可调控电磁波吸收的超材料晶体结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构及制备方法，制备包括：提供闪耀光栅衬底，表面形成有周期排布的锯齿状阵列结构，包括具有第一倾角的第一槽面及具有第二倾角的第二槽面；于闪耀光栅衬底上形成交替多层膜结构，包括若干个超材料结构单元，包括第一等效介电常数单元和第二等效介电常数单元，二者之间形成电磁波吸收界面，本发明专利技术的超材料晶体结构可按需调控电磁波的吸收，可以通过调控超材料晶体结构支持的界面波矢，所述多层膜的材料参数和光栅的闪耀角，可精确调控电磁波的特征吸收峰；通过调控超材料晶体结构的周期P，即光栅常数，可有效调控电磁波的吸收系数，可针对不同频段的电磁波的吸收调控，无需重新设计超材料晶体结构。

【技术实现步骤摘要】
可调控电磁波吸收的超材料晶体结构及其制备方法
本专利技术属于电磁超材料
，特别是涉及一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构及其制备方法。
技术介绍
目前，随着微纳加工技术的快速发展，新型人工微结构不断涌现，其中，电磁超材料是由亚波长或深亚波长的电磁响应单元阵列构成的人工微结构。相较于传统电磁材料，电磁超材料能更灵活的操控电磁波的传输、电磁波与物质的相互作用。例如，特殊设计的超材料的介电常数和磁导率可同时为负值，实现电磁波的负折射传输，这是自然材料所不具有的特性；同时，通过超材料调控电磁波与物质的相互作用，可实现诸如“隐身衣”、“超透镜”以及“人造黑洞(吸波体)”等新型电磁器件。因此，电磁超材料极大拓展了电磁材料库，实现更灵活地电磁波操控。其中，电磁波吸收特性的调控对光电器件、电磁波探测器等尤为重要。目前，电磁波吸收特性的调控主要利用自然材料对电磁波的本征吸收、人工微结构单元阵列或超材料对电磁波吸收的平均作用。相较于自然材料，人工微结构或超材料拥有更丰富的电磁特性，但特定结构的人工微结构或超材料往往只对特定频率(段)的电磁波有效，不具普适性；因此，针对不同频率(段)的电磁波，往往需要设计不同结构的人工微结构或超材料结构。因此，如何提供一种调控电磁波吸收的超材料晶体结构，以实现宽光谱吸收等特性，并在高效太阳能电池等光电器件方面发挥应用潜力实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构及其制备方法，用于解决现有技术中人工微结构或超材料往往只对特定频率(段)的电磁波有效，无法灵活的对各频段电磁波吸收特性调控均有效的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，包括如下步骤：1)提供一闪耀光栅衬底，且所述闪耀光栅衬底表面形成有周期排布的锯齿状阵列结构，其中，单一所述锯齿状阵列结构周期中包括具有第一倾角的第一槽面以及与所述第一槽面相连接的具有第二倾角的第二槽面；以及2)于所述闪耀光栅衬底上形成交替多层膜结构，所述交替多层膜结构包括若干个对应于单一所述锯齿状阵列结构周期的超材料结构单元，且所述超材料结构单元包括位于所述第一槽面上的第一等效介电常数单元和位于所述第二槽面上的第二等效介电常数单元；其中，所述第一等效介电常数单元的等效介电常数与所述第二等效介电常数单元的等效介电常数不同，使得所述第一等效介电常数单元与所述第二等效介电常数单元之间形成电磁波吸收界面，以形成可调控电磁波吸收的所述超材料晶体结构。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，所述交替多层膜结构中的单层膜层的厚度小于入射波波长的1/10。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，依据单一所述锯齿状阵列结构周期的大小调整电磁波的吸收系数，其中，所述电磁波的吸收系数随着单一所述锯齿状阵列结构周期的减小而增大。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，所述交替多层膜结构由至少两种不同材料构成的膜层单元交替叠置形成，且所述膜层单元的材料与所需要调控的电磁波的频段相对应。作为本专利技术的一种优选方案，所述交替多层膜结构包括第一膜层单元及第二膜层单元，所述第一膜层单元与所述第二膜层单元交替叠置设置，且所述第一膜层单元与所述第二膜层单元的厚度比依据需要的所述交替多层膜结构的等效介电常数设置。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，所述闪耀光栅衬底包括单晶材料衬底。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，单一所述锯齿状阵列结构周期中，所述第一槽面及所述第二槽面的设置方式包括对称设置及非对称设置中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，所述闪耀光栅衬底表面形成周期排布的所述锯齿状阵列结构的方式选自于低能离子辐照、各向异性刻蚀、高温退火、压印技术以及半导体异质外延技术中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，进行所述低能离子辐照的过程中还包括：同时对所述闪耀光栅衬底进行加热处理，其中，进行所述加热处理的温度介于所述闪耀光栅衬底材料的再结晶温度与材料表面台阶的Ehrlich-Schwoebel势垒失效温度之间。作为本专利技术的一种优选方案，通过调整所述第一倾角、所述第二倾角、所述交替多层膜结构的材料以及所述交替多层膜结构中单层膜层之间的厚度比中的任意一种调节电磁波的特征吸收峰。本专利技术还提供一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构，包括：闪耀光栅衬底，所述闪耀光栅衬底表面形成有周期排布的锯齿状阵列结构，其中，单一所述锯齿状阵列结构的周期中包括具有第一倾角的第一槽面以及与所述第一槽面相连接的具有第二倾角的第二槽面；以及交替多层膜结构，位于所述闪耀光栅衬底上，所述交替多层膜结构包括若干个对应于单一所述锯齿状阵列结构周期的超材料结构单元，且所述超材料结构单元包括位于所述第一槽面上的第一等效介电常数单元和位于所述第二槽面上的第二等效介电常数单元；其中，所述第一等效介电常数单元的等效介电常数与所述第二等效介电常数单元的等效介电常数不同，使得所述第一等效介电常数单元与所述第二等效介电常数单元之间形成电磁波吸收界面。作为本专利技术的一种优选方案，依据单一所述锯齿状阵列结构周期的大小调整电磁波的吸收系数，所述电磁波的吸收系数随着单一所述锯齿状阵列结构周期的减小而增大；通过调整所述第一倾角、所述第二倾角、所述交替多层膜结构中单层膜层的材料以及所述交替多层膜结构中单层膜层之间的厚度比中的任意一种调节电磁波的特征吸收峰。作为本专利技术的一种优选方案，所述交替多层膜结构由至少两种不同材料构成的膜层单元交替叠置形成，且所述膜层单元的材料与所需要调控的电磁波的频段相对应；所述闪耀光栅衬底包括单晶材料衬底。作为本专利技术的一种优选方案，所述交替多层膜结构中的单层膜层的厚度小于入射波波长的1/10。如上所述，本专利技术的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构及其制备方法，具有以下有益效果：本专利技术提供的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构可以按需调控电磁波的吸收，可以通过调控超材料晶体结构支持的界面波矢，所述多层膜的材料参数和光栅的闪耀角，可精确调控电磁波的特征吸收峰；通过调控超材料晶体结构的周期P，即光栅常数，可有效调控电磁波的吸收系数。同时，本专利技术提出的超材料晶体结构对各频段电磁波吸收特性的调控均有效，针对不同频段的电磁波的吸收调控，无需重新设计超材料晶体结构。附图说明图1显示为本专利技术提供的超材料晶体结构的制备工艺流程图。图2显示为本专利技术提供的超材料晶体结构的制备中提供的闪耀光栅衬底结构示意图。图3显示为本专利技术提供的超材料晶体结构的制备中形成交替多层膜结构的示意图。图4显示为本专利技术的示例中提供的超材料晶体结构与现有平坦多层膜的吸收率曲线。图5显示为本专利技术的示例中提供的超材料晶体结构吸收率曲线随光栅周期的变化。图6显示为本专利技术的示例中提供的超材料晶体结构吸收率曲线随光栅闪耀角的变化。图7显示为具有不同倾角的交替多层膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)提供一闪耀光栅衬底，且所述闪耀光栅衬底表面形成有周期排布的锯齿状阵列结构，其中，单一所述锯齿状阵列结构周期中包括具有第一倾角的第一槽面以及与所述第一槽面相连接的具有第二倾角的第二槽面；以及/n2)于所述闪耀光栅衬底上形成交替多层膜结构，所述交替多层膜结构包括若干个对应于单一所述锯齿状阵列结构周期的超材料结构单元，且所述超材料结构单元包括位于所述第一槽面上的第一等效介电常数单元和位于所述第二槽面上的第二等效介电常数单元；/n其中，所述第一等效介电常数单元的等效介电常数与所述第二等效介电常数单元的等效介电常数不同，使得所述第一等效介电常数单元与所述第二等效介电常数单元之间形成电磁波吸收界面，以形成可调控电磁波吸收的所述超材料晶体结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供一闪耀光栅衬底，且所述闪耀光栅衬底表面形成有周期排布的锯齿状阵列结构，其中，单一所述锯齿状阵列结构周期中包括具有第一倾角的第一槽面以及与所述第一槽面相连接的具有第二倾角的第二槽面；以及
2)于所述闪耀光栅衬底上形成交替多层膜结构，所述交替多层膜结构包括若干个对应于单一所述锯齿状阵列结构周期的超材料结构单元，且所述超材料结构单元包括位于所述第一槽面上的第一等效介电常数单元和位于所述第二槽面上的第二等效介电常数单元；
其中，所述第一等效介电常数单元的等效介电常数与所述第二等效介电常数单元的等效介电常数不同，使得所述第一等效介电常数单元与所述第二等效介电常数单元之间形成电磁波吸收界面，以形成可调控电磁波吸收的所述超材料晶体结构。


2.根据权利要求1所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述交替多层膜结构中的单层膜层的厚度小于入射波波长的1/10。


3.根据权利要求1所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，步骤2)中，依据单一所述锯齿状阵列结构周期的大小调整电磁波的吸收系数，其中，所述电磁波的吸收系数随着单一所述锯齿状阵列结构周期的减小而增大。


4.根据权利要求1所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述交替多层膜结构由至少两种不同材料构成的膜层单元交替叠置形成，且所述膜层单元的材料与所需要调控的电磁波的频段相对应。


5.根据权利要求4所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，所述交替多层膜结构包括第一膜层单元及第二膜层单元，其中，所述第一膜层单元与所述第二膜层单元交替叠置设置，且所述第一膜层单元与所述第二膜层单元的厚度比依据需要的所述交替多层膜结构的等效介电常数设置。


6.根据权利要求1所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述闪耀光栅衬底包括单晶材料衬底。


7.根据权利要求1所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中，单一所述锯齿状阵列结构周期中，所述第一槽面及所述第二槽面的设置方式包括对称设置及非对称设置中的任意一种。


8.根据权利要求1所述的可调控电磁波吸收的超材料晶体结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述闪耀...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，张师斌，林家杰，黄浩，游天桂，黄凯，王曦，
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：上海;31