一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，包括入射介质(1)和半导体衬底(2)，所述入射介质(1)贴合于半导体衬底(2)的上表面，所述半导体衬底(2)的顶端设有凹陷的狭缝。一种狭缝的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：通过仿真模拟软件设计所述狭缝；步骤S2：通过有限元法计算所述狭缝的光谱与场分布；步骤S3：利用聚焦离子束，将优化完成的狭缝刻蚀在所述半导体衬底(2)上，形成窄带红外吸收器，红外吸收器工作时的大气窗口为10.32～12.61μm。与现有技术相比，本发明专利技术具有结构简单、易于制备、有效减小吸收器的体积等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器及制备方法
本专利技术涉及超表面
，尤其是涉及一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器及制备方法。
技术介绍
基于声子激元的磁谐振子是极性半导体材料在外加电磁波的照射下引起的晶格集体振荡，形成围绕在狭缝周围的位移电流，从而导致电磁场局域在半导体表面的结构中。基于声子激元的磁谐振子模式可以作为能源、光电探测、航天、生物、医学等领域的核心元器件。窄带吸收器是实现高效窄带光谱完美吸收与光电探测的一个必备元件，它可以实现特定波长窄带的电磁波完美吸收，其原理是声子激元磁共振现象引起电磁波的共振吸收现象。极性半导体SiC属于宽带隙半导体材料，在其横光学声支(ωLO)与纵光学声支(ωTO)之间表现出金属性质，类似于金属表面等离激元的电子集体振荡模式，SiC等极性半导体材料晶格也可实现集体振荡模式，即声子激元模式，由于晶格的声子激元振动寿命远高于金属的电子振荡寿命，因此声子模式的激发峰相对于等离激元模式的激发峰半高宽要窄1～2个量级，Q因子更高，是用作窄带吸收器更好的选择。此外6H-SiC晶格结构类似于金刚石，因此其硬度高制作的窄带吸收器不易损坏，化学性质使得窄带吸收器稳定使用寿命长。传统的基于表面等离激元共振或表面声子激元共振的光吸收器虽然是亚波长结构，但其激发峰位受周期限制，一般结构尺寸略小于激发波长。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的光吸收器的激发峰位受周期限制导致结构尺寸较大的缺陷而提供一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器及制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，包括入射介质和半导体衬底，所述入射介质贴合于半导体衬底的上表面，所述半导体衬底的顶端设有凹陷的狭缝。优选的，所述狭缝的横截面为矩形。所述狭缝的宽度为100～1800nm。所述狭缝的深度为200～1800nm。优选的，所述半导体衬底为6H-SiC衬底。一种所述基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器的狭缝的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：通过仿真模拟软件设计所述狭缝；步骤S2：通过有限元法计算所述狭缝的光谱与场分布；步骤S3：利用聚焦离子束，将设计出的所述狭缝刻蚀在所述半导体衬底上，形成窄带红外吸收器。所述仿真模拟软件的计算波段为10.32～12.61μm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术中窄带吸收器激发的为声子磁共振模式，可用比相对波长小28倍的深亚波长结构激发，减小了吸收器的整体体积。2.本专利技术的狭缝结构简单，易于制备，优化完成的狭缝可以使窄带吸收器的吸收高于99.5％。3.本专利技术中窄带吸收器的窄带半高宽可达89nm。4.本专利技术的半导体衬底为6H-SiC衬底，6H-SiC衬底硬度高，制作的窄带吸收器不易损坏，其化学性质使得窄带吸收器稳定使用寿命长。5.本专利技术的窄带吸收器对激发光的入射角度不敏感，入射光可以从任意角度入射，最优入射角度为垂直入射。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的流程示意图；图3为本专利技术窄带吸收器的吸收谱的示意图。附图标记：1-半导体衬底；2-入射介质；3-狭缝的宽度；4-狭缝的深度。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，包括入射介质1和半导体衬底2，入射介质1贴合于半导体衬底2的上表面，半导体衬底2的顶端设有凹陷的狭缝。狭缝的横截面为矩形，狭缝的宽度3为100～1800nm，狭缝的深度4为200～1800nm。半导体衬底2为6H-SiC衬底。如图2所示，一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器的狭缝的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：通过仿真模拟软件设计狭缝；步骤S2：通过有限元法计算狭缝的光谱与场分布；步骤S3：利用聚焦离子束，将设计出的狭缝刻蚀在半导体衬底2上，形成窄带红外吸收器。仿真模拟软件的计算波段为10.32～12.61μm。实施例一入射介质以空气代替真空环境，半导体衬底2为6H-SiC衬底，对应的一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器的狭缝的制备方法具体如下：步骤S1：通过Drude-Lorentz模型计算6H-SiC衬底的介电常数，具体为：其中，高频介电常数ε∞＝6.7，阻尼系数γ＝4.76cm-1，半导体衬底的横光学声支ωLO＝969cm-1，半导体衬底的纵光学声支ωTo＝793cm-1，i为虚数单位，通过输入不同的入射光波数ω计算得到对应的6H-SiC衬底的介电常数εSiC(ω)。步骤S2：将计算得到的6H-SiC衬底的介电常数导入CST仿真软件；步骤S3：通过CST仿真软件绘制如图1所示的狭缝的三维结构图，其中6H-SiC衬底的厚度为4μm，狭缝宽b＝320nm，狭缝深h＝400nm，y方向厚度100nm，x方向周期4μm；步骤S4：通过有限元(FEM)模块进行仿真模拟计算，设置计算波段21-30THz，xy方向上均为周期性边界条件“unitcell”，z方向设置为“open(addspace)”，狭缝周围加密网格，电磁波沿z轴方向进行入射；步骤S5：通过仿真模拟结果中的共振吸收位置的电场分布与磁场分布可判断共振吸收峰为磁共振模式；步骤S6：改变狭缝宽度3与狭缝深度4，对共振吸收峰进行调节；步骤S7：分别将狭缝宽度3与狭缝深度4设置为扫描参数，在扫描结果中挑选狭缝宽度3相对较大，狭缝深度4相对较小，可以实现窄带红外完美吸收的狭缝宽度3与狭缝深度4作为最优参数；步骤S8：按照最优参数，通过聚焦离子束刻蚀仪(FIB)在6H-SiC衬底上刻蚀最优参数对应的狭缝，制备窄带吸收器；步骤S9：使用傅里叶红外光谱仪(FTIR)测试窄带吸收器反射光谱，如图3所示，在狭缝宽度b＝320nm，狭缝深度h＝400nm的条件下，窄带红外吸收器的吸收峰半高宽为88.7nm，品质因子Q为127，吸收峰波长为11.29μm。此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本专利技术结构所做的举例说明。凡依据本专利技术构思的构造、特征及原理所做的等小变化或者简单变化，均包括于本专利技术的保护范围内。本专利技术所属
的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本专利技术的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，包括入射介质(1)和半导体衬底(2)，所述入射介质(1)贴合于半导体衬底(2)的上表面，其特征在于，所述半导体衬底(2)的顶端设有凹陷的狭缝。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，包括入射介质(1)和半导体衬底(2)，所述入射介质(1)贴合于半导体衬底(2)的上表面，其特征在于，所述半导体衬底(2)的顶端设有凹陷的狭缝。


2.根据权利要求1所述的一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，其特征在于，所述狭缝的横截面为矩形。


3.根据权利要求2所述的一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，其特征在于，所述狭缝的宽度(3)为100～1800nm。


4.根据权利要求2所述的一种基于声子激元磁共振的窄带红外吸收器，其特征在于，所述狭缝的深度(4)为200～1800nm。


5.根据权利要求1所述的一种基于声子激元磁共振...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，李晓温，石溪，许昊，何晓勇，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31