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
技術領域：
本發明涉及太赫茲固態電子學的功能器件，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：
自從電磁波被發現以來，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。19世紀以來，雷達、無線電、傳感網等的發展大大加快了人類社會前進的速度，同時也使得人類對電磁波控制器件的要求越發強烈。控制電磁波最直接的方法是在其傳播路徑加入不同的材料來改變其傳播性質，但自然界中的傳統材料越來越難滿足對電磁波控制的需求。尤其是在太赫茲波段，傳統材料表現出非常微弱的電磁響應，使得對太赫茲波的控制遇到了巨大的挑戰。
另一方面，超材料的發展正推動著新一輪的技術革命。超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表現自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料是一種特殊的人造結構，其物理性質決定于人工控制的周期性亞波長結構，表現出很多不同于傳統材料的特殊性能。傳統材料的介電常數ε和磁導率μ都大于等于1，但是超材料的介電常數ε和磁導率μ卻能夠小于I甚至小于O。基于這一特性，超材料還具有負折射率效應、逆多普勒(簡稱“Doppler”)效應和逆切倫柯夫(簡稱“Cerenkov”)效應等。超材料的特殊性能使其可以和太赫茲波發生強烈地相互作用，產生電磁諧振，從而控制太赫茲波的傳播。因此太赫茲(簡稱“THz”)波段的超材料設計成了填補太赫茲技術空白區的有效途徑。2004年，T. J. Yen等人第一次實現了 THz頻段的Metamaterial設計,并在同年的《科學》上發表了這一成果。T. J. Yen等人的設計是在石英襯底上制作兩個開口諧振環，通過尺寸的優化和結構的設計，實現了 ITHz的超材料，隨后也出現了很多基于其他結構的太赫茲超材料。然而基于這些結構設計的太赫茲超材料，只能在單個頻點和太赫茲波發生比較弱的相互作用，并且頻帶非常的窄，大概只有幾十個GHz。而對于很多要求寬帶的太赫茲應用來說，這無疑成了一個技術壁壘。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，具有強諧振、寬頻帶、雙頻點的優點。本發明解決其技術問題所采用的技術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有電磁諧振單元；所述電磁諧振單元包括兩個開口諧振環和一個閉合環；所述閉合環位于兩個開口諧振環之間；所述金屬層單元以周期性陣列的方式鋪設在所述襯底上。所述閉合環與兩個開口諧振環之間的間距相等。
所述金屬層單元根據所述超材料特性和特征頻率以周期性陣列的方式鋪設在所述襯底上。所述閉合環與兩個開口諧振環之間的間距為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方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效 果本發明經過太赫茲時域光譜實驗平臺測試，將時域信號利用傅里葉變換轉化成頻域信號，得到的透射率頻譜圖出現了兩個明顯的衰減峰，通過參數抽取計算得到介電常數顯示，在對應于透射禁帶的兩個衰減峰附近很寬的兩個頻帶內介電常數實部表現為負值，并且絕對值很大，最低值小于-900。本發明結構簡單，制作成本低，具有強諧振、寬頻帶、雙頻點的優點，可以有效地應用于各種要求寬帶設計的太赫茲功能器件。
圖I是本發明的結構示意圖；圖2是用掃描電鏡拍攝的本發明的工藝制作樣品局部圖；圖3是本發明涉及的太赫茲雙頻帶超材料對太赫茲電磁波透射率的模擬仿真和實驗測試結果圖。圖4是本發明涉及的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料介電常數示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。本發明的實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上設有電磁諧振單元3，所述電磁諧振單元3包括兩個開口諧振環和一個閉合環；所述閉合環位于兩個開口諧振環之間；所述金屬層單元2以周期性陣列的方式鋪設在所述襯底I上。本發明提出了具有特征尺寸的新型亞波長結構，該新型結構由兩個開口諧振環和一個閉合環組成。如圖I所示，將閉合環至于兩開口諧振環之間，并且使閉合環和兩開口諧振環的間距相等，閉合環和兩開口諧振環的間距在3-10μπι之間，最好使得閉合環和兩開口諧振環的間距為6 μ m。該新型亞波長結構成為一個可以和太赫茲電磁波發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在所述襯底上，由于電磁諧振單元設置在金屬層單元上，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構電磁單元陣列。各個電磁諧振單元之間的間距可以根據所要設計的超材料特性和諧振頻率決定。將提出的新型亞波長結構按一定周期性排列，其平面的兩個維度周期性晶格常數分別定為103 μ m和78 μ m，圖2為用掃描電鏡拍攝的本發明涉及的工藝實現樣品局部圖。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散；金屬金層是為了實現亞波長結構電磁諧振單元。襯底的材料可采用厚度為200-1000 μ m的砷化鎵材料(GaAs)，有效介電常數為12. 9，損耗角正切為O. 006。GaAs襯底對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。本發明的制作方法如下基于GaAs平臺工藝線，利用甩膠、曝光、顯影等光刻刻蝕技術，在光刻膠上開出圖形窗口，圖形為周期性排布的陣列結構。為了方便后續的剝離工藝，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構。通過磁控濺射技術，在樣品表面生長設計好厚度的鈦/鉬/金金屬層，形成金屬與半導體的肖特基接觸。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，制備成功實驗樣品。在剝離過程中，還需要不斷在顯微鏡下觀察，監控剝離的進度，減少剝尚造成的樣品損傷，提聞成品率。太赫茲時域光譜(THz-TDS)裝置用于驗證本發明涉及的太赫茲雙頻帶超材料設計。在室溫、干燥的環境下，將實驗樣品置于測試點，為避免空氣中其它成分的影響，在實驗裝置中通入氮氣，封閉實驗裝置。通過和探測裝置相連的終端機觀察實驗樣品對太赫茲波的相互作用。利用傅里葉變換將時域信號轉換成頻域信號，可以觀察到本發明涉及的超材料對太赫茲波的透射率。圖3為本發明涉及的太赫茲雙頻帶超材料對太赫茲電磁波透射率的仿真和實驗測試結果圖。可以看出，在、.375和、.59出現了透射率禁帶，仿真和測試結果吻合較好。正是由于經過特殊設計亞波長結構在這兩個頻點和太赫茲波發生強烈相互作用，導致了透射禁帶的出現。由于電磁波的傳播應滿足色散方程
權利要求
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)上設有電磁諧振單元(3);所述電磁諧振單元(3)包括兩個開口諧振環和一個閉合環；所述閉合環位于兩個開口諧振環之間；所述金屬層單元(2)以周期性陣列的方式鋪設在所述襯底(I)上。
2.根據權利要求I所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述閉合環與兩個開口諧振環之間的間距相等。
3.根據權利要求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)根據所述超材料特性和特征頻率以周期性陣列的方式鋪設在所述襯底(I)上。
4.根據權利要求2所述的基于電諧振的太赫茲雙頻帶超材料，其特征在于，所述閉合環與兩個開口諧振環之間的間距為3-50 u m。
5.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，有效介電常數為12. 9，損耗角正切為0.006。
全文摘要
本發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有電磁諧振單元；所述電磁諧振單元包括兩個開口諧振環和一個閉合環；所述閉合環位于兩個開口諧振環之間；所述金屬層單元以周期性陣列的方式鋪設在所述襯底上。本發明結構簡單，制作成本低，具有強諧振、寬頻帶、雙頻點的優點，可以有效地應用于各種要求寬帶設計的太赫茲功能器件。
文檔編號H01Q15/00GK102800986SQ201210272158
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者賀連星, 孫曉瑋, 郭萬易, 李彪, 滕騰, 孫浩, 張祁蓮 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所