三明治型金属超结构的红外辐射光源及制作方法技术

本发明专利技术属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种“三明治”型金属超结构的红外辐射光源及制作方法。一种“三明治”型金属超结构的红外辐射光源：包括ITO/IZO基片、在基片上沉积的孔洞阵列结构金属薄膜层、电介质层、以及在电介质层上制备的长方体状金属阵列结构。利用孔洞阵列结构光学异常透射增强效应和特定形貌微纳结构局域表面等离激元共振天线辐射增强效应耦合可以增强表面等离激元MEMS红外光源辐射，同时通过调整金属阵列和电介质层结构的几何参数可以实现对等离激元MEMS红外光源工作波段的调整和线宽的压窄。本发明专利技术中涉及的基于金属超表面的金属阵列结构具有很好的可扩展性，并且制作工艺简单、容易实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种“三明治”型金属超结构的红外辐射光源及制作方法。
技术介绍
红外辐射在军事、医疗、事故搜救、遥感测量等领域具有非常重要的应用，比如红外战斗标识能够有效地避免联合作战中友军误伤；在搜索和救援行动中，红外标识信号可以极大地提高救援和搜索的成功率，此外红外标识在路线标记、飞机降落指引、船舶引航、以及军事目标的识别与跟踪等红外无线通信应用方面具有良好的应用前景。目前采用MEMS工艺制备的新型MEMS红外辐射光源具有高电光转化效率、多波段光谱输出、体积小、工作可靠以及可批量生产等优点，但是，也存在线宽不够窄，波长选择性差、长距探测受限等缺陷。针对目前MEMS红外辐射光源的线宽大、滤波性差、长距探测受限等问题，本专利技术提出了基于ITO/IZO基片“三明治”型复合超表面结构的表面等离激元增强MEMS红外辐射光源结构。
技术实现思路
本专利技术针对目前MEMS红外辐射光源的线宽大、滤波性差、长距探测受限等问题，提供了“三明治”型金属超结构的MEMS红外辐射光源及制作方法。本专利技术是采用如下的技术方案实现的：“三明治”型金属超结构的红外辐射光源，包括ITO/IZO基片、在基片上沉积的孔洞阵列结构金属薄膜层、电介质层、以及在电介质层上制备的长方体状金属阵列结构，底层的孔洞阵列结构金属薄膜层、中层的电介质层和顶层的长方体状金属阵列结构构成“三明治”型金属超结构。利用孔洞阵列结构光学异常透射增强效应和长方体状金属阵列结构局域表面等离激元共振天线辐射增强效应耦合可以显著增强MEMS红外光源辐射，同时通过调整金属阵列和电介质层结构的几何参数可以实现MEMS红外光源工作波段的调整和线宽的压窄。基本工作原理是：“三明治”型金属超结构在光激发下产生等离激元共振，一方面，金属超结构在外场激发下产生局域表面等离激元共振而发生能量聚集增强辐射能力，另一方面，电子的集体震荡导致欧姆损耗产生的热而增强红外辐射。采用MEMS技术，利用表面等离激元共振结构对黑体热辐射光谱有增强透射和滤波剪裁特性，可制成能够发射高性能、窄线宽可调谐的等离激元MEMS红外辐射源。因此，开展表面等离激元共振效应增强MEMS红外辐射的研究工作具有非常重要的研究意义和潜在应用价值。将基于表面等离激元增强红外辐射的金属超结构应用于增强红外辐射具有很好的创新性。上述“三明治”型金属超结构的红外辐射光源的制造方法，包括以下步骤：第一步：在ITO/IZO基片上匀一层负光刻胶；第二步：采用电子束曝光系统对ITO/IZO基片上的负光刻胶进行曝光，并进行显影、定影处理；第三步：利用磁控溅射薄膜沉积系统向基片上沉积金属薄膜；第四步：采用Lift off工艺将光刻胶和光刻胶上面附着的金属去除，在基片上得到孔洞阵列结构金属薄膜层；第五步：继续在ITO/IZO基片上利用化学气象沉积法生长一层电介质层（该电介质层要透光性好）；第六步：在电介质层上匀一层正光刻胶；第七步：采用套刻工艺对甩在电介质层上的正光刻胶进行曝光、显影、定影；第八步：再一次利用磁控溅射镀金属薄膜；第九步：利用Lift off工艺去除光刻胶和光刻胶上面的金属，得到长方体状金属阵列结构，最终得到“三明治”型金属超结构。本专利技术提出了一种基于表面等离激元“三明治”型金属超结构的红外辐射光源。该MEMS红外辐射光源阵列结构由孔洞阵列结构金属薄膜层-介质层-长方体状金属阵列结构组成，不同阵列结构参数下可以实现对MEMS红外辐射光源工作波段的调整、透射增强和线宽的压窄。附图说明图1为本专利技术的整个工艺流程示意图。图2为本专利技术的工艺流程效果图。图3为单个“三明治”型金属超结构红外辐射光源的截面图，图中：1-ITO/IZO基底，2-孔洞阵列结构金属薄膜层，3-电介质层，4-长方体状金属阵列结构。图4为“三明治”型金属超结构红外辐射光源的结构示意图，其中底层孔洞阵列结构金属薄膜层的厚度为t，中间电介质层的厚度为d，顶层长方体状金属阵列结构的厚度为h，长度为l，宽度为w，顶层长方体金属阵列结构前后左右之间的距离分别为P2、P1。图5为有长方体状金属阵列结构和无顶层长方体状金属阵列结构时，表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线，结果表明增加顶层长方体状金属阵列结构可以实现对“三明治”型金属超结构红外辐射谐振峰位置的调控和光学透射的增强。图6为调整电介质层的厚度时得到的表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线，结果表明通过调整电介质层的厚度可以实现对“三明治”型金属超结构红外辐射谐振峰位置的调整。图7为调整底层孔洞阵列结构金属薄膜层的厚度时得到的表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线，结果表明增加底层孔洞阵列结构金属薄膜层的厚度可以实现对“三明治”型金属超结构红外辐射工作线宽的压窄，但是其透射强度会减弱。图8为调整顶层长方体状金属阵列结构的大小时得到的表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线，结果表明在顶层长方体状金属结构厚度一定的情况下，改变顶层长方体状金属阵列结构的面积可以实现对“三明治”型金属超结构谐振峰位置的调整和光学透射强度的改变。图9为调整长方体状金属阵列结构的阵列周期得到的表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线，结果表明随着长方体状金属阵列结构的阵列周期的增大其透射强度减小，但是透射峰变窄。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的整个加工工艺过程做进一步的详述。参照图一、图二，“三明治”型金属超结构的红外辐射光源：包括ITO/IZO基片、在基片上沉积的孔洞阵列结构金属（Ag）薄膜层、电介质层、以及在电介质层上制备的长方体状金属（Ag）阵列结构，底层的孔洞阵列结构金属薄膜层、中层的电介质层和顶层的长方体状金属阵列结构构成“三明治”型金属超结构。其中底层金属薄膜层的厚度为t，中间电介质层的厚度为d，顶层金属阵列结构的厚度为h，单个长方体金属块的长度为l，宽度为w，顶层金属阵列结构前后左右之间的距离分别为P2、P1。当金属超结构参数 t、d、l、w、P1、P2中任何一个参数发生变化时，表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线都会随之发生变化。因此可以通过合理的设计金属超结构参数来实现高发射性能、窄线宽且可调谐的等离激元MEMS红外辐射光源。金属超结构底层孔洞阵列结构金属薄膜层厚度（t）的调节，当t取不同的值时，表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线宽度会发生变化。而且随着t数值的增加，谐振谱线宽变窄，但是其透射强度减弱。金属超结构电介质层厚度（d）的调节，当d取不同的值时，表面等离激元增强红外辐射金属超结构的谐振谱线会发生漂移，而且随着d数值的增加，谐振谱线会发生蓝移。金属超结构顶层长方体状金属阵列结构大小的调节，改变顶层长方体状金属阵列结构的面积可以实现对“三明治”型金属超结构光学透射强度和谐振峰位置的调整。金属超结构的阵列周期发生改变时，表面等离激元增强红外辐射金属超结构的透射强度和谐振谱线宽也随之发生改变。增加金属超结构的阵列周期其谐振谱线宽会变窄，但是透射强度会减弱。上述基于表面等离激元增强红外辐射“三明治”型金属超结构的制造方法，包括以下步骤：第一步：在ITO/IZO基片上匀一层负光刻胶。第二步：采用电子束曝光系统对ITO/IZO基片上的负光刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
“三明治”型金属超结构的红外辐射光源，其特征在于包括ITO/IZO基片、在基片上沉积的孔洞阵列结构金属薄膜层、电介质层、以及在电介质层上制备的长方体状金属阵列结构。

【技术特征摘要】
1. “三明治”型金属超结构的红外辐射光源，其特征在于包括ITO/IZO基片、在基片上沉积的孔洞阵列结构金属薄膜层、电介质层、以及在电介质层上制备的长方体状金属阵列结构。2.如权利要求1所述的“三明治”型金属超结构的红外辐射光源的制造方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：在ITO/IZO基片上匀一层负光刻胶；第二步：采用电子束曝光系统对ITO/IZO基片上的负光刻胶进行曝光，并进行显影、定影处理；第三步：利用磁控溅射薄膜沉积系统向基片上沉积金属薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志东，闫树斌，崔建功，薛晨阳，张文栋，王瑞兵，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14