一种光谱响应的微纳米结构制造技术

本申请属于微纳米结构技术领域，尤其涉及一种光谱响应的微纳米结构。本申请的微纳米结构，包括衬底和悬臂；悬臂的一端与衬底的表面连接，悬臂的另一端与衬底不连接；悬臂的形状为弧形；悬臂的表面设有微纳米图案；衬底的表面设有粗糙结构；悬臂为至少两层的复合结构，获取悬臂的当前层数，基于悬臂的当前层数以获取对应的悬臂的曲率半径计算模型，然后根据悬臂的曲率半径计算模型，计算对应的悬臂的曲率半径；根据悬臂的曲率半径夹角和对应的悬臂的曲率半径，计算对应的悬臂的弯曲高度。本申请提供了一种光谱响应的微纳米结构，利用基于微机电系统技术制得的电热式致动器阵列，可实现可调谐和多功能的太赫兹波应用。可调谐和多功能的太赫兹波应用。可调谐和多功能的太赫兹波应用。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱响应的微纳米结构


[0001]本申请属于微纳米结构
，尤其涉及一种光谱响应的微纳米结构。本专利要求申请号为202111051048.1，申请日期为2021年9月8日的专利的要求优先权。

技术介绍

[0002]光学中的太赫兹频段是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，其电磁响应因在医学传感、生物科学、安检、无损检测等领域的广泛应用而备受关注。然而，现有的太赫兹器件受到天然材料非线性特性的限制。于是，基于图案化微纳结构的光学芯片被广泛地应用于提高太赫兹器件的性能，可通过适当地调整其几何结构来控制亚波长尺度上的电磁波，其介电常数和磁导率可以通过其周期性单元的几何形状、尺寸和组成进行人工设计，并且可以通过进行尺寸调整以在整个电磁光谱中工作，包括微波、太赫兹、红外、可见光。一般来说，几何尺寸较小的微纳结构可在能量较高、波长较短的频段具有响应。由于微加工技术的局限性，基于微纳结构的光学器件最初是在微波等大波长范围内实现的。随着制备技术的突破，太赫兹波段的器件才得以实现大规模制备，其在理想吸收体、负折射率、金属材料、隐身器件等领域得到广泛的研究。
[0003]现有基于微纳结构的光学器件虽然能够实现较好的特性，但是一旦器件制备完成，其特性将无法被改变，这将大大限制器件的适用性以及集成度，于是，可主动调控的光学器件成为研究的热电。已有多种调控机制被应用于主动调控微纳结构，现有的调控机制主要有液晶调控、激光泵浦调控、相变材料调控等，是通过改变材料内部特性以调控其光学响应，然而，在现有的可调控微纳米结构中，由于是通过改变材料的内部属性，如热量、载流子浓度等，来达到调控其光学响应的目的，这些结构将受限于天然材料的非线性效应，其光学调控范围都很有限。而且，现有微纳结构的光谱都只在单个波段具有共振响应，无法满足复杂光学器件的设计的需求。

技术实现思路

[0004]基于此，本申请提供了一种光谱响应的微纳米结构，利用基于微机电系统技术制得的电热式致动器阵列，可实现可调谐和多功能的太赫兹波应用。
[0005]本申请提供了一种光谱响应的微纳米结构，包括衬底和悬臂；
[0006]所述悬臂的一端与所述衬底的表面连接，所述悬臂的另一端与所述衬底不连接；
[0007]所述悬臂的形状为弧形；所述悬臂的表面设有微纳米图案；
[0008]所述衬底的表面设有粗糙结构；
[0009]所述悬臂为至少两层的复合结构，获取所述悬臂的当前层数，基于所述悬臂的当前层数以获取对应的悬臂的曲率半径计算模型，然后根据所述悬臂的曲率半径计算模型，计算对应的悬臂的曲率半径；根据所述悬臂的曲率半径夹角和所述对应的悬臂的曲率半径，计算对应的悬臂的弯曲高度。
[0010]另一实施例中，所述悬臂的层数为两层；
[0011]所述悬臂的曲率半径计算模型的公式为：
[0012]所述悬臂的曲率半径为R，所述悬臂的弯曲高度其中，T为所述悬臂制造过程中产生的温度差绝对值，α2为所述悬臂的第二层材料的热膨胀系数，α1为所述悬臂的第一层材料的热膨胀系数，E2为所述悬臂的第二层材料的杨氏模量，E1为所述悬臂的第一层材料的杨氏模量，t2为所述悬臂的第二层材料的厚度，t1为所述悬臂的第一层材料的厚度，I2为所述悬臂的第二层材料的面积惯性矩，I1为所述悬臂的第一层材料的面积惯性矩，h为所述悬臂的弯曲高度，θ为所述悬臂的曲率半径夹角。
[0013]具体的，本申请通过在面层材料之间施加电压，使得面层材料内部有电流流过，从而产生大量电阻热，使得悬臂结构的温度急剧升高，与其制备过程相反，将使悬臂产生恢复到平面的趋势，使得衬底上的悬臂向下弯曲到衬底上。
[0014]另一实施例中，所述悬臂的层数为三层；
[0015]所述悬臂的曲率半径计算模型的公式为：
[0016]所述悬臂的曲率半径为R，
[0017]所述悬臂的弯曲高度其中，T为所述悬臂制造过程中产生的温度差绝对值，α3为所述悬臂的第三层材料的热膨胀系数，α2为所述悬臂的第二层材料的热膨胀系数，α1为所述悬臂的第一层材料的热膨胀系数，E3为所述悬臂的第三层材料的杨氏模量，E2为所述悬臂的第二层材料的杨氏模量，E1为所述悬臂的第一层材料的杨氏模量，t3为所述悬臂的第三层材料的厚度，t2为所述悬臂的第二层材料的厚度，t1为所述悬臂的第一层材料的厚度，I3为所述悬臂的第三层材料的面积惯性矩，I2为所述悬臂的第二层材料的面积惯性矩，I1为所述悬臂的第一层材料的面积惯性矩，h为所述悬臂的弯曲高度，θ为所述悬臂的曲率半径夹角。
[0018]另一实施例中，所述衬底的材质选自硅、石英玻璃、蓝宝石、绝缘体上硅或氮化镓硬衬底中的一种。
[0019]具体的，本申请的衬底的表面通过现有常规手段使其设有粗糙结构，例如可采用腐蚀性物质作用衬底表面，使其粗糙，腐蚀性物质可以为腐蚀性气体、液体或固体等，例如SF6腐蚀的反应气体。
[0020]另一实施例中，所述悬臂的材质包括底层材料和面层材料。
[0021]另一实施例中，所述底层材料选自二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、光刻胶、环氧树脂绝缘材料中的一种或多种。
[0022]另一实施例中，所述面层材料为具有电导率以及磁导率的材料。
[0023]具体的，本申请的具有电导率与磁导率的材料可使得悬臂通电后产生热量，通过热量驱动悬臂与衬底的弯曲高度，从而控制悬臂凸出于衬底的高度；或者额外施加磁场，促使悬臂定向弯曲，从而控制悬臂凸出于衬底的高度。
[0024]可见，本申请通过采用不同材料，实现光谱响应的微纳米结构的多种驱动机制，如电磁式驱动悬臂的机制以及电热式驱动悬臂的机制。
[0025]另一实施例中，所述面层材料为金属、金属氧化物和半导体材料中的一种或多种。
[0026]另一实施例中，所述金属选自金、银、铝、铜、锡、镍、铂和钯中的一种或多种；所述金属氧化物选自氧化锌、氧化钨、氧化钼、氧化钒和氧化铝中的一种或多种；所述半导体材料选自硅、氮化镓和砷化镓中的一种或多种。
[0027]具体的，所述底层材料可以选择多种；所述面层材料可以选择多种，所述底层材料和所述面层材料以层状结构层叠在一块，形成悬臂。
[0028]另一实施例中，对所述悬臂施加0～1.4V直流电压，所述悬臂距离所述衬底的弯曲高度为10～160μm。
[0029]另一实施例中，所述微纳米图案为圆环形、类圆环形和十字形中的一种或多种。
[0030]具体的，本申请的光谱响应的微纳米结构的制备方法为现有常规的制备方法，只要可在衬底上制得符合上述曲率半径计算模型的悬臂即可，如采用化学气相沉积法在衬底上沉积底层材料，然后通过金属镀膜技术在底层材料上设置面层材料，在衬底上设置悬臂结构，然后通过刻蚀技术在悬臂的一端刻蚀一个开口，通过各向同性气体刻蚀工艺对悬臂开口下方的衬底结构刻蚀，使得悬臂的一端与衬底的表面连接，悬臂的另一端与衬底不连接，最终悬臂得到释放，突出于衬底的方式设置在该衬底上。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱响应的微纳米结构，其特征在于，包括衬底和悬臂；所述悬臂的一端与所述衬底的表面连接，所述悬臂的另一端与所述衬底不连接；所述悬臂的形状为弧形；所述悬臂的表面设有微纳米图案；所述衬底的表面设有粗糙结构；所述悬臂为至少两层的复合结构，获取所述悬臂的当前层数，基于所述悬臂的当前层数以获取对应的悬臂的曲率半径计算模型，然后根据所述悬臂的曲率半径计算模型，计算对应的悬臂的曲率半径；根据所述悬臂的曲率半径夹角和所述对应的悬臂的曲率半径，计算对应的悬臂的弯曲高度。2.根据权利要求1所述的光谱响应的微纳米结构，其特征在于，所述悬臂的层数为两层；所述悬臂的曲率半径计算模型的公式为：所述悬臂的曲率半径为R，所述悬臂的弯曲高度其中，T为所述悬臂制造过程中产生的温度差绝对值，α2为所述悬臂的第二层材料的热膨胀系数，α1为所述悬臂的第一层材料的热膨胀系数，E2为所述悬臂的第二层材料的杨氏模量，E1为所述悬臂的第一层材料的杨氏模量，t2为所述悬臂的第二层材料的厚度，t1为所述悬臂的第一层材料的厚度，I2为所述悬臂的第二层材料的面积惯性矩，I1为所述悬臂的第一层材料的面积惯性矩，h为所述悬臂的弯曲高度，θ为所述悬臂的曲率半径夹角。3.根据权利要求1所述的光谱响应的微纳米结构，其特征在于，所述悬臂的层数为三层；所述悬臂的曲率半径计算模型的公式为：所述悬臂的曲率半径为R，所述悬臂的弯曲高度其中，T为所述悬臂制造过程中产生的温度差绝对值，α3为所述悬臂的第三层材料的热膨胀系数，α2为所述悬臂的第二层材料的热膨胀系数，α1为所述悬臂的第一层材料的热膨胀系数，E3为所述悬臂的第三层材料的杨氏模量，E2为所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：林佑昇，许锐佳，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：