表面等离激元薄膜的制备方法和制备多层膜超材料的方法技术

本发明专利技术提供一种表面等离激元薄膜的制备方法和制备多层膜超材料的方法，所述表面等离激元薄膜的制备方法包括：在磁控溅射过程中，通过调控溅射速度和原子沉积动能，制备平整度为原子级的表面等离激元薄膜，其中所述溅射速度控制在2

【技术实现步骤摘要】
表面等离激元薄膜的制备方法和制备多层膜超材料的方法


[0001]本专利技术涉及薄膜制备
，尤其涉及一种表面等离激元薄膜的制备方法和制备多层膜超材料的方法。

技术介绍

[0002]表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPP）是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，纳米尺度介质
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金属纳米薄膜
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介质的三明治结构则形成表面等离激元波导，它具有一般介质波导所不具有的全新特性，也是微纳光电子典型的代表结构之一。
[0003]表面等离激元波导具有以下新颖的光电特性：（1）单偏振特性：表面等离激元是金属表面自由电子和光场相互耦合产生的特殊电磁场模式，其是一种TM偏振的电磁波，不支持TE偏振的模式。因此可以利用表面等离激元波导获得单一偏振态的波导，可以实现起偏器和偏振分束器。
[0004]（2）光、电同传特性：金属表面等离激元波导利用金属导引光的传播，区别于传统介质波导，中间金属结构除了传导光还可以当成电的导线，因此可以实现“光”、“电”共线传输。当周围介质材料对电场或热敏感时，可以利用电来调控周围介质材料的折射率，从而对表面等离激元波导模式实现调控。
[0005]（3）折射率敏感性：表面等离激元作为一种表面电磁波，对金属表面介质折射率的变化或物质形貌异常敏感，微小的介质折射率变化或物质厚度的变化将导致表面等离激元波的传输相位、强度或模场分布的剧烈变化。
[0006]表面等离激元波导的独特性质带来了应用上的突破，基于单偏振特性，可以实现集成度非常高的光学起偏器、偏振分束器；基于波导光、电同传特性，可以利用同一波导结构同时传输光信号和电信号，并且利用电信号对光进行有效调控，实现可变衰减器、调制器等；而表面等离激元波导的折射率敏感性，可以实现集成度高、灵敏度高的生化传感芯片，探测物质折射率的变化或者生物抗体、抗原分子的反应过程。
[0007]磁控溅射是一种常见的金属、半导体或绝缘体薄膜沉积工艺，属于物理气相沉积方法（Physical Vapor Deposition，PVD）的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大且附着力强等诸多优势。其原理是用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面，与表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上，从而实现材料镀膜。目前磁控溅射法在诸如太阳能电池、微电子芯片和光学材料领域有着广泛应用。
[0008]现有的常见磁控溅射技术主要基于等离子体化的氩（Ar）离子对靶材的高速撞击。以溅射金属金为例，当高速氩离子撞击金靶时，由于能量和动量的守恒，金靶表面的金原子会以一定的初动能脱离靶材，当大量金原子下落至衬底表面时即逐渐沉积成薄膜。受限于上述磁控溅射的基本原理，利用溅射法制备表面等离激元金属薄膜主要存在以下问题：（1）难以控制薄膜厚度。
[0009]表面等离激元模式的损耗随着金属膜厚度的减小而迅速下降，因此需要将金属膜厚度减小到十几纳米以下，并且需要精确控制金属膜的厚度使得表面等离激元模式的模场
与激励耦合光纤的模场匹配，以实现有效的端面激励。然而在磁控溅射过程中，通过控制溅射功率很难实现单位时间沉积金属原子数量的精确控制，即使在较低的溅射功率下，实现10nm以下金属薄膜的沉积也需要精确控制溅射时间至秒量级，加工难度很大。一旦溅射功率或者溅射时间出现偏差，制备极易失败，当溅射厚度过薄，金属难以成膜；而当溅射厚度过厚，金属薄膜表面等离激元模式损耗陡然上升，器件也将会无法使用。因此如何精确控制金属薄膜厚度至十几纳米量级是现有磁控溅射技术难以突破的瓶颈。
[0010]（2）难以控制平整度和表面起伏度。
[0011]理论上为获得低损耗表面等离激元模式，需要将金属膜厚度减小到十几纳米以下，但如果金属表面呈现颗粒状或存在较大的起伏，这些不平整将导致表面等离激元场被散射到自由空间中而产生极大的传输损耗。表面等离激元模式的这一特点要求金属薄膜具有原子级的平整度，然而基于磁控溅射的基本原理，氩离子撞击靶材打下来的金属原子在衬底上沉积的位置是完全随机的，因此原理上并不能保证金属完全均匀平整地沉积。同时由于金属原子之间存在一定的原子间作用力，金属原子在衬底表面会由于相互作用力而局部聚集成为晶体，即在衬底表面形成一个个颗粒，进一步破坏金属膜的平整性。因此现有磁控溅射技术难以实现原子层级平整的金属薄膜沉积。

技术实现思路

[0012]本专利技术提供一种表面等离激元薄膜的制备方法，用以解决现有技术中难以控制薄膜厚度和平整度的缺陷，实现制备厚度低至10nm且均匀平整、表面起伏度小于1nm的薄膜。
[0013]本专利技术还提供一种制备多层膜超材料的方法。
[0014]本专利技术提供一种表面等离激元薄膜的制备方法，包括：在磁控溅射过程中，通过调控溅射速度和原子沉积动能，制备平整度为原子级的表面等离激元薄膜，其中所述溅射速度控制在2
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5nm/min，所述原子沉积动能控制在5
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20eV。
[0015]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，所述溅射速度和所述原子沉积动能均由氩气等离子体浓度和溅射射频功率决定，所述氩气等离子体浓度由氩气压强决定。
[0016]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，当薄膜为金膜时，控制氩气压强为0.8
‑
0.9Pa，溅射射频功率为35
‑
40W。
[0017]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，当薄膜为铬膜时，控制氩气压强为0.92
‑
0.935Pa，溅射射频功率为49
‑
51W。
[0018]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，当薄膜为铝膜时，控制氩气压强为0.9
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0.91Pa，溅射射频功率为70
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80W。
[0019]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，当薄膜为钼膜时，控制氩气压强为0.87
‑
0.89Pa，溅射射频功率为135
‑
145W。
[0020]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，当薄膜为二氧化硅薄膜时，控制氩气压强为0.9
‑
0.91Pa，溅射射频功率为305
‑
315W。
[0021]根据本专利技术提供的表面等离激元薄膜的制备方法，通过控制溅射时间为2
‑
5min，得到厚度为10
±
2nm的表面等离激元薄膜。
[0022]另一方面，本专利技术还提供一种制备多层膜超材料的方法，包括：使用上述表面等离
激元薄膜的制备方法。
[0023]根据本专利技术提供的制备多层膜超材料的方法，所述多层膜超材料为金属薄膜与介质薄膜相互交替、每层膜表面起伏小于1nm的超材料。
[0024]根据本专利技术提供的制备多层膜超材料的方法，所述金属薄膜为金膜，所述介质薄膜为二氧化硅薄膜。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面等离激元薄膜的制备方法，其特征在于，包括：在磁控溅射过程中，通过调控溅射速度和原子沉积动能，制备平整度为原子级的表面等离激元薄膜，其中所述溅射速度控制在2
‑
5nm/min，所述原子沉积动能控制在5
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20eV。2.根据权利要求1所述的表面等离激元薄膜的制备方法，其特征在于，所述溅射速度和所述原子沉积动能均由氩气等离子体浓度和溅射射频功率决定，所述氩气等离子体浓度由氩气压强决定。3.根据权利要求2所述的表面等离激元薄膜的制备方法，其特征在于，当薄膜为金膜时，控制氩气压强为0.8
‑
0.9Pa，溅射射频功率为35
‑
40W。4.根据权利要求2所述的表面等离激元薄膜的制备方法，其特征在于，当薄膜为铬膜时，控制氩气压强为0.92
‑
0.935Pa，溅射射频功率为49
‑
51W。5.根据权利要求2所述的表面等离激元薄膜的制备方法，其特征在于，当薄膜为铝膜时，控制氩气压强为0.9
‑
0.91Pa，溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仿，李天畅，崔开宇，冯雪，张巍，黄翊东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：