專利名稱：一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種基于相變材料(GST)的可調(diào)諧超材料吸收器(MetamaterialAbsorber)，可應用于光電開關、太陽能電池、氣體測量等領域。
背景技術：
超材料(Metamaterial)的奇異電磁特性可以突破傳統(tǒng)介質(zhì)的物理極限，實現(xiàn)諸多新穎功能，例如，突破現(xiàn)有透鏡的波長極限，實現(xiàn)具有亞波長成像特點的“完美透鏡”;還可有效引導電磁波的傳播路徑，實現(xiàn)真正的電磁隱身。特別是基于超材料的吸收器被證明可以很好的吸收入射電磁波的能量，因此得到了研究者的廣泛關注。然而該研究領域同時 也面臨著新的挑戰(zhàn)，比如，由于其吸收光譜的工作頻段過窄所導致的吸收效率過低的問題，為了解決該問題，人們做了很多嘗試，由此形成了電磁學領域ー個新的研究熱點可調(diào)諧超材料吸收器。利用超材料實現(xiàn)新型吸收器已有很多報道，成為最前沿的科技領域之一。而具有頻率可調(diào)諧性的超材料吸收器更是得到了人們的廣泛關注。2006年，H. T. Chen提出通過電子注入可以使超材料吸收器的吸收光譜的幅度和工作頻帶具有可調(diào)諧性。2008年，H. T. Chen又研制出可以通過光參雜調(diào)諧超材料吸收器的吸收光譜，上述結果分別被Nature報道，被譽為吸收器研究領域的重要突破。同年，D. R. Smith提出可以通過控制溫度的變化實現(xiàn)可調(diào)諧超材料吸收器。2012年,A. Minovich等人將超材料浸在液晶之中，通過外加電場調(diào)節(jié)液晶的雙折射率進而實現(xiàn)吸收光譜的頻率可調(diào)諧性?？墒?，上述可調(diào)諧超材料吸收器，需要引入外加可調(diào)器件，這將會増加超材料吸收器結構的復雜性。而液晶又具有流動性與腐蝕性，將會給超材料吸收器的實際應用帶來很大的難度。如可直接調(diào)節(jié)超材料吸收器的介電常數(shù)，將有效簡化可調(diào)諧超材料吸收器的實現(xiàn)難度，大大推進其實用化進程。因此，本發(fā)明提供ー種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器。通過在金屬層-相變材料層-金屬層-氧化層多層結構的頂部金屬層，制備具有周期性結構的孔陣列，使其具有可調(diào)諧吸收光譜，從而解決超材料吸收器吸收光譜窄的技術問題。本發(fā)明利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場或溫度改變而變化的特性，實現(xiàn)超材料吸收器エ作頻率的可調(diào)諧，最大調(diào)節(jié)幅度可達900nm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述可調(diào)諧超材料吸收器的問題，提供了ー種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器，該器件具有結構簡單、操作容易、工作頻率調(diào)諧范圍大等特點。本發(fā)明解決問題采用的技術方案如下基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器是基于多層結構的器件。通過在其頂部金屬層設計和制備周期性結構的孔陣列，可以使其具有磁偶極子，因此可以在特定頻段內(nèi)產(chǎn)生幅值較大的的吸收光譜。再通過改變相變材料的介電常數(shù)，使該吸收光譜發(fā)生頻移，從而實現(xiàn)高幅值可調(diào)諧超材料吸收器。所述的多層結構是通過在玻璃襯底上生長金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米。金屬層包括Al、Ag、Au、Cu、Ni。相變材料層包括GeTe，Ge2Sb2Te5,Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85 , Ag5In6Sb59Te30O 氧化層包括 In2O3, SnO2, ΙΤ0。所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。周期性孔矩陣可以通過干法或者濕法刻蝕エ藝實現(xiàn)，如電子束曝光(E-beam lithography)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beamlithography)和反應離子束刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE)等,其特點是底部平坦，孔壁光滑，側(cè)面形狀不限。所述的多層結構可以通過材料生長エ藝實現(xiàn)，如電子束蒸發(fā)，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術所述的基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器可以通過控制外加電場或溫度，改變相變材料介電系數(shù)，進而實現(xiàn)可調(diào)諧吸收光譜?！け景l(fā)明的測試系統(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吸收光譜進行測試。


圖I為可調(diào)諧超材料吸收器示意圖。圖2為可調(diào)諧超材料吸收器制作流程示意圖一。圖3為可調(diào)諧超材料吸收器制作流程示意圖ニ。圖4為可調(diào)諧超材料吸收器測試結果圖。圖5為可調(diào)諧超材料吸收器的各種形狀示意圖。圖中1玻璃襯底，2多層結構，3金屬層，4相變材料層，5氧化層，6掩膜，7周期性孔矩陣，8可調(diào)諧超材料吸收器
具體實施例方式為使得本發(fā)明的技術方案的內(nèi)容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。其中的材料生長技術包括電子束蒸發(fā)，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術等常用技術。其中的掩模エ藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技木。其中的刻蝕エ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離子束刻蝕等常用エ藝。實施例I首先，利用材料生長エ藝在玻璃襯底I上形成多層結構(金屬層3-相變材料層4-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖2 (a)所示。其次，在多層結構2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖2(b)所示。然后，通過掩模エ藝將設計好的周期孔矩陣樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖2(c)所示。其中，結構的設計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕エ藝，在頂部金屬層3上制備周期性孔矩陣7，如附圖2(d)所示
最后，移除掩模6，得到可調(diào)諧超材料吸收器8，如附圖2(e)所示。實施例2首先，利用材料生長エ藝在玻璃襯底I上形成N(N>=1)層多層結構(金屬層3-相變材料層4-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖3 (a)所示。其次，在多層結構2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖3(b)所示。然后，通過掩模エ藝將設計好的周期孔矩陣樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖3(c)所示。其中，結構的設計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕エ藝，在頂部金屬層3上制備周期性孔矩陣7，如附圖3(d)所示最后，移除掩模6，在孔矩陣7內(nèi)注入相變材料4封孔，得到可調(diào)諧超材料吸收器8，如附圖3(e)所示。本發(fā)明測試系統(tǒng)主要由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀構成。可以通過控制外加電場或溫度，改變相變材料介電系數(shù)，進而調(diào)諧所述超材料吸收器的吸收光譜的工作頻率。所述器件的測試結果如附圖4所示，器件的吸收光譜工作頻率最大調(diào)諧范圍可達900nm。綜上所述，本發(fā)明提供的基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器可以通過溫度和外加電場對其吸收光譜的工作頻率進行調(diào)諧，具有結構簡單、操作容易、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點。
以上所述是本發(fā)明應用的技術原理和具體實例，依據(jù)本發(fā)明的構想所做的等效變換，只要其所運用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。
權利要求
1.一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器，其特征在于，該吸收器基于多層結構，其頂部金屬層具有周期性結構的孔陣列；所述的多層結構是通過在玻璃襯底上生長金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米；所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。
2.根據(jù)權利要求I所述的可調(diào)諧超材料吸收器，其特征在于，金屬層Al、Ag、Au、Cu、Ni。
3.根據(jù)權利要求I所述的可調(diào)諧超材料吸收器，其特征在于，相變材料層包括GeTe，Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85, Ag5In6Sb59Te30。
4.根據(jù)權利要求I所述的可調(diào)諧超材料吸收器，其特征在于，氧化層是ln203、SnO2,IT0。
5.根據(jù)權利要求I所述的可調(diào)諧超材料吸收器，其特征在于，多層結構可以通過材料生長工藝實現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長、分子束外延。
6.根據(jù)權利要求I所述的可調(diào)諧超材料吸收器，其特征在于，周期性孔矩陣通過干法或者濕法刻蝕工藝實現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光、反應離子束刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器。通過在基于多層結構的超材料中引入相變材料，使其吸收光譜的工作頻帶具有可調(diào)諧性，從而解決吸收器吸收光譜過窄的技術問題。本發(fā)明利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場或溫度改變而變化的特性，實現(xiàn)吸收器吸收光譜的可調(diào)諧，最大調(diào)節(jié)幅度可達900nm。
文檔編號G02F1/17GK102707537SQ20121023803
公開日2012年10月3日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權日2012年7月10日
發(fā)明者曹暾 申請人:大連理工大學