一种实现非对称传输的微纳金属结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种实现非对称传输的微纳金属结构及其制备方法，该结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，且所有周期单元位于同一平面；每个周期单元中包含有一个结构单元，每个结构单元包括横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ和竖体；横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ和横体Ⅳ由上及下依次排列且与竖体垂直相连，横体之间间隔相等且互相平行，横体Ⅰ、横体Ⅱ的左顶端与竖体连接，分布在竖体的右侧，横体Ⅲ、横体Ⅳ的右顶端与竖体连接，分布在竖体的左侧。在极化转化光谱上呈现出共振峰的模式，得到的“双F”形结构的非对称性传输的值很大，最大值可以达到ATmax=14.2%，比单独的Z形与C形结构非对称性传输效率大了32倍及40倍。

【技术实现步骤摘要】
一种实现非对称传输的微纳金属结构及其制备方法
本专利技术属于电磁波偏振态调控
，具体涉及一种实现非对称传输的微纳金属结构及其制备方法。
技术介绍
非对称传输（AsymmetricTransmission，AT）是指传输系统对沿不同传输方向入射的电磁波表现出不同的传输性能，这里的传输特性不仅指透射、反射等，还包括极化转换。如图1所示，对于一个极化转换非对称传输系统A来说，从系统A正面入射的左旋光（leftcircularlypolarized，LCP）经过系统A后，接收到的右旋光（rightcircularlypolarized，RCP）的透射率为，从系统A背面入射的左旋光经过系统A后接收到的右旋光的透射率为。其中箭头方向表示从传输系统的正面或背面入射，下标“-”表示入射光为左旋光，“+”表示出射光为右旋光。则对于系统A极化转换的非对称传输可以表示为：。又通过洛伦兹变化：，得到：其表示的物理意义如图1（a）和（b）所示，从正面入射到系统A的左旋光，经过系统A后转换为的右旋光，与从正面入射到系统A的右旋光，经过系统A后转换为的左旋的转换率是不同的。对于从背面入射时情景相同。超材料内的电磁场会产生交叉耦合，在这种状况下，电磁波在透过超材料之后，其透射系数会不一样，且最终的偏振状态和入射波相比，也有很大变化。借助这一点，能够对电磁波的偏振状态进行控制，并制作出相应的功能器件，如电磁二极管与电磁开关等。有许多复杂的超材料被报道出来在微波、太赫兹，甚至光学范围内可以实现线性和圆极化波的不对称传输，比如手性鱼鳞结构、非对称开口圆环或G型结构耦合裂环谐振器等。总之，非对称性传输在偏振转换器，光学器件的设计中得到了广泛的应用。在设计这种非对称传输的结构时，需要达到大的非对称传输效率，即大的AT值。现有技术中一般采用凸起的平面结构，如图4所示，Z形微纳金属结构，在共振处类似棒的模式，形成了电偶极子，Z形结构的极化转换光谱上表现为共振峰的形式。如图5所示，C形微纳金属结构，在共振处为开口圆环的共振模式，形成了磁偶极子，C形结构的极化转换光谱上表现为共振谷的形式。虽然Z形和C形微纳金属结构都具有极化转换效率，但是对于不同的极化转换情况，它们各自的转化效果类似的，因此非对称传输效率并不大。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的只能产生单一的磁偶极子或者电偶极子，得到的非对称传输效率低的问题，本专利技术提供了一种实现非对称传输的微纳金属结构及其制备方法，提供了一种“双F”形平面的微纳金属结构，在T+-的情况下，“双F”形结构上分布的电荷与在C形结构时类似，在开口圆环结构处形成了磁偶极子的共振模式，对应的极化转化谱线也与C形结构类似，表现为共振谷的模式。在T-+的情况下，“双F”形结构的两个分支所带电荷电性是相同，在两个内侧的棒上可像Z形结构一样，并且与Z型结构一样，在极化转化光谱上呈现出共振峰的模式。由于在T+-和T-+下电荷的分布的差异性很大，在极化转化光谱上也分别表现出的是谷和峰的形式，因此得到的“双F”形结构的非对称性传输的值很大，最大值可以达到ATmax=14.2%，比单独的Z形与C形结构非对称性传输效率大了32倍及40倍。本专利技术的结构是用金材料制备出的一种平面微纳米周期结构，制备方法简单方便。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种实现非对称传输的微纳金属结构，所述结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，且所有周期单元均位于同一平面；所述每个周期单元中包含有一个结构单元；所述结构单元包括横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ和竖体，横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ和竖体均为长方体，且横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ和竖体为一体成型结构；所述横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ和横体Ⅳ由上及下依次排列且与所述竖体垂直相连；所述横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ之间间隔相等且互相平行；所述横体Ⅰ、横体Ⅱ的左顶端与所述竖体连接，分布在所述竖体的右侧，所述横体Ⅲ、横体Ⅳ的右顶端与所述竖体连接，分布在所述竖体的左侧；横体Ⅰ的上顶面与竖体的上顶面齐平，横体Ⅳ的下底面与竖体的下底面齐平；所述横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ和横体Ⅳ结构相同；所述竖体的长度大于所述横体Ⅰ宽度的4倍，所述竖体的宽度和所述横体Ⅰ宽度相等；所述结构单元的材料为金。进一步地，横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ和横体Ⅳ的长度均为a=90~150nm，相邻两个横体的间隔距离d=30~70nm；竖体长度为b=270nm；横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ和竖体的宽度均为w=30nm，横体Ⅰ、横体Ⅱ、横体Ⅲ、横体Ⅳ和竖体厚度均为h=30nm；周期边长Px=Py=400nm。本专利技术的实现非对称传输的微纳金属结构制备方法，包括以下步骤：步骤1，准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；步骤3，涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在热板上烘干；步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计权利要求1所述的结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；曝光时，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀；步骤5，显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；步骤6，定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影；步骤7，定影后烘干：将步骤6浸泡定影后的基底放在热板上烘干；步骤8，镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；步骤9，剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解电子束光刻胶；步骤10，吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述非对称传输的单层金纳米结构。进一步地，所述步骤1具体操作为：准备厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm×20.0mm的ITO玻璃，并将准备的ITO玻璃放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。进一步地，所述步骤2中光刻胶的厚度为270nm，所用甩胶机转速设定为4000rpm，时间设定为60s。进一步地，所述步骤3和步骤7中烘干的温度为150℃，时间为3min，热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃。进一步地，所述步骤5中的显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比3:1配合制成，显影液从-15℃冰箱中取出在室温下立刻使用，显影时间控制在恒定时间60s；在显影时间确定下，图形的精度与曝光剂量成线性关系，60s时曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)最好；进一步地，所述步骤6中浸泡定影的时间为60s，其中定影液为异丙醇，浸泡完成后取出用氮气吹干。进一步地，所述步骤8中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀金的厚度为30nm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1.本专利技术的实现非对称传输的微纳金属结构，结构简单，容易制备；圆偏振光正射时，透射波的强度会呈现出不均衡的特点，非对称传输性能突出，可以更好地应用到非对称传输器件的制作中；而且，当该结构单元尺寸发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现非对称传输的微纳金属结构，其特征在于：所述结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，且所有周期单元均位于同一平面；所述每个周期单元中包含有一个结构单元；所述结构单元包括横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5），横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5）均为长方体，且横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5）为一体成型结构；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）和横体Ⅳ（4）由上及下依次排列且与所述竖体（5）垂直相连；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）之间间隔相等且互相平行；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）的左顶端与所述竖体（5）连接，分布在所述竖体（5）的右侧，所述横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）的右顶端与所述竖体（5）连接，分布在所述竖体（5）的左侧；横体Ⅰ（1）的上顶面与竖体（5）的上顶面齐平，横体Ⅳ（4）的下底面与竖体（5）的下底面齐平；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）和横体Ⅳ（4）结构相同；所述竖体（5）的长度大于所述横体Ⅰ（1）宽度的4倍，所述竖体（5）的宽度和所述横体Ⅰ（1）宽度相等；所述结构单元的材料为金。...

【技术特征摘要】
1.一种实现非对称传输的微纳金属结构，其特征在于：所述结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，且所有周期单元均位于同一平面；所述每个周期单元中包含有一个结构单元；所述结构单元包括横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5），横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5）均为长方体，且横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5）为一体成型结构；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）和横体Ⅳ（4）由上及下依次排列且与所述竖体（5）垂直相连；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）之间间隔相等且互相平行；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）的左顶端与所述竖体（5）连接，分布在所述竖体（5）的右侧，所述横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）的右顶端与所述竖体（5）连接，分布在所述竖体（5）的左侧；横体Ⅰ（1）的上顶面与竖体（5）的上顶面齐平，横体Ⅳ（4）的下底面与竖体（5）的下底面齐平；所述横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）和横体Ⅳ（4）结构相同；所述竖体（5）的长度大于所述横体Ⅰ（1）宽度的4倍，所述竖体（5）的宽度和所述横体Ⅰ（1）宽度相等；所述结构单元的材料为金。2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）和横体Ⅳ（4）的长度均为a=90~150nm，相邻两个横体的间隔距离d=30~70nm；竖体（5）长度为b=270nm；横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5）的宽度均为w=30nm，横体Ⅰ（1）、横体Ⅱ（2）、横体Ⅲ（3）、横体Ⅳ（4）和竖体（5）厚度均为h=30nm；周期边长Px=Py=400nm。3.权利要求1或2所述的结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；步骤3，涂胶后烘干：将步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，王天堃，赵文静，张中月，孙永伟，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61