專利名稱：一種高透射率平板型左手材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同時具有高透射率、極化不敏感特性和小特征尺寸的左手材料。
背景技術(shù)：
從2000年史密斯等對左手材料的實驗證實到2003年美國《科學(xué)》期刊把左手材料評為當(dāng)代十大科學(xué)技術(shù)進展之一，短短幾年時間內(nèi)，左手材料受到了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家和其它科研工作者廣泛關(guān)注并涌現(xiàn)了大量研究成果。左手材料因電磁波在其中傳播時電場、磁場和波矢量方向呈左手定則關(guān)系而得名。正是由于這種左手特性，使得左手材料呈現(xiàn)出許多不同于常規(guī)材料的奇異電磁現(xiàn)象，比如反常多普勒現(xiàn)象、反常切倫科夫輻射現(xiàn)象、負折 射率現(xiàn)象等超常物理性質(zhì)。這些超常物理性質(zhì)使左手材料極具應(yīng)用價值。比如將左手材料應(yīng)用于天線設(shè)計，可以得到高増益、方向性強等優(yōu)異性能的天線；用其設(shè)計的“完美透鏡”能突破光的衍射極限，生成比所用光波的波長更加精細的圖像，有利于大幅提高目前光刻技術(shù)精度而很好地工作在納米尺度；將左手材料用于太陽能電池，可以大幅度提高電池對太陽能的吸收效率；此外，在傳感器、濾波器、相移器以及隱身領(lǐng)域都有廣闊的前景。近年來，左手材料研究主要是集中在紅外和可見光波段。代表作品是經(jīng)典的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它有非常好的性能和簡單的制備エ藝。但是，這種設(shè)計，類似于開ロ環(huán)結(jié)構(gòu)，具有明顯的極化依賴性，這是在一些應(yīng)用當(dāng)中不可接受的，比如基于各向同性左手材料的完美透鏡。為了獲得極化不依賴性，有些研究者嘗試采用對稱圖形去優(yōu)化漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，比如方形或圓形洞、方角或倒角的十字逢。不幸的是，在相同的工作波長，相對于具有極化依賴性的矩形洞陣列，這種結(jié)構(gòu)透射性質(zhì)發(fā)生實質(zhì)性的下降。為了獲得対稱性，人們必須用更寬的金屬條替換窄的金屬條。這種替換引入了更大體積分數(shù)的金屬，它們導(dǎo)致了有效電等離子頻率的藍移(這也可以從洞波導(dǎo)的觀點定量地用截至波長來解釋)。相應(yīng)地，阻抗失配就發(fā)生了，導(dǎo)致更多的反射損耗，它是透射性質(zhì)衰減的主要原因。為了找回阻抗，ー個直接的思想就是通過擴大縫隙尺寸去紅移電等離子頻率。同時，為了保持住磁共振頻率不變，擴大周期也是必要的，但是因為“磁性原子”密度的減小，磁導(dǎo)率又相應(yīng)地明顯衰減以至于阻抗失配仍然存在，并且透射性質(zhì)不能實質(zhì)性地改善。總之，電成分和磁成分之間的依賴性阻止了具有對稱圖形的漁網(wǎng)表現(xiàn)出高的透射率。最近，ー種改善的具有極化不敏感特性的具有高品質(zhì)因數(shù)的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)被制備出來，他們利用的是第二階磁共振，隨著擴大縫隙和周期，ニ階共振會變得比第一階磁共振還強。但是，在另一方面，這種大的周期讓漁網(wǎng)變得更像光子晶體，它通常工作在它們的“布拉格區(qū)”，這周期通常是導(dǎo)行波波長的一半也就是λΑΓ2.ο，而不是超材料。對于有效均勻媒質(zhì)近似，在其中更大的波長與周期的比例是更可靠的。事實上，在對稱漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中大多數(shù)的比例值都是少于2. O的。這歸咎于截至波長(有效電等離子頻率)對周期的比例為2. O的限制。當(dāng)然，波長對周期的這種比例可以通過使磁共振發(fā)生在比截至波長大得多的地方而設(shè)計得更大，但是我們會面臨阻抗失配。本發(fā)明首先開發(fā)出了一種新的左手材料，它由細線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和方環(huán)對陣列構(gòu)成，可同時表現(xiàn)出高的透射、極化不依賴性和小的周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在紅外波段(2 μ πΓ25 μ m)具有高透射(>90%)、極化不敏感和具有小特征尺寸的平板型左手材料，這種左手材料具有類似于漁網(wǎng)的簡單結(jié)構(gòu)，較為容易地向三維方向發(fā)展。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種高透射率平板型左手材料，如圖f 3所示，包括依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的網(wǎng)格狀圖形結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格中具有一個同樣依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的對稱方環(huán)圖形結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案中，所述金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜的金屬材料為金(Au)或銀(Ag),介質(zhì)材料為硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe)。如圖2、3所示，本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，在2 μ πΓ25 μ m的紅外波段范圍內(nèi)，其中各項尺寸參數(shù)范圍為金屬層厚度t在O. 03 μ m^O. 15 μ m之間；介質(zhì)層厚度d在O. ΙΟμπΓΟ. 30 μ m之間；單個網(wǎng)格邊長(也是單元圖形邊長)a在O. 40μπΓ5. Ομπι之間；單個對稱方環(huán)邊長L在O. 25μπΓ3. Ομπι之間；網(wǎng)格狀圖形線寬Wn在O. ΙμπΓΟ. 6μπι之間；對稱方環(huán)線寬W在O. ΙμπΓ . 5μπ 之間。本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，由對稱方環(huán)陣列和對稱方格網(wǎng)交錯在一起形成新型結(jié)構(gòu)(這里稱之為方環(huán)-類漁網(wǎng)結(jié)構(gòu))。其中對稱方格網(wǎng)(類漁網(wǎng))在其有效等離子頻率以下提供負的有效介電常數(shù)，而對稱方環(huán)陣列因磁共振而提供負的有效磁導(dǎo)率。本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，因為電性質(zhì)和磁性質(zhì)分別由兩個不同的個體(對稱方環(huán)陣列和對稱方格網(wǎng))決定，所以其電、磁參數(shù)可以比傳統(tǒng)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對獨立、靈活地調(diào)節(jié)。高的透射便可以基于廣義阻抗匹配設(shè)計實現(xiàn)，極化不敏感特性是基于対稱的周期圖形，小的特征尺寸是基于方環(huán)圖形比實心的貼片具有更大的磁共振波長。本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點I、本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，因為電性質(zhì)和磁性質(zhì)分別由兩個不同的個體(對稱方環(huán)陣列和對稱方格網(wǎng))決定,所以其電、磁參數(shù)可以比傳統(tǒng)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對獨立、靈活地調(diào)節(jié)。2、本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，測試結(jié)果證明具有90. 2%的超高透射率(超過90%可以稱為完美透射)。3、本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，因為具有対稱的圖形結(jié)構(gòu)，所以對垂直入射電磁波具有極化不敏感性。4、本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料，具有小尺寸特性，波長與單元周期比為3. O，反演出的電磁參數(shù)可靠性高。


圖I為本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料中金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明提供的高透射率平板型左手材料中單元圖形(周期)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4(a)和(b)分別為本發(fā)明所述左手材料的仿真散射參數(shù)S的幅值(Magnitude)和相位(Phase), (c)和(d)分別是反演的折射率(Refractive Index)和相應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)(Figure of Merit)，其中η是有效折射率實部，κ是消光系數(shù)。圖4(a)的縱坐標(biāo)為散射參數(shù)S的幅值(Magnitude of S),圖4 (b)的縱坐標(biāo)為散射參數(shù)S的相位(Phase of S),圖4(c)的縱坐標(biāo)為折射率(RefractiveIndex),圖4(d)的縱坐標(biāo)為品質(zhì)因數(shù)(Figure ofMerit),圖4(a) 圖4(d)的橫坐標(biāo)均為波長(Wavelenth)。圖5為本發(fā)明提供的具有三種不同方環(huán)線寬的左手材料電磁參數(shù)圖(a)和相應(yīng)透射圖(b)。圖5(a)和圖5(b)的縱坐標(biāo)分別為電磁參數(shù)(Simulated Parameters)和投射率
1I'ransmissionノ。
具體實施例方式實施例I一種高透射率平板型左手材料，如圖f 3所示，包括依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的網(wǎng)格狀圖形結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格中具有一個同樣依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的對稱方環(huán)圖形結(jié)構(gòu)。其中，所述金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜的金屬材料為銀(Ag),介質(zhì)材料為硫化鋅(ZnS)。銀薄膜厚度t為0.06 μ m，硫化鋅薄膜厚度d為0.22 μ m。單個網(wǎng)格邊長(也是單元圖形邊長)a為2. 7 μ m,網(wǎng)格狀圖形線寬Wn為O. 34 μ m,對稱方環(huán)邊長L為I. 6 μ m,對稱方環(huán)線寬w為O. 47 μ m。在光頻段，銀的材料參數(shù)用Drude模型描述，等離子頻率是
231 X21. 75X 1014rad/s，碰撞頻率是 2 X4. 35X 1012rad/s。硫化鋅的折射率為 2. 24?；谏鲜龀叽绾筒牧蠀?shù)，在垂直入射的條件下，在8. Ium附近品質(zhì)因素(η/κ)為6. 9，透射率S2112高達90. 2%(如圖5(b)所示)。本發(fā)明實現(xiàn)高透射是基于廣義阻抗匹配得到的。圖5顯示了三種不同寬度的方環(huán)(分別是w=0. 3 μ m, O. 47 μ m, O. 8 μ m)的電磁參數(shù)，說明我們這種結(jié)構(gòu)可以通過改變方環(huán)寬度靈活的調(diào)節(jié)電磁參數(shù)以達到匹配條件。實施例2一種高透射率平板型左手材料，如圖f 3所示，包括依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的網(wǎng)格狀圖形結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格中具有一個同樣依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的對稱方環(huán)圖形結(jié)構(gòu)。其中，所述金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜的金屬材料為銀(Ag),介質(zhì)材料為硫化鋅(ZnS)。銀薄膜厚度t為0.03 μ m，硫化鋅薄膜厚度d為O. 12 μ m。單個網(wǎng)格邊長(也是單元圖形邊長)a為O. 8 μ m,網(wǎng)格狀圖形線寬Wn為O. I μ m,對稱方環(huán)邊長L為O. 5 μ m,對稱方環(huán)線寬w為O. 12 μ m。在光頻段，銀的材料參數(shù)用Drude模型描述，等離子頻率是2 31 X21. 75X 1014rad/s，碰撞頻率是 2 X4. 35X 1012rad/s。硫化鋅的折射率為 2. 24?；谏鲜龀叽绾筒牧蠀?shù)，在垂直入射的條件下，在3. 25um附近品質(zhì)因素(n/ K )為3. 53，透射率S2J2高達90%。實施例3一種高透射率平板型左手材料，如圖f 3所示，包括依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的網(wǎng)格狀圖形結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格中具有一個同樣依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的對稱方環(huán)圖形結(jié)構(gòu)。其中，所述金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜的金屬材料為銀(Ag)，介質(zhì)材料為硒化鋅(ZnSe)。銀薄膜厚度t為0.08 μ m，硒化鋅薄膜厚度d為0.25 μ m。單個網(wǎng)格邊長(也是單元圖形邊長)a為4. O μ m,網(wǎng)格狀圖形線寬Wn為O. 4 μ m,對稱方環(huán)邊長L為2. 8 μ m,對稱方環(huán)線寬w為I. O μ m。在光頻段，銀的材料參數(shù)用Drude模型描述，等離子頻率是2 31 X21. 75X1014rad/s，碰撞頻率是 2 X 4. 35 X 1012rad/s。硒化鋅的折射率為 2. 4?；谏鲜龀叽绾筒牧蠀?shù)，在垂直入射的條件下，在14um附近品質(zhì)因素(n/ K )為7. 3，透射率I S2112 聞達 91%。
權(quán)利要求
1.一種高透射率平板型左手材料，包括依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的網(wǎng)格狀圖形結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格中具有一個同樣依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的對稱方環(huán)圖形結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高透射率平板型左手材料，其特征在于，所述金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜的金屬材料為金或銀，介質(zhì)材料為硫化鋅或硒化鋅。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高透射率平板型左手材料，其特征在于，在2μ πΓ25 μ m的紅外波段范圍內(nèi)，各項尺寸參數(shù)范圍為金屬層厚度t在O. 03 μ m^O. 15 μ m之間；介質(zhì)層厚度d在O. ΙΟμπΓΟ. 30 μ m之間；單個網(wǎng)格邊長(也是單元圖形邊長)a在O. 40μπΓ5. Ομπι之間；單個對稱方環(huán)邊長L在O. 25μπΓ3. Ομπι之間；網(wǎng)格狀圖形線寬Wn在O. ΙμπΓΟ. 6μπι之間；對稱方環(huán)線寬W在O. ΙμπΓ . 5μπ 之間。
全文摘要
一種高透射率平板型左手材料，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域。包括依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的網(wǎng)格狀圖形結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格中具有一個同樣依附于襯底而存在的、由金屬-介質(zhì)-金屬三層復(fù)合薄膜形成的對稱方環(huán)圖形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由對稱方環(huán)陣列和對稱方格網(wǎng)交錯在一起形成新型方環(huán)-類漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電性質(zhì)和磁性質(zhì)分別由兩個不同的個體(對稱方環(huán)陣列和對稱方格網(wǎng))決定，所以其電、磁參數(shù)可以比傳統(tǒng)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對獨立、靈活地調(diào)節(jié)；其投射率可達90%以上，且對垂直入射電磁波具有極化不敏感性。
文檔編號H01Q15/00GK102983409SQ20121052969
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者鄧龍江, 程登木, 陳海燕 申請人:電子科技大學(xué)