一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线及其制备方法，该制备方法使用自组装纳米小球作为掩模，通过控制纳米小球的间隙和直径可以简单方便地制备出不同单元结构尺寸、周期和占空比的纳米结构超表面，与普通紫外光刻和镀膜工艺结合即可快速方便地实现大面积超表面集成光电导天线的制备。该制备方法无需昂贵的纳米加工设备和复杂的工艺流程，大大地降低了超表面集成光电导天线的制备成本和设备依赖性，而且操作简单易行、适用于批量化生产，可推动毫米波与太赫兹光电导天线的实际应用。实际应用。实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线及其制备方法


[0001]本专利技术涉及毫米波与太赫兹器件
，尤其涉及一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电导天线是实现毫米波与太赫兹产生和探测的一种重要器件，在毫米波与太赫兹成像检测、通信、传感、雷达等领域中有着广泛的应用。光电导天线主要由高迁移率、低载流子寿命的半导体衬底和金属电极与天线构成。单路脉冲激光或双路连续激光入射到光电导天线的电极之间时会被半导体衬底吸收转变为光生载流子，当电极上施加电压后会产生高电场将光生载流子俘获从而产生随脉冲激光频率或双路连续激光拍频频率变化的高频电流。当作为源时，高频电流经天线辐射出去就可以产生毫米波与太赫兹波；而作为探测器时，单路脉冲激光或双路连续激光和毫米波或太赫兹波同时入射到光电导天线上，其中激光产生的高频电流作为本振，毫米波或太赫兹波在光电导天线中产生的高频电流与本振进行叠加混频就会产生低频或中频的信号，从而可以用常规微波器件或设备进行探测。
[0003]传统太赫兹光电导天线采用紫外光刻技术制备微米级的电极和间隙，导致一方面半导体衬底和电极对入射光的反射很强，有效光吸收很低，产生的光生载流子数目少；另一方面，产生的光生载流子由于寿命短、输运距离有限，能被电极有效收集到的电子少。因此，传统光电导天线的光到毫米波与太赫兹的转换效率极低，通常在千分之一以下。在电极之间引入等离激元纳米结构，如纳米电极、光学纳米天线或超表面，一方面能够利用表面等离激元局域效应有效增强光吸收，利用纳米结构降低光反射，大大提升入射光的利用率，实现光生载流子数目的剧增；另一方面，利用纳米电极结构可以在低压下产生强电场，并实现入射光场的增强，进而在半导体衬底的大面积光吸收区中有效收集产生的载流子，提高载流子的收集效率产生光电流；此外，纳米结构还能有效降低载流子的屏蔽效应并降低热效应提高热稳定性，利于进一步增大入射激光功率提高毫米波与太赫兹的输出功率。以上优势使得纳米结构增强的光电导天线可以解决传统光电导天线存在的问题，有效提升光到毫米波与太赫兹的转换效率。目前文献报道采用纳米结构增强的光电导天线，已经实现对飞秒脉冲激光到脉冲毫米波与太赫兹波的转换效率达到了7.5％(IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,2014,4(5):575
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581)，对双波长连续激光拍频输出的连续太赫兹波功率达到600μW@1.3THz、转换效率达到1.1％(Physical Review X,2017,7(4):041002)。
[0004]尽管纳米结构增强可以大大提升光电导天线的性能，但是由于纳米结构加工难度大，对设备要求高，目前仍然难以大面积、低成本、批量化地生产纳米结构增强的光电导天线。例如，公布号为CN103236578A的专利技术专利提出了一种梳状纳米电极来增强光电导天线的太赫兹辐射，如采用传统电子束光刻、聚焦离子束刻蚀或纳米压印均需要高昂的工艺设备与加工成本，不利于大面积批量生产；公布号为CN112531348A的专利技术专利提出了一种基于嵌入金属纳米结构的全介质超表面太赫兹光电导天线，可以提升太赫兹波的辐射功率和
转换效率，但其同样未提出嵌入金属纳米结构的全介质超表面的制备方法；公布号为CN112379574A的专利技术专利提出了一种基于纳米压印技术的带纳米电极的太赫兹光电导天线的制作方法，尽管其较为适合批量生产，但纳米压印设备成本高昂，且需要事先设计加工纳米压印模板；公布号为CN109728428A的专利技术专利提出了一种在GaAs薄膜表面生长金属纳米阵列亚波长结构的方案来提升光
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太赫兹转换效率，但其需要采用纳米级精度的曝光及刻蚀以生成所述金属纳米阵列，同样成本高。其他国内外文献中报道的纳米电极或超表面增强光电导天线主要采用的也是电子束光刻、聚焦离子束刻蚀或纳米压印等依赖于高昂纳米加工设备的制备方法。如果能发展一种对工艺设备依赖性低且可大面积批量化生产的方法，那么将极大地降低纳米结构增强光电导天线的成本，推动毫米波与太赫兹光电导技术的实际应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中所存在的不足，本专利技术提供了一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线及其制备方法，旨在提供一种不依赖高昂纳米加工设备、灵活实用、低成本、可大面积批量化制备超表面集成太赫兹光电导天线的制备方法。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线，包括衬底，所述衬底上设有光吸收区，所述光吸收区上设有超表面，所述光吸收区的两侧设有电极天线，所述超表面与电极天线连接。
[0008]本专利技术还提供了一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线的制备方法，所述方法包括：在衬底上确定光吸收区；在衬底的光吸收区的两侧制作电极天线；在衬底的光吸收区制作超表面。
[0009]本专利技术进一步设置为：所述超表面的制作工艺包括：
[0010]S1.先在衬底上覆盖光刻胶，再用紫外光刻曝光显影露出光吸收区，其余区域由光刻胶覆盖；
[0011]S2.然后将纳米小球排布于衬底上形成自组装纳米掩膜；
[0012]S3.然后在排布好的纳米小球上沉积导电薄膜，其中一部分导电薄膜通过纳米小球之间的间隙沉积在衬底上，另一部分导电薄膜则沉积在光刻胶和纳米小球上形成牺牲导电薄膜；
[0013]S4.取出光刻胶、纳米小球和沉积其上的牺牲导电薄膜，衬底上形成仅保留的超表面。
[0014]本专利技术进一步设置为：所述超表面的制作工艺包括：
[0015]S1.先将纳米小球排布于衬底上形成自组装纳米掩膜；
[0016]S2.然后在排布好的纳米小球上沉积导电薄膜，其中一部分导电薄膜通过纳米小球之间的间隙沉积在衬底上形成超表面；
[0017]S3.去除纳米小球和沉积其上的导电薄膜，仅保留衬底上的超表面；
[0018]S4.用光刻胶对光吸收区的超表面进行保护，再将衬底其他区域的超表面去除。
[0019]本专利技术进一步设置为：在形成自组装纳米掩膜时，对自组装纳米掩膜进行调节从而对超表面的单元结构、周期和占空比进行调控。
[0020]本专利技术进一步设置为：所述自组装纳米掩膜的调节方法为：选用不同直径的纳米小球来直接调节单元结构尺寸和周期。由于不同直径的小球之间存在的间隙不同，从而利用此不同的间隙来调节超表面的占空比；
[0021]本专利技术进一步设置为：所述自组装纳米掩膜的调节方法为：对排布好的纳米小球进行加热膨胀挤压减小间隙，来降低超表面结构中导电单元的占空比。
[0022]本专利技术进一步设置为：所述自组装纳米掩膜的调节方法为：在溶液中排布纳米小球时，通入反应气体和溶液产生化学反应，或者通入反应气体和纳米小球产生化学反应，反应产生的填充物质对纳米小球间隙进行填充，来降低超表面结构中导电单元的占空比。
[0023]本专利技术进一步设置为：所述自组装纳米掩膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线，包括衬底，其特征在于：所述衬底上设有光吸收区，所述光吸收区上设有超表面，所述光吸收区的两侧设有电极天线，所述超表面与电极天线连接。2.一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线的制备方法，其特征在于：所述方法包括：在衬底上确定光吸收区；在衬底的光吸收区的两侧制作电极天线；在衬底的光吸收区制作超表面。3.如权利要求2所述的一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线的制备方法，其特征在于：所述超表面的制作工艺包括：S1.先在衬底上覆盖光刻胶，再用紫外光刻曝光显影露出光吸收区，其余区域由光刻胶覆盖；S2.然后将纳米小球排布于衬底上形成自组装纳米掩膜；S3.然后在排布好的纳米小球上沉积导电薄膜，其中一部分导电薄膜通过纳米小球之间的间隙沉积在衬底上，另一部分导电薄膜则沉积在光刻胶和纳米小球上形成牺牲导电薄膜；S4.取出光刻胶、纳米小球和沉积其上的牺牲导电薄膜，衬底上形成仅保留的超表面。4.如权利要求2所述的一种自组装纳米掩膜超表面集成光导天线的制备方法，其特征在于：所述超表面的制作工艺包括：S1.先将纳米小球排布于衬底上形成自组装纳米掩膜；S2.然后在排布好的纳米小球上沉积导电薄膜，其中一部分导电薄膜通过纳米小球之间的间隙沉积在衬底上形成超表面；S3.去除纳米小球和沉积其上的导电薄膜，仅保留衬底上的超表面；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞良，李沫，张健，杨帆，姜昊，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：