一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，包括衬底和金属层单元，所述金属层单元上设有电磁谐振单元；所述电磁谐振单元包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上。本发明专利技术结构简单，制作成本低，具有强谐振、宽频带、双频点的优点，可以有效地应用于各种要求宽带设计的太赫兹功能器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹固态电子学的功能器件，特别是涉及一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料。
技术介绍
自从电磁波被发现以来，人类一直在尝试各种努力，希望可以随心所欲的控制电磁波，使其为人类服务。19世纪以来，雷达、无线电、传感网等的发展大大加快了人类社会前进的速度，同时也使得人类对电磁波控制器件的要求越发强烈。控制电磁波最直接的方法是在其传播路径加入不同的材料来改变其传播性质，但自然界中的传统材料越来越难满足对电磁波控制的需求。尤其是在太赫兹波段，传统材料表现出非常微弱的电磁响应，使得对太赫兹波的控制遇到了巨大的挑战。 另一方面，超材料的发展正推动着新一轮的技术革命。超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料是一种特殊的人造结构，其物理性质决定于人工控制的周期性亚波长结构，表现出很多不同于传统材料的特殊性能。传统材料的介电常数ε和磁导率μ都大于等于1，但是超材料的介电常数ε和磁导率μ却能够小于I甚至小于O。基于这一特性，超材料还具有负折射率效应、逆多普勒(简称“Doppler”)效应和逆切伦柯夫(简称“Cerenkov”)效应等。超材料的特殊性能使其可以和太赫兹波发生强烈地相互作用，产生电磁谐振，从而控制太赫兹波的传播。因此太赫兹(简称“THz”)波段的超材料设计成了填补太赫兹技术空白区的有效途径。2004年，T. J. Yen等人第一次实现了 THz频段的Metamaterial设计,并在同年的《科学》上发表了这一成果。T. J. Yen等人的设计是在石英衬底上制作两个开口谐振环，通过尺寸的优化和结构的设计，实现了 ITHz的超材料，随后也出现了很多基于其他结构的太赫兹超材料。然而基于这些结构设计的太赫兹超材料，只能在单个频点和太赫兹波发生比较弱的相互作用，并且频带非常的窄，大概只有几十个GHz。而对于很多要求宽带的太赫兹应用来说，这无疑成了一个技术壁垒。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，具有强谐振、宽频带、双频点的优点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，包括衬底和金属层单元，所述金属层单元上设有电磁谐振单元；所述电磁谐振单元包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上。所述闭合环与两个开口谐振环之间的间距相等。所述金属层单元根据所述超材料特性和特征频率以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上。所述闭合环与两个开口谐振环之间的间距为3-10 μ m。所述金属层单元由上而下依次为金层、钼层和钛层。所述金层的厚度为100-500nm、钼层的厚度为5_50nm、钛层的厚度为5_50nm。所述衬底采用厚度为200-1000 μ m的砷化镓材料制成，有效介电常数为12. 9，损耗角正切为O. 006。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果本专利技术经过太赫兹时域光谱实验平台测试，将时域信号利用傅里叶变换转化成频域信号，得到的透射率频谱图出现了两个明显的衰减峰，通过参数抽取计算得到介电常数显示，在对应于透射禁带的两个衰减峰附近很宽的两个频带内介电常数实部表现为负值，并且绝对值很大，最低值小于-900。本专利技术结构简单，制作成本低，具有强谐振、宽频带、双频点的优点，可以有效地应用于各种要求宽带设计的太赫兹功能器件。附图说明图I是本专利技术的结构示意图；图2是用扫描电镜拍摄的本专利技术的工艺制作样品局部图；图3是本专利技术涉及的太赫兹双频带超材料对太赫兹电磁波透射率的模拟仿真和实验测试结果图。图4是本专利技术涉及的基于电谐振的太赫兹双频带超材料介电常数示意图。具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术的实施方式涉及一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，如图I所示，包括衬底I和金属层单元2。所述金属层单元2上设有电磁谐振单元3，所述电磁谐振单元3包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元2以周期性阵列的方式铺设在所述衬底I上。本专利技术提出了具有特征尺寸的新型亚波长结构，该新型结构由两个开口谐振环和一个闭合环组成。如图I所示，将闭合环至于两开口谐振环之间，并且使闭合环和两开口谐振环的间距相等，闭合环和两开口谐振环的间距在3-10μπι之间，最好使得闭合环和两开口谐振环的间距为6 μ m。该新型亚波长结构成为一个可以和太赫兹电磁波发生相互作用的电磁谐振单元。所述金属层单元以周期性阵列的方式铺设在所述衬底上，由于电磁谐振单元设置在金属层单元上，因此电磁谐振单元也按周期性阵列的方式在衬底上排成亚波长结构电磁单元阵列。各个电磁谐振单元之间的间距可以根据所要设计的超材料特性和谐振频率决定。将提出的新型亚波长结构按一定周期性排列，其平面的两个维度周期性晶格常数分别定为103 μ m和78 μ m，图2为用扫描电镜拍摄的本专利技术涉及的工艺实现样品局部图。金属层单元是将钛、钼、金在垂直于阵列平面上依次排列，金层的厚度为100-500nm、钼层的厚度为5_50nm、钛层的厚度为5_50nm。本实施例中各金属的厚度分别为钛(Ti) :20nm JS(Pt) :20nm，金(Au) :300nm。钛金属层和衬底接触，作为吸附层；钼金属层是中间层，用来防止金属间化合物的扩散；金属金层是为了实现亚波长结构电磁谐振单元。衬底的材料可采用厚度为200-1000 μ m的砷化镓材料(GaAs)，有效介电常数为12. 9，损耗角正切为O. 006。GaAs衬底对太赫兹波的损耗比较小，比较适合用作各种太赫兹波功能器件的衬底材料。本专利技术的制作方法如下基于GaAs平台工艺线，利用甩胶、曝光、显影等光刻刻蚀技术，在光刻胶上开出图形窗口，图形为周期性排布的阵列结构。为了方便后续的剥离工艺，在曝光后显影前需要将样品浸泡在氯苯中，使光刻胶不均匀膨胀，或者易剥离的倒八字结构。通过磁控溅射技术，在样品表面生长设计好厚度的钛/钼/金金属层，形成金属与半导体的肖特基接触。通过剥离方法，去除覆盖在光刻胶上的金属，留下阵列图形上的金属，制备成功实验样品。在剥离过程中，还需要不断在显微镜下观察，监控剥离的进度，减少剥尚造成的样品损伤，提闻成品率。太赫兹时域光谱(THz-TDS)装置用于验证本专利技术涉及的太赫兹双频带超材料设计。在室温、干燥的环境下，将实验样品置于测试点，为避免空气中其它成分的影响，在实验装置中通入氮气，封闭实验装置。通过和探测装置相连的终端机观察实验样品对太赫兹波的相互作用。利用傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，可以观察到本专利技术涉及的超材料对太赫兹波的透射率。图3为本专利技术涉及的太赫兹双频带超材料对太赫兹电磁波透射率的仿真和实验测试结果图。可以看出，在、.375和、.59出现了透射率禁带，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电谐振的太赫兹双频带超材料，包括衬底（1）和金属层单元（2），其特征在于，所述金属层单元（2）上设有电磁谐振单元（3）；所述电磁谐振单元（3）包括两个开口谐振环和一个闭合环；所述闭合环位于两个开口谐振环之间；所述金属层单元（2）以周期性阵列的方式铺设在所述衬底（1）上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺连星，孙晓玮，郭万易，李彪，滕腾，孙浩，张祁莲，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：