基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法，包括：海藻酸钠衬底，设置于海藻酸钠衬底上的金属层及半导体薄膜；所述金属层和所述半导体薄膜的图形完全相同：在外环上有三个等距分布的开口，中环上有等距分布的两个开口，内环上有一个开口，外环上三个开口中的一个与中环上的一个开口对齐，中环上的另一个开口和内环上的开口对齐。本发明专利技术利用半导体薄膜在不同光功率激发下产生载流子浓度的不同，实现不同电导率对电磁响应的共振强度的连续调谐。本发明专利技术结构及加工工艺简单，具有可降解特性，可用于生物分子检测，使太赫兹波段超材料的入射电磁波在太赫兹波段传输具有多个强度连续调谐的频带。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微纳加工工艺的器件，具体的，涉及一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法。
技术介绍
太赫兹波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，相应的波长为3mm到30μm，其波段位于电磁波谱中微波和红外波之间。物质在THz波段的频率响应包含有丰富的物理、化学和生物信息。太赫兹波具有能量低、带宽宽、穿透性强等特性，在通信、生物医学、探测成像、无损检测等领域具有重要的应用。但由于长波段微波方向主要依靠电子学技术，短波段的红外波方向主要依靠光学技术，使得在两波之间的THz波源的问题一直未得到很好的解决，这就成为限制现代THz波技术发展的最主要因素之一。一些研究组近年来利用超材料来调控太赫兹波，基于电磁超材料太赫兹开关、滤波器和吸波器等陆续出现，成为太赫兹系统的集成化和小型化的研究热点。超材料在完美透镜、负折射及隐身等方面具有有人的应用前景。关于超材料大多数是利用磁谐振器和电谐振器分别实现负磁导率和负介电常数，通过组成阵列来同时实现“双负”。超材料由周期性金属开环共振(SplitRingResonator,SRR)微结构阵列和半导体材料组成，该周期性的SRR阵列存在一定的共振电磁响应，可以利用这种特点设计出感应器件。目前基本上所有基于超材料结构的电磁波吸收器都是被动式的，一旦制备完成,其吸收性能也就确定了。而日益复杂的电磁应用环境需要的是主动式的可调谐的电磁超材料吸收器，比如可以根据电磁环境的变化控制电磁超材料吸收器对电磁波的吸收率等。控制太赫兹辐射的振幅、频率或相位的调制器或开关需要电磁超材料的电磁响应能够主动调控，这可以通过将SRR谐振器制备在掺杂的半导体基底上或者直接将半导体材料引入电磁超材料结构，结合偏压或光激励来实现。机理是利用外场调控半导体的载流子浓度，改变电导率，影响LC等效回路电容，从而调节SRR电磁谐振，控制THz波传输。在基于SRR的电谐振器结构的外侧开口处插入光敏半导体，可以利用光电导诱使共振模式转换效应而实现频率调制。改变环境温度是调控电磁超介质电磁响应的另一条途径。利用两种材料不同的热膨胀性能，用温度控制悬臂弯曲程度，改变SRR所在平面与入射波方向的夹角，使透射波强度发生显著变化。此外，利用某些材料介电性质随温度显著变化的特性也可实现电磁性能温度可控的电磁超介质，例如VO2在热激励下能够由绝缘体转变为金属，用VO2构造的电磁超介质可以实现共振强度和频率的温度调制。除了光、电和温度等调控途径，外加磁场也可以实现对电磁超介质谐振强度和频率的调制，并在微波段获得实验证实。从应用角度考虑，电、光调控便于操作，更具有优势，尤其是电场调控，因此也最受重视。经对现有技术文献的检索发现，XiaoguangZhang等人在《SensorsandActuatorsA:Physical》(2015)中撰文“Opticallytunablemetamaterialperfectabsorberonhighlyflexiblesubstrate”(“超柔性衬底上的光调谐超材料吸收器”)。该文中聚酰亚胺作为衬底，由于聚酰亚胺不溶于水，故无法将该器件应用到生物分子检测领域。GovindDayalandSAnanthaRamakrishna在《JOURNALOFOPTICS》7,055106(2013)中撰文“Designofmulti-bandmetamaterialperfectabsorberswithstackedmetal-dielectricdisks”(“金属—介质磁盘形成的多频带完美吸收器”《光学学报》)。该文中提出实现多频带的方法是将“三层结构”(介质—金属—介质)叠加一起可以形成多频带的超材料吸收器。但是，需要改变不同介质层才能得到不同的频率范围的频带，并不能进行共振频率的连续调谐。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法，通过光的控制可以同时实现双频带和共振频率连续调谐，在可降解的柔性衬底上制作性能更优的超材料器件。本专利技术是通过以下技术方案实现的：根据本专利技术的第一方面，提供一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，包括：海藻酸钠衬底，以及设置于海藻酸钠衬底上图形化的金属层及半导体薄膜；所述金属层和所述半导体薄膜的图形完全相同，均由三个同圆心的圆环组成，三个圆环从外到内分别为外环、中环和内环，其中：在外环上有三个等距分布的开口，中环上有等距分布的两个开口，内环上有一个开口，且外环、中环和内环上的开口大小均相同；外环上三个开口中的一个与中环上的一个开口对齐，中环上的另一个开口和内环上的开口对齐。优选地，所述太赫兹超材料的半导体薄膜在光激发下产生载流子，通过改变光的功率控制太赫兹超材料的电导率来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐。更优选地，所述太赫兹超材料经过光激发产生光生载流子，随着光生载流子数目的变化，半导体的电导率发生变化；当光撤去后，产生的光生载流子复合，一段时间后恢复到原来的状态，即实现可逆调谐。优选地，所述海藻酸钠衬底可生物降解。生命科学研究已经深入到了分子水平，利用可生物降解的材料制作的可以用于生物分子检测的器件的优点是降解产物易处理。优选地，所述海藻酸钠衬底为柔性衬底，且在太赫兹波段损耗较低。更优选地，所述海藻酸钠衬底的厚度为5-200μm。所述海藻酸钠衬底为海藻酸钠薄膜，是一种柔性衬底。海藻酸钠薄膜的厚度可以影响传输谱吸收峰的频率及强度。优选地，所述金属层及半导体薄膜的外环、中环、内环的宽度根据所选用的金属和半导体优化调节。更优选地，所述外环的直径小于海藻酸钠衬底的边长。优选地，所述半导体薄膜为球状、片状、花状等不同形状。优选地，所述金属层的材料为Mo，Zn等。优选地，所述半导体薄膜的材料为ZnO，SnO2等。根据本专利技术的第二方面，提供一种上述基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1：将海藻酸钠衬底制作于玻璃衬底上；S2：使用Si掩膜在海藻酸钠衬底上先沉积金属层；S3：在金属层上喷涂球状、片状、花状任一种形状的半导体薄膜；S4：将半导体层、金属层以及海藻酸钠衬底从玻璃衬底上剥离。优选地，所述海藻酸钠衬底为海藻酸钠薄膜，所述海藻酸钠薄膜由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃衬底上，然后放进烘箱中烘干水分而形成，海藻酸钠薄膜的厚度可由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃片上的转速决定。与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，其特征在于，包括：海藻酸钠衬底，以及设置于海藻酸钠衬底上图形化的金属层及半导体薄膜；所述金属层和所述半导体薄膜的图形完全相同，均由三个同圆心的圆环组成，三个圆环从外到内分别为外环、中环和内环，其中：在外环上有三个等距分布的开口，中环上有等距分布的两个开口，内环上有一个开口，且外环、中环和内环上的开口大小均相同；外环上三个开口中的一个与中环上的一个开口对齐，中环上的另一个开口和内环上的开口对齐。

【技术特征摘要】
1.一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，其特征在于，包括：
海藻酸钠衬底，以及设置于海藻酸钠衬底上图形化的金属层及半导体薄膜；
所述金属层和所述半导体薄膜的图形完全相同，均由三个同圆心的圆环组
成，三个圆环从外到内分别为外环、中环和内环，其中：在外环上有三个等距分
布的开口，中环上有等距分布的两个开口，内环上有一个开口，且外环、中环和
内环上的开口大小均相同；外环上三个开口中的一个与中环上的一个开口对齐，
中环上的另一个开口和内环上的开口对齐。
2.根据权利要求1所述的基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，其
特征在于，所述海藻酸钠衬底为海藻酸钠薄膜，为一种可降解的柔性衬底，且在
太赫兹波段损耗低。
3.根据权利要求2所述的一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，
其特征在于，所述海藻酸钠衬底的厚度为5-200μm。
4.根据权利要求1所述的基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，其
特征在于，所述外环的直径小于海藻酸钠衬底的边长。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材
料，其特征在于，所述半导体薄膜，在光激发下产生载流子，通过改变光的功率
控制太赫兹超材料的电导率来实现对电磁响应的共振强度的连续调谐。
6.根据权利要求5所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，归弇，赵小青，刘景全，杨春生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31