于傳統(tǒng)材料的特殊性能。傳統(tǒng)材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都大于等于1，但是超材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ卻能夠小于I甚至小于O?；谶@一特性，超材料還具有負(fù)折射率效應(yīng)、逆多普勒(簡稱“Doppler”)效應(yīng)和逆切倫柯夫(簡稱“Cerenkov”)效應(yīng)等。超材料的特殊性能使其可以和太赫茲波發(fā)生強(qiáng)烈地相互作用，產(chǎn)生電磁諧振，從而控制太赫茲波的傳播。因此太赫茲(簡稱“THz”)波段的超材料設(shè)計(jì)成了填補(bǔ)太赫茲技術(shù)空白區(qū)的有效途徑。2004年，T. J. Yen等人第一次實(shí)現(xiàn)了 THz頻段的Metamaterial設(shè)計(jì),并在同年的《科學(xué)》上發(fā)表了這一成果。T. J. Yen等人的設(shè)計(jì)是在石英襯底上制作兩個(gè)開口諧振環(huán)，通過尺寸的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了 ITHz的超材料，隨后也出現(xiàn)了很多基于其他結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料。然而基于這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的太赫茲超材料，只能在單個(gè)頻點(diǎn)和太赫茲波發(fā)生比較弱的相互作用，并且頻帶非常的窄，大概只有幾十個(gè)GHz。而對(duì)于很多要求寬帶的太赫茲應(yīng)用來說，這無疑成了一個(gè)技術(shù)壁壘。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，具有強(qiáng)諧振、寬頻帶、雙頻點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，包括襯底和金屬層單元，所述金屬層單元上設(shè)有電磁諧振單元；所述電磁諧振單元包括兩個(gè)開口諧振環(huán)和一個(gè)閉合環(huán)；所述閉合環(huán)位于兩個(gè)開口諧振環(huán)之間；所述金屬層單元以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底上。所述閉合環(huán)與兩個(gè)開口諧振環(huán)之間的間距相等。
所述金屬層單元根據(jù)所述超材料特性和特征頻率以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底上。所述閉合環(huán)與兩個(gè)開口諧振環(huán)之間的間距為3-10 μ m。所述金屬層單元由上而下依次為金層、鉬層和鈦層。所述金層的厚度為100-500nm、鉬層的厚度為5_50nm、鈦層的厚度為5_50nm。所述襯底采用厚度為200-1000 μ m的砷化鎵材料制成，有效介電常數(shù)為12. 9，損耗角正切為O. 006。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果本發(fā)明經(jīng)過太赫茲時(shí)域光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測試，將時(shí)域信號(hào)利用傅里葉變換轉(zhuǎn)化成頻域信號(hào)，得到的透射率頻譜圖出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的衰減峰，通過參數(shù)抽取計(jì)算得到介電常數(shù)顯示，在對(duì)應(yīng)于透射禁帶的兩個(gè)衰減峰附近很寬的兩個(gè)頻帶內(nèi)介電常數(shù)實(shí)部表現(xiàn)為負(fù)值，并且絕對(duì)值很大，最低值小于-900。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，具有強(qiáng)諧振、寬頻帶、雙頻點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地應(yīng)用于各種要求寬帶設(shè)計(jì)的太赫茲功能器件。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是用掃描電鏡拍攝的本發(fā)明的工藝制作樣品局部圖；圖3是本發(fā)明涉及的太赫茲雙頻帶超材料對(duì)太赫茲電磁波透射率的模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果圖。圖4是本發(fā)明涉及的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料介電常數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，如圖I所示，包括襯底I和金屬層單元2。所述金屬層單元2上設(shè)有電磁諧振單元3，所述電磁諧振單元3包括兩個(gè)開口諧振環(huán)和一個(gè)閉合環(huán)；所述閉合環(huán)位于兩個(gè)開口諧振環(huán)之間；所述金屬層單元2以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底I上。本發(fā)明提出了具有特征尺寸的新型亞波長結(jié)構(gòu)，該新型結(jié)構(gòu)由兩個(gè)開口諧振環(huán)和一個(gè)閉合環(huán)組成。如圖I所示，將閉合環(huán)至于兩開口諧振環(huán)之間，并且使閉合環(huán)和兩開口諧振環(huán)的間距相等，閉合環(huán)和兩開口諧振環(huán)的間距在3-10μπι之間，最好使得閉合環(huán)和兩開口諧振環(huán)的間距為6 μ m。該新型亞波長結(jié)構(gòu)成為一個(gè)可以和太赫茲電磁波發(fā)生相互作用的電磁諧振單元。所述金屬層單元以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底上，由于電磁諧振單元設(shè)置在金屬層單元上，因此電磁諧振單元也按周期性陣列的方式在襯底上排成亞波長結(jié)構(gòu)電磁單元陣列。各個(gè)電磁諧振單元之間的間距可以根據(jù)所要設(shè)計(jì)的超材料特性和諧振頻率決定。將提出的新型亞波長結(jié)構(gòu)按一定周期性排列，其平面的兩個(gè)維度周期性晶格常數(shù)分別定為103 μ m和78 μ m，圖2為用掃描電鏡拍攝的本發(fā)明涉及的工藝實(shí)現(xiàn)樣品局部圖。金屬層單元是將鈦、鉬、金在垂直于陣列平面上依次排列，金層的厚度為100-500nm、鉬層的厚度為5_50nm、鈦層的厚度為5_50nm。本實(shí)施例中各金屬的厚度分別為鈦(Ti) :20nm JS(Pt) :20nm，金(Au) :300nm。鈦金屬層和襯底接觸，作為吸附層；鉬金屬層是中間層，用來防止金屬間化合物的擴(kuò)散；金屬金層是為了實(shí)現(xiàn)亞波長結(jié)構(gòu)電磁諧振單元。襯底的材料可采用厚度為200-1000 μ m的砷化鎵材料(GaAs)，有效介電常數(shù)為12. 9，損耗角正切為O. 006。GaAs襯底對(duì)太赫茲波的損耗比較小，比較適合用作各種太赫茲波功能器件的襯底材料。本發(fā)明的制作方法如下基于GaAs平臺(tái)工藝線，利用甩膠、曝光、顯影等光刻刻蝕技術(shù)，在光刻膠上開出圖形窗口，圖形為周期性排布的陣列結(jié)構(gòu)。為了方便后續(xù)的剝離工藝，在曝光后顯影前需要將樣品浸泡在氯苯中，使光刻膠不均勻膨脹，或者易剝離的倒八字結(jié)構(gòu)。通過磁控濺射技術(shù)，在樣品表面生長設(shè)計(jì)好厚度的鈦/鉬/金金屬層，形成金屬與半導(dǎo)體的肖特基接觸。通過剝離方法，去除覆蓋在光刻膠上的金屬，留下陣列圖形上的金屬，制備成功實(shí)驗(yàn)樣品。在剝離過程中，還需要不斷在顯微鏡下觀察，監(jiān)控剝離的進(jìn)度，減少剝尚造成的樣品損傷，提聞成品率。太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)裝置用于驗(yàn)證本發(fā)明涉及的太赫茲雙頻帶超材料設(shè)計(jì)。在室溫、干燥的環(huán)境下，將實(shí)驗(yàn)樣品置于測試點(diǎn)，為避免空氣中其它成分的影響，在實(shí)驗(yàn)裝置中通入氮?dú)?，封閉實(shí)驗(yàn)裝置。通過和探測裝置相連的終端機(jī)觀察實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)太赫茲波的相互作用。利用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，可以觀察到本發(fā)明涉及的超材料對(duì)太赫茲波的透射率。圖3為本發(fā)明涉及的太赫茲雙頻帶超材料對(duì)太赫茲電磁波透射率的仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果圖?？梢钥闯?，在、.375和、.59出現(xiàn)了透射率禁帶，仿真和測試結(jié)果吻合較好。正是由于經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)亞波長結(jié)構(gòu)在這兩個(gè)頻點(diǎn)和太赫茲波發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，導(dǎo)致了透射禁帶的出現(xiàn)。由于電磁波的傳播應(yīng)滿足色散方程
權(quán)利要求
1.一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，包括襯底(I)和金屬層單元(2)，其特征在于，所述金屬層單元(2)上設(shè)有電磁諧振單元(3);所述電磁諧振單元(3)包括兩個(gè)開口諧振環(huán)和一個(gè)閉合環(huán)；所述閉合環(huán)位于兩個(gè)開口諧振環(huán)之間；所述金屬層單元(2)以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底(I)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述閉合環(huán)與兩個(gè)開口諧振環(huán)之間的間距相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述金屬層單元(2)根據(jù)所述超材料特性和特征頻率以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底(I)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述閉合環(huán)與兩個(gè)開口諧振環(huán)之間的間距為3-50 u m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述金屬層單元(2)由上而下依次為金層、鉬層和鈦層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述金層的厚度為100-500nm、鉬層的厚度為5_50nm、鈦層的厚度為5_50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述襯底(I)采用厚度為200-1000 iim的砷化鎵材料制成，有效介電常數(shù)為12. 9，損耗角正切為0.006。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，包括襯底和金屬層單元，所述金屬層單元上設(shè)有電磁諧振單元；所述電磁諧振單元包括兩個(gè)開口諧振環(huán)和一個(gè)閉合環(huán)；所述閉合環(huán)位于兩個(gè)開口諧振環(huán)之間；所述金屬層單元以周期性陣列的方式鋪設(shè)在所述襯底上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，具有強(qiáng)諧振、寬頻帶、雙頻點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地應(yīng)用于各種要求寬帶設(shè)計(jì)的太赫茲功能器件。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102800986SQ201210272158
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者賀連星, 孫曉瑋, 郭萬易, 李彪, 滕騰, 孫浩, 張祁蓮 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所