專利名稱：一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的多層對稱超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料，可應用于慢光、傳感、非線性及光開關等領域。
背景技術：
2001 年，文獻 1:“R.A.Shelby et al, SCIENCE, 2001 (292): 77”首次在微波段實驗報道具有負折射率的人工電磁超材料，從此人工電磁超材料引起了人們的廣泛關注。隨著超材料研究的深入，超材料上法諾共振現象也備受關注。2007年，文獻2:“V.A.Fedotoveet al, PHYSICAL REVIEW LETTER, 2007 (99): 147701”首次在非對稱諧振環陣列中發現法諾諧振。但是超材料的結構一旦確定以后，超材料的法諾共振特性是不能改變的，這就極大地限制了超材料法諾共振的實際應用。因此，研究者們越來越關注于法諾共振特性可調諧得超材料的研究。有如文獻 3 “V.A.Fedotov et al, OPTICS EXPRESS, 2010 (18): 9015” 報道的通過超導體超材料實現法諾共振的可調諧性。文獻4 “Q.Zhao et al, APPLIED PHYSICSLETTER, 2007 (90): 011112”報道了基于液晶的超材料，可以通過外加恒定電場來調節超材料的諧振頻率。文獻 5 uL.Kang et al, APPLIED PHYSICS LETTER, 2008 (93): 171909”設計了基于鐵磁體的超材料，可以通過外加恒定磁場調節其諧振頻率。但是上述方法需要復雜的調諧裝置，從而增加了超材料結構設計的復雜性和制備工藝的難度，使得上述調諧方法很難應用到更高的頻段如近紅外光頻段。因此需要設計一種簡單實用的方法對超材料的法諾共振頻率進行調諧，他將對超材料法諾共振在光頻段的實際應用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。因此，本發明 提供一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料。其中多層對稱超材料的諧振單元陣列采用矩形晶格排列(即在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度Lx和垂直方向周期長度Ly不等)，使多層對稱超材料的透射譜中具有陡峭的非對稱法諾諧振峰。然后在多層對稱超材料中引入相變材料或拓撲絕緣材料，利用相變材料或拓撲絕緣材料介電系數隨外加電場或溫度改變而變化的特性，使其法諾共振頻率具有可調諧性，而不需要改變原有超材料單元的結構，極大的簡化了具有可調諧法諾共振現象的超材料的制備與應用，使其可以應用于光頻段領域。
發明內容
針對上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種可以產生法諾共振增強和頻率可調諧現象的多層對稱超材料，該器件的法諾共振具有品質因數高、可調諧性強、工作頻率范圍大、結構簡單等特點。本發明解決問題采用的技術方案如下:一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層不對稱超材料，該多層不對稱超材料由襯底層、下金屬層、相變材料層/拓撲絕緣材料層、上金屬層、氧化層，和穿透下金屬層-相變材料/拓撲絕緣材料層-上金屬層-氧化層的諧振單元陣列組成；所述的諧振單元陣列采用矩形晶格排列(即在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度Lx和垂直方向周期長度Ly不等)。該多層結構通過控制外加電場或溫度，改變相變材料/拓撲絕緣材料介電系數，進而實現其法諾共振頻率的可調諧性。諧振單元形狀可以是三角形孔、方形孔、圓形孔、橢圓形孔、矩形孔、十字形孔、六邊形孔；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。諧振單元陣列水平方向周期長度Lx在40納米至8微米，垂直方向周期長度Ly在40納米至8微米。相變材料層可以包括GeTe、Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85,Ag5In6Sb59Te30O 拓撲絕緣材料層可以包括 BixSVx' HgTe, Bi2Te3' Bi2Se3^ Sb2Te30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/拓撲絕緣材料層寬度在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 ;氧化層包括ln203、SnO2、ITO ;襯底層包括BK7光學玻璃，SiO2,Si3N4^Al2O3 ;多層結構可以通過材料生長工藝實現，如電子束蒸發，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；諧振單元陣列可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實現，如電子束曝光(E-beam lithography)、聚焦離子束曝光(Focus 1n Beam lithography)和反應離子束刻蝕(Reactive 1n Etching, RIE)等，其特點是底部平坦，空壁光滑，側面形狀不限。
圖1為本發明提供的一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料示意圖。Lx為水平方向周期長度，Ly為垂直方向周期長度。圖2為本發明提供的一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料制作流程示意圖。圖3為本發明提供的一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料在相變材料或拓撲絕緣材料處于不同狀態(即不同介電系數)下的透射譜。其中，Lx=700納米，Ly=400納米。圖4為本發明提供的一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料的各種形狀示意圖。圖中:LXS水平方向周期長度，LyS垂直方向周期長度，I玻璃襯底，2多層結構，3金屬層，4介質層，5氧化層，6掩膜，7諧振單元陣列，8可以產生法諾共振增強和可調諧現象的多層對稱超材料，9基于N層結構的可以產生法諾共振增強和可調諧現象的多層對稱超材料(N>=1)，
具體實施例方式為使得本發明的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。其中的材料生長技術包括:電子束蒸發，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。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術。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 束刻蝕和反應離子束刻蝕等常用工藝。例I
首先，利用材料生長工藝在玻璃襯底I上形成N(N>=1)層多層結構(金屬層3-相變材料或拓撲絕緣材料層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，通過掩模工藝將設計好的諧振單元陣列轉換到掩模上，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，通過刻蝕工藝，在2材料上制備諧振單元陣列7，諧振單元陣列采用矩形晶格進行排列(即在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度Lx和垂直方向周期長度Ly不等)同時穿透下金屬層-相變材料或拓撲絕緣材料層-上金屬層-氧化層，如附圖2(d)所示最后，移除掩模6，得到法諾共振頻率可調諧的多層不對稱超材料8，如附圖2(e)所示。其中基于N層結構的法諾共振頻率可調諧的多層對稱超材料(N>=1)9，如附圖2(f)所示。如圖3所示為本發明提供的多層對稱超材料在Lx=700納米，Ly=400納米時的透射譜，當多層對稱超材料中的相變材料或拓撲絕緣材料介電系數發生改變時，其上的法諾共振頻率也會發生改變，實現可調諧法諾共振。綜上所述，本發明提供的一種基于相變材料或拓撲絕緣材料多層對稱超材料，可以通過溫度和外加電場對改變相變材料或者拓撲絕緣材料的介電常數，進而使其法諾共振頻率發生改變，具有結構簡單、操作容易、調諧范圍大等優點。以上所述是本發 明應用的技術原理和具體實例，依據本發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，均應在本發明的范圍內，特此說明。
權利要求
1.一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的多層對稱超材料，是一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調諧法諾共振現象的多層對稱超材料，其特征在于，該多層對稱超材料由襯底層、下金屬層、相變材料層/拓撲絕緣材料層、上金屬層、氧化層，和穿透下金屬層-相變材料/拓撲絕緣材料層-上金屬層-氧化層的諧振單元陣列組成；所述的諧振單元陣列采用矩形晶格排列，在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度Lx和垂直方向周期長度Ly不等；所述的多層結構通過控制外加電場或溫度，改變相變材料或拓撲絕緣材料介電系數，進而實現其法諾共振頻率的可調諧性。
2.根據權利要求1所述的多層不對稱超材料，其特征在于，所述的諧振單元形狀是三角形孔、方形孔、圓形孔、橢圓形孔、矩形孔、十字形孔、六邊形孔。
3.根據權利要求1或2所述的多層不對稱超材料，其特征在于，相變材料是GeTe、Ge2Sb2Te5^ Ge1Sb2Te4^ Ge2Sb2Te4^ Ge3Sb4Te8^ Ge15Sb85 或 Ag5In6Sb59Te30。
4.根據權利要求1或2所述的多層不對稱超材料，其特征在于，拓撲絕緣材料是BixSb1_x> HgTe, Bi2Te3、Bi2Se3 或 Sb2Te30
5.根據權利要求3所述的多層不對稱超材料，其特征在于，拓撲絕緣材料是BixSbh、HgTe, Bi2Te3、Bi2Se3 或 Sb2Te3O
6.根據權利要求1、2或5所述的多層不對稱超材料，其特征在于，所述上金屬層或下金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層或拓撲絕緣材料層的寬度在I微 米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層的寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米。
7.根據權利要求3所述的多層不對稱超材料，其特征在于，所述上金屬層或下金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層或拓撲絕緣材料層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層的寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米。
8.根據權利要求4所述的多層不對稱超材料，其特征在于，所述上金屬層或下金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層或拓撲絕緣材料層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層的寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米。
9.根據權利要求6所述的多層不對稱超材料，其特征在于， 所述的金屬層是Al層、Ag層、Au層、Cu層或Ni層；所述的氧化層是In203、Sn02或ITO ； 所述的襯底層是BK7光學玻璃，SiO2, Si3N4或Al2O3 ； 所述的多層結構通過材料生長工藝實現，包括電子束蒸發、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長、分子束外延技術； 所述的諧振單元陣列通過干法或者濕法刻蝕工藝實現，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光、反應離子束刻蝕。
10.根據權利要求7或8所述的多層不對稱超材料，其特征在于， 所述的金屬層是Al層、Ag層、Au層、Cu層或Ni層； 所述的氧化層是ln203、SnO2或ITO ； 所述的襯底層是BK7光學玻璃，SiO2, Si3N4或Al2O3 ； 所述的多層結構通過材料生長工藝實現，包括電子束蒸發、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長、分子束外延技術； 所述的諧振單元陣列通過干法或者濕法刻蝕工藝實現，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
本發明提供一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的多層對稱超材料。其中多層對稱超材料的諧振單元陣列采用矩形晶格排列(即在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度Lx和垂直方向周期長度Ly不等)，使多層對稱超材料的透射譜中具有陡峭的非對稱法諾諧振峰。然后在多層對稱超材料中引入相變材料或拓撲絕緣材料，使該法諾共振頻率具有可調諧性，從而解決超材料結構確定以后，法諾共振頻率不能改變的技術問題。本發明利用相變材料或拓撲絕緣材料介電系數隨外加電場或溫度改變而變化的特性，實現多層對稱超材料中法諾共振頻率的可調諧功能，最大調節幅度可達40％。
文檔編號H01Q15/00GK103247862SQ20131018264
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月16日 優先權日2013年5月16日
發明者曹暾 申請人:大連理工大學