基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料。通過在人工電磁超材料中引入拓?fù)洳牧喜牧匣蛘呤┎牧希蛊洚a(chǎn)生的圓二向色性的諧振頻率具有可調(diào)諧性，從而解決由人工電磁超材料產(chǎn)生的圓二向色性工作頻段過窄和不可調(diào)諧的問題。本發(fā)明專利技術(shù)可以通過控制外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸龋淖兺負(fù)洳牧虾褪┑慕殡娤禂?shù)及表面電阻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及基于拓?fù)洳牧虾褪〔牧系木哂锌烧{(diào)諧圓_■向色性的人工電磁超材料，在許多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
技術(shù)介紹
人工電磁超材料是一種人造介質(zhì)，在自然界并不存在，它利用亞波長的微結(jié)構(gòu)當(dāng)作類似材料組成單元的原子分子，使其所具有的奇異的電磁特性，例如，負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo) 率、強(qiáng)圓二向色性等。其中圓二向色性是一種對左手圓偏振光和右手圓偏振光具有不同光學(xué)特性的現(xiàn)象。具有圓二向色性的人工電磁超材料就是利用缺乏鏡像對稱的結(jié)構(gòu)來分辨左右手旋光差異，實(shí)現(xiàn)圓二向色性。近年來已有許多具有圓二向色性效應(yīng)顯著的人工電磁超材料的研究，但還有許多關(guān)鍵性技術(shù)問題厄待解決，如人工電磁超材料的單元結(jié)構(gòu)為諧振型，因此其工作頻帶較窄，且其諧振工作頻率相對固定，不具有可調(diào)諧的功能。為了解決這些問題，人們做了很多嘗試，由此形成了電磁學(xué)領(lǐng)域的一個新的熱點(diǎn)具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料。2010年，Singh等提出通過改變超材料與入射光的夾角實(shí)現(xiàn)圓二向色性的符號和大小的可調(diào)諧性。2012年，Zhou等人通過改變注入光的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)圓二向色性強(qiáng)度可調(diào)諧的人工電磁超材料。2012年，Shi等人提出可以通過調(diào)節(jié)入射光和具有不對稱開環(huán)諧振環(huán)單元的人工電磁超材料之間的夾角實(shí)現(xiàn)圓二向色性的強(qiáng)度可調(diào)諧。然而，上述可調(diào)諧圓二向色性人工電磁超材料，僅是對圓二向色性的大小和符號進(jìn)行調(diào)諧，如果可以調(diào)諧圓二向色性的工作頻段，將會大大推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。因此，本專利技術(shù)提供一種基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料。通過在人工電磁超材料中引入拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧希蛊洚a(chǎn)生的圓二向色性的諧振頻率具有可調(diào)諧性，從而解決由人工電磁超材料產(chǎn)生的圓二向色性工作頻段過窄和不可調(diào)諧的問題。本專利技術(shù)利用拓?fù)洳牧喜牧匣蛘呤┎牧系慕殡娤禂?shù)及表面電阻率隨外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸雀淖兌兓奶匦裕瑢?shí)現(xiàn)具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對上述可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料的問題，提供了一種基于拓?fù)浠蛘呤┎牧系目烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料，該器件具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、工作頻率調(diào)諧范圍大等特點(diǎn)。本專利技術(shù)解決問題采用的技術(shù)方案如下基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料是基于多層結(jié)構(gòu)的器件。其上具有缺乏鏡像對稱的周期性諧振單元陣列，使其產(chǎn)生圓二向色性，通過改變拓?fù)洳牧虾褪┎牧系慕殡姵?shù)及表面電阻率，使圓二向色性的工作頻率發(fā)生位移，從而實(shí)現(xiàn)圓二向色性諧振頻率可調(diào)諧的人工電磁超材料。一種具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料，該人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)是通過在襯底材料上生長金屬層、拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧蠈印⒔饘賹雍脱趸瘜樱缓笾谱髦芷谛灾C振單元陣列而成；第二種結(jié)構(gòu)，是通過在襯底材料上生長金屬層、介質(zhì)層、金屬層，然后制作周期性諧振單元陣列，最后在諧振單元陣列表面鍍上拓?fù)洳牧匣蛘呤┎牧蠈佣伞Ｋ龅闹芷谛躁嚵惺遣粚ΨQ開環(huán)、螺旋結(jié)構(gòu)或共軛卍字形等；所述的介質(zhì)層可以是Al2O3層、Si3N4層、MgF2層或SiO2層等。所述的拓?fù)洳牧蠈涌梢允荁ixSbh層、HgTe層、Bi2Te3層、Bi2Se3層或Sb2Te3層 坐寸ο所述的石墨烯層是單層碳原子層，由石墨烯層和M層碳原子層構(gòu)成，其中1〈M〈100。所述的氧化層可以是In2O3層、SnO2層或ITO層等。所述的襯底層可以是BK7光學(xué)玻璃層、SiO2層、Si3N4層或Al2O3層等。所述的多層結(jié)構(gòu)可以通過材料生長工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，范德華外延法，取向附生法-晶膜生長，和分子束外延技術(shù)所述的周期性諧振單元陣列是通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光和反應(yīng)離子束刻蝕。所述的人工電磁超材料可以通過控制外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸龋淖兺負(fù)浜褪┎牧辖殡娤禂?shù)及表面電阻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圓二向色性工作頻段的可調(diào)諧性。本專利技術(shù)的測試系統(tǒng)由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀完成，通過傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀對所述器件的傳輸光譜和反射光譜的幅度和相位分別進(jìn)行測試，進(jìn)而得到器件的圓二向色性。附圖說明圖1為具有可調(diào)諧圓_■向色性的人工電磁超材料不意圖。圖2為本專利技術(shù)的第一種結(jié)構(gòu)示意圖一。圖3為本專利技術(shù)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖二。圖4為具有可調(diào)諧圓二向色性的超材料的各種形狀示意圖。圖中1襯底，2多層結(jié)構(gòu)，3金屬層，4拓?fù)洳牧蠈踊蚴樱?氧化層，6掩膜，7周期性諧振單元陣列，8具有可調(diào)諧圓二向色性的超材料，9基于N個多層結(jié)構(gòu)的具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料第一種結(jié)構(gòu)，10介質(zhì)層，11基于N個多層結(jié)構(gòu)的具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料第二種結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施例方式為使得本專利技術(shù)的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本專利技術(shù)的具體實(shí)施方式。其中的材料生長技術(shù)包括電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，范德華外延法，取向附生法-晶膜生長，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。例I首先，利用材料生長工藝在襯底I上形成一個多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-拓?fù)洳牧蠈踊蚴?-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖2(a)所示。其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖2(b)所示。然后，通過掩模工藝將設(shè)計好的周期性諧振單元陣列樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖2(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性諧振單元陣列7，如附圖2(d)所示。最后，移除掩模6，得到具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料8，如附圖2(e)所示。其中基于N個(N>1)多層結(jié)構(gòu)的具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料第一種結(jié)構(gòu)9，如附圖2(f)所示。例2首先，利用材料生長工藝在襯底I上形成一個多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-介質(zhì)層10-金屬層3) 2，如附圖3(a)所示。其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖3(b)所示。然后，通過掩模工藝將設(shè)計好的周期諧振單元樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖3 (C)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性諧振單元陣列7，如附圖3(d)所示最后，移除掩模6，并在2上沉積石墨烯或拓?fù)洳牧蠈?得到具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料8，如附圖3(e)所示。其中基于N個(N>1)具有可調(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料第二種結(jié)構(gòu)11，如附圖3(f)所示。本專利技術(shù)測試系統(tǒng)主要由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀構(gòu)成。可以通過控制外加電場、溫度、注入光強(qiáng)、拓?fù)洳牧虾褪┑暮穸龋淖兪┗蛲負(fù)洳牧辖殡娤禂?shù)及表面電阻率，進(jìn)而調(diào)諧所述人工電磁超材料的圓二向色性的工作頻率。綜上所述，本專利技術(shù)提供的基于石墨烯或拓?fù)洳牧系娜斯る姶懦牧峡梢酝ㄟ^溫度，外加電場，注入光強(qiáng)和拓?fù)洳牧吓c石墨烯材料的厚度對其所產(chǎn)生的圓二向色性的工作頻率進(jìn)行調(diào)諧，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)。以上所述是本專利技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本專利技術(shù)的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料，其特征在于，該人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，襯底材料上生長金屬層、拓?fù)洳牧蠈踊蛘呤┎牧蠈印⒔饘賹印⒀趸瘜樱鄬咏Y(jié)構(gòu)上制作周期性諧振單元陣列。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料，其特征在于，該人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，襯底材料上生長金屬層、拓?fù)洳牧蠈踊蛘呤┎牧蠈印⒔饘賹印⒀趸瘜樱鄬咏Y(jié)構(gòu)上制作周期性諧振單元陣列。2.一種基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料，其特征在于，該人工電磁超材料是多層結(jié)構(gòu)，襯底材料上生長金屬層、介質(zhì)層、金屬層，多層結(jié)構(gòu)上制作周期性諧振單元陣列，最后在周期性諧振單元陣列表面上鍍拓?fù)洳牧蠈踊蛘呤┎牧蠈印?.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于拓?fù)浜褪┎牧系木哂锌烧{(diào)諧圓二向色性的人工電磁超材料，其特征在于，所述的周期性諧振單元陣列是缺乏鏡像對稱的結(jié)構(gòu)包括不對稱開環(huán)、螺旋結(jié)構(gòu)或共軛卍字形。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的人工電磁超材料，所述的金屬層是Al層、Ag層、Au層、Cu層、Ni層或Pt層。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的人工電磁超材料，其特征在于，介質(zhì)層是Al2O3層、Si3N4層、Mg...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曹暾，
申請(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：