一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法技术

本发明专利技术属于微纳光电器件电磁波调控及传感检测技术领域，特别是涉及一种用于远红外域折射率传感器的偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法，该超表面包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。该超表面由于结构上的高度对称性，对激发电磁波偏振不敏感；且可以通过几何参数的调制，获得远红外域高调制深度、高Q值的Fano共振线形；同时由于构筑超表面的基材首选全介质Si和SiO2材料，工艺成熟，简单易行，制作成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法
本专利技术属于微纳光电器件电磁波调控及传感检测
，特别是涉及一种用于远红外域折射率传感器的偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法。
技术介绍
电磁波谱中，远红外域蕴含着重要的信息，有着重要的科学价值。比如天体之间的辐射，生物、医学领域的成像与检测，资源探测、光通讯等领域都离不开对远红外信号的获取与识别。高性能远红外传感器的研发，对天体物理、新材料研究以及医学与生物学应用意义重大。近几年来，利用人工设计的超材料或超表面来裁剪和操控电磁波，以获得高谐振Q因子传感器已经越来越受到关注。传统的超材料或超表面结构是通过由周期性排列的金属微纳结构等离激元共振及其单元间的耦合来实现电磁波或光波的操控。而金属材料在可见光和红外域有较大的本征损耗，难以实现高Q值的电磁响应。利用高折射率的全介质替代金属基材来构建超材料或超表面可以克服金属基材的本征损耗影响，实现高灵敏度的折射率传感探测。然而目前多数全介质超材料或超表面是通过非对称结构或开口谐振环以获得类电磁诱导透明(EIT)或Fano共振谱线的细锐峰或谷，从而实现高灵敏度探测。这些非对称结构或开口谐振环因为结构的非对称性和开口的方向性，对激发电磁波常常是偏振敏感的，在实际应用中缺乏重复性和灵活性。设计以及实现偏振不敏感的高灵敏度传感超表面成为该领域亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法，该超表面由于结构上的高度对称性，对激发电磁波偏振不敏感；且可以通过几何参数的调制，获得远红外域高调制深度、高Q值的Fano共振线形；同时由于构筑超表面的基材首选全介质Si和SiO2材料，工艺成熟，简单易行，制作成本低廉。为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：本专利技术提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。进一步地，所述基底的全介质材料的折射率大于1.4且小于等于5。进一步地，所述基底的全介质材料选用SiO2。进一步地，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料的折射率大于2且小于等于6。进一步地，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料选用Si。进一步地，超表面单元尺寸几何参数如下：单元周期Px＝Py＝180～220μm；基底厚度h1＝20～60μm；双环厚度h2＝20～60μm；从外向内各圆半径r1＝60～75μm，r2＝45～60μm，r3＝30～45μm，r4＝15～30μm。本专利技术还提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，包含以下步骤：步骤1，选取SiO2基底，用磁控溅射设备在基底上溅射Si，再在硅层上溅射一层Si3N4作为硬掩膜；步骤2，在步骤1所得的Si3N4表面旋涂光刻胶；步骤3，用电子束曝光设备，将设计好的同心双闭合环图案对步骤2所得的样品的光刻胶面进行曝光，形成带有图案的光刻胶层；步骤4，对步骤3所得的样品显影3～5分钟，再定影20～40秒，去除被曝光的光刻胶，冲洗烘干处理后，在Si3N4层得到所需阵列图形，形成Si3N4掩膜版；步骤5，利用Bosch工艺进行深硅刻蚀，交替转换刻蚀气体与钝化气体，进行刻蚀与边壁钝化，使得Si3N4掩膜版的图形转移到硅层上。进一步地，在步骤5之后，还包括：步骤6，采用磷酸去除多余的Si3N4层。进一步地，所述刻蚀气体采用SF6，所述钝化气体采用C4F8。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、由于共振单元首选全介质基材，基底选用红外低损耗介质材料，在远红外域1300～1500GHz内，首度实现调制深度大于0.8，Q值高于450的Fano共振谷，获得折射率灵敏度高于600GHz/RIU传感探测。2、由于结构上具有高度对称性，保持超高Q值、超高折射率灵敏度的同时，对激发远红外波偏振不敏感，应用更加灵活。3、超表面所用基材首选CMOS技术兼容材料Si和SiO2，丰度高，工艺成熟，制作成本低廉。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是超表面单元的结构示意图；图2是图1的正视结构示意图；图3是超表面周期阵列的结构示意图；图4是图3的正视结构示意图；图5是超表面在不同偏振状态下的Fano透射谱(其中θ为偏振角：为了清晰区分，θ为15°，30°，45°时，谱线依次上移0.1单位)；图6是对不同折射率的气体样品测试所得Fano透射谱；图7是Fano共振谷光谱位置随待测样品折射率的变化曲线。图1中序号所代表的含义：1.基底，2.同心双闭合介质谐振环单元。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的核心是提供一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构及制作方法，对激发远红外波偏振不敏感，并具有超高折射率灵敏度。为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。实施例一如图1至图4所示，本实施例提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，包括基底1和位于基底1表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元2；所述基底1和同心双闭合介质谐振环单元2所用基材为全介质材料。进一步地，所述基底1的全介质材料的折射率大于1.4且小于等于5。优选地，所述基底1的全介质材料选用SiO2。进一步地，所述同心双闭合介质谐振环单元2的全介质材料的折射率大于2且小于等于6。优选地，所述同心双闭合介质谐振环单元2的全介质材料选用Si。SiO2和Si材料，丰度高，工艺成熟，制作成本低廉。超表面单元尺寸几何参数如下：单元周期Px＝Py＝180～220μm；基底厚度h1＝20～60μm；双环厚度h2＝20～60μm；从外向内各圆半径r1＝60～75μm，r2＝45～60μm，r3＝30～45μm，r4＝15～30μm。通过几何参数的调制，可以获得远红外域高调制深度，高Q值的Fano共振谷，实现高灵敏度的折射率传感探测。该超表面由于具有高对称性，对激发电磁波偏振不敏感。本实施例还提供了一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构的制作方法，包含以下步骤：步骤S101，选取SiO2基底，用磁控溅射设备在基底上溅射一定厚度的Si，再在硅层上溅射一层Si3N4作为硬掩膜；步骤S102，在步骤S101所得的Si3N4表面旋涂一定厚度的光刻胶；步骤S103，用电子束曝光设备，将设计好的同心双闭合环图案对步骤S102所得的样品的光刻胶面进行曝光，形成带有图案的光刻胶层；步骤S104，对步骤S103所得的样品显影3～5分钟，再定影20～40秒，去除被曝光的光刻胶，冲洗烘干处理后，在Si3N4层得到所需阵列图形，形成Si3N4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。

【技术特征摘要】
1.一种远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的同心双闭合介质谐振环单元；所述基底和同心双闭合介质谐振环单元所用基材为全介质材料。2.根据权利要求1所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述基底的全介质材料的折射率大于1.4且小于等于5。3.根据权利要求2所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述基底的全介质材料选用SiO2。4.根据权利要求1所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料的折射率大于2且小于等于6。5.根据权利要求4所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，所述同心双闭合介质谐振环单元的全介质材料选用Si。6.根据权利要求1所述的远红外域偏振不敏感全介质超表面结构，其特征在于，超表面单元尺寸几何参数如下：单元周期Px＝Py＝180～220μm；基底厚度h1＝20～60μm；双环厚度h2＝20～60μm；从外向内各圆半径r1＝60～75μm，r2＝45～60μm，r3...

【专利技术属性】
技术研发人员：田明丽，何金娜，姬鹏飞，万明理，李勇，宋月丽，周丰群，袁书卿，
申请(专利权)人：平顶山学院，
类型：发明
国别省市：河南,41