一种激光直写相变材料的太赫兹微纳结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种激光直写相变材料的太赫兹微纳结构及其制备方法，制备方法，包括下述步骤：S1采用磁控溅射工艺在基底上溅射一层相变材料层；S2在相变材料层上溅射SiO2保护层；S3通过激光诱导相变材料层中的相变材料部分区域从非晶态转变为晶态，并控制双轴位移台打印出大面积晶态图案阵列，获得太赫兹微纳结构或器件。其中，采用InSbTe系列材料作为溅射相变材料层的靶材。相变材料层的厚度为20nm~800nm，表面粗糙度为0.1nm~20nm。激光光斑直径为0.3um~5um，样品接收的激光脉冲峰值功率为20mW~400mW，重频为1Hz~80000Hz，脉冲宽度为10ns~2000ns。本发明专利技术采用激光直写实现太赫兹全光调控的超薄等离子超表面器件；程序简单，机械成本低，精度高且稳定。精度高且稳定。精度高且稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种激光直写相变材料的太赫兹微纳结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于太赫兹波调制
，更具体地，涉及一种激光直写相变材料的太赫兹微纳结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]光学超表面是一种由亚波长微纳结构阵列组成的人工二维结构，可灵活调控电磁波，为光场调控及光信息处理提供了一个紧凑而强大的平台，在光信息器件中扮演着极其重要的角色。从周期性开口环/线结构到非周期性、特定相位分布的超表面，随着微纳加工技术的不断进步，超表面的结构越来越复杂，工艺也越来越复杂。现有的较为成熟的工艺流程是光刻技术+刻蚀技术这种自上而下的方法，例如：光学光刻+刻蚀，电子束直写+刻蚀等；其次是自组装法、沉淀/沉积、溶胶凝胶法等自下而上的工艺方法，而相变材料直写超表面在工艺上就简单很多，制备难度也会降低。此外，相变材料相对于金属具有外场（光场、电场）可调控的特点，可为超表面带来动态的特性。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种激光直写相变材料的太赫兹微纳结构及其制备方法，旨在解决现有技术中制备太赫兹微纳结构极度依赖复杂的光刻工艺和光刻设备的问题。另外，制备的调制器由于采用固定的金属结构，一旦制备完成，基本不具有可调性，如果要实现有源调制，则需要增加多道工序，如溅射旋涂薄膜，二次光刻（定标、套刻等等），极大提高成本。
[0004]本专利技术提供的激光直写相变材料的太赫兹微纳结构的制备方法，包括下述步骤：S1采用磁控溅射工艺在基底上溅射一层相变材料层；S2在相变材料层上溅射SiO2保护层；S3通过激光诱导所述相变材料层中的相变材料部分区域从非晶态转变为晶态，并控制双轴位移台打印出大面积晶态图案阵列，获得太赫兹微纳结构。
[0005]其中，相变材料层的厚度为20nm~800nm，表面粗糙度为0.1nm~20nm。薄膜厚度太厚会增加对太赫兹波的吸收，降低太赫兹频率下晶态和非晶态的对比度，也不利于器件的小型化。此外，薄膜过厚也会影响激光直写的效果，由于热传导的效应以及热量不能快速释放，会使激光直写边沿非晶区域部分晶化，降低激光直写的精度。该原理适用于SiO2保护层厚度。
[0006]作为本专利技术的一个优选实施例，可以采用In3Sb1Te2作为溅射所述相变材料层的靶材。
[0007]其中，SiO2保护层的厚度为10nm~100nm。
[0008]更进一步地，步骤S3中激光光斑直径为0.3um~5um，样品接收的激光脉冲峰值功率为20mW~400mW，重频为1Hz~80000Hz，脉冲宽度为10ns~2000ns。激光控制参数非常关键，如果激光各项参数不正确，会导致材料相变不成功或直接损坏相变材料薄膜。
[0009]更进一步地，控制双轴位移台打印出大面积晶态图案阵列的方法具体包括：S31输入激光参数和阵列参数；S32在激光控制下打印出单个图案；S33判断是否完成列周期，若是，则进入步骤S35，若否，则转入步骤S34；S34：控制位移台沿y轴继续移动到下一个图案起始点，并返回至步骤S32；S35：控制位移台沿y轴移动至初始点；S36：控制位移台沿x轴移动至下一列；S37：判断是否完成行周期，若是，则结束；若否，则返回至步骤S32。
[0010]其中，图案阵列可以为开口环阵列、点阵、光栅阵列或者雪花形阵列。
[0011]本专利技术还提供了一种基于上述的制备方法获得的太赫兹微纳结构。
[0012]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术具有如下技术效果和优点：（1）常用的非易失性相变材料为GeSbTe（简称GST）系列，该系列相变材料在太赫兹波下不具有高光学对比度，晶态下的材料电子离域性低，太赫兹波吸收强，不能实现纳米级厚度的等离子体效应，调制能力有限；而本专利技术采用宽频高光学对比度相变材料InSbTe（简称IST）系列恰好可以克服上述缺陷。
[0013]（2）本专利技术无需昂贵的光刻机和复杂的套刻技术，采用激光直写实现太赫兹全光调控的超薄等离子超表面器件；并可以实现90%/5%以上的透过率对比度。
[0014]（3）本专利技术采用激光直写系统，图形直接通过激光加热相变材料获得，不需要后续显影和刻蚀步骤，程序简单，机械成本低，精度高且稳定。因此调制器可以大面积打印，且精度可达到1um量级，符合太赫兹波器件参数的需求。如需增加精度，可以通过使用高倍物镜、短波长激光光源、高精度位移平台达到百纳米量级的精度。
[0015]（4）本专利技术可以通过调整激光的功率和脉冲持续时间来控制相变加热温度，从而控制材料的相变程度，使器件功能更多样化，如多相调控。
[0016]（5）采用本专利技术的方法制备的器件精度高，可通过图案化控制太赫兹波的振幅、相位、偏振，具有选频滤波、吸波、波束调控的能力。
[0017]（6）采用本专利技术的方法制备的器件具有光敏特性，可受红外及可见光激光功率的调制，具有超快的调制能力，响应时间小于10ps。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例提供的激光直写相变材料的太赫兹微纳结构的制备方法实现流程图；图2为本专利技术实施例提供的激光打印等离子体超表面装置的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的用于控制双轴位移台打印晶态图案阵列的方法的流程图；图4为本专利技术实施例提供的单层IST薄膜晶态和非晶的对比度；实线为非晶态IST，虚线为晶态IST；图5为本专利技术实施例提供的打印的太赫兹超表面调制器对太赫兹振幅和偏振的控制示意图；
图6为本专利技术实施例提供的打印的太赫兹微纳结构在皮秒（ps）量级时间内对不同偏振太赫兹波振幅的调制示意图。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0020]本专利技术提供了一种可大面积打印的光可控制太赫兹波强度、频率、相位、偏振的太赫兹微纳结构及制作方法；该太赫兹微纳结构可快速、高效且低耗能的操控太赫兹波的强度、频率、相位和偏振。
[0021]如图1所示，本专利技术实施例提供的太赫兹微纳结构的制备方法包括下述步骤：S1采用磁控溅射工艺在基底上溅射一层相变材料层；其中，还需要对选取的基底进行清洗和干燥处理；作为本专利技术的一个实施例，基地材质可以选择SiO2，蓝宝石或柔性材料PET等等，具体选择可根据实际运用决定：如用于超快调制建议使用SiO2，蓝宝石等不可光激发的基底，避免影响响应速度；如用于吸收器，可使用硅、SOI波导基底增加吸收；如由于生物传感，则可选择柔性材料基底。
[0022]在本专利技术的实施例中，基地的材质种类以及各项参数并不受特别限制。如作为调制器，可选择对太赫兹透过率高的基底材料，如作为吸收器，可选择低透过率或高吸收材料。此外，也可以选择高硬度的玻璃、硅、蓝宝石、具有氧化层的硅片等，或柔性材料如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯等。基片厚度也可根据需求不受限制。
[0023]作为本专利技术的一个实施例，相变材料层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光直写相变材料的太赫兹微纳结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：S1采用磁控溅射工艺在基底上溅射一层相变材料层；S2在相变材料层上溅射SiO2保护层；S3通过激光诱导所述相变材料层中的相变材料部分区域从非晶态转变为晶态，并控制双轴位移台打印出大面积晶态图案阵列，获得太赫兹微纳结构。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相变材料层的厚度为20nm~800nm，表面粗糙度为0.1nm~20nm。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相变材料层采用InSbTe系列相变材料。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用InSbTe系列作为溅射所述相变材料层的靶材。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述SiO2保护层的厚度为10nm~100nm。6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述激光，光斑直径为0.3um~5um，样品接收的激光脉冲峰值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李培宁，曾颖，卢敦柱，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：