生成超材料的方法及由此生成的超材料技术

提供了一种生成在可见光-红外范围内可操作的超材料的方法。所述方法包括a)将导电材料层沉积在基板上；b)在所述导电材料层上形成电子束光刻胶层；c)使用电子束光刻将所述电子束光刻胶层图案化以形成有图案的基板；d)将贵金属层沉积在所述有图案的基板上；和e)除去所述光刻胶。提供了一种在所述可见光-红外范围内可操作的超材料，所述超材料在基板上包含具有约20nm至约40nm的最小线宽的裂环谐振器。还提供了一种用于化学或生物传感的透明光子器件或传感器，所述透明光子器件或传感器包含所述超材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生成超材料的方法及由此生成的超材料相关申请的交叉引用本申请引用并要求于2011年6月7日提交美国专利商标局的“FlexibleVis-IRMetamaterialsandTheirApplicationsinHighlySensitiveChemicalandBiologicalSensing”申请的优先权益，其正式指定的序列号为61/494,099。于2011年6月7日提交的所述申请的内容为了所有目的通过引用整体合并于此。
本专利技术涉及一种生成超材料的方法及由此生成的超材料。
技术介绍
超材料已经被显示为在光学领域增强等离子体和光子的设计和操纵的有效方式。通过在超材料内使用“人造原子”，例如裂环谐振器(SRR)，可获得具有超出传统、天然存在的材料或复合物的局限性的光学特性的超材料。在可见光和红外(vis-IR)区内实现超材料的电磁响应可能开启了全新范围的光子应用领域，例如安全成像、遥感以及可切换且可转换的光频谐振器件。还感兴趣的是在各种应用中，特别是在传感中向超材料提供柔性。将功能性、高性能的电子器件集成到机械柔性且可变形的基板上，这在柔性电子器件，例如柔性显示器、太阳能电池、纳米线电子器件和传感电路中提供了广阔前景。与例如硅和玻璃的刚性基板比较，基于柔性且可拉伸的塑料或弹性体的基板在柔性、透明度、轻质、便携性、低成本、适合操纵和生物相容性方面呈现巨大优势。另一方面，基于拓扑设计和对光的操纵的转换光学的最新进展使得柔性功能光学成为对控制光波来说有吸引力的选择，这可继而带来功能柔性光子器件的一体化，如在应变调谐应用中所证明的那样。在其它应用领域中，例如，超材料中的柔性使得有可能在重要的对象周围“包裹(wrap)”轻质、透明的超材料以充当光学斗篷(cloak)。制造超材料(特别是基于柔性材料的超材料)的现有技术方法包括在刚性和平坦的基板(例如硅和石英)上制造超材料后，使用直接转移法将超材料嵌入柔性的弹性基体中。然而，这些方法具有弊端，例如与所得超材料的分辨率相关的局限性，并且需要冗长的工艺序列。鉴于在可见光和红外范围内需要超材料具有极高的分辨率，对于这类应用的情况尤其如此。综上所述，需要一种改善的生成超材料的方法及由此生成的超材料，来缓解至少一些上述问题。
技术实现思路
在第一方面，本专利技术涉及生成在可见光-红外范围内可操作的超材料的方法。所述方法包括a)将导电材料层沉积在基板上；b)在所述导电材料层上形成电子束光刻胶层；c)使用电子束光刻将所述电子束光刻胶层图案化以形成有图案的基板；d)将贵金属层沉积在所述有图案的基板上；和e)除去所述光刻胶。在第二方面，本专利技术涉及通过根据第一方面的方法生成的超材料。在第三方面，本专利技术涉及在可见光-红外范围内可操作的超材料，所述超材料在基板上包含具有约20nm至约40nm的最小线宽的裂环谐振器。在第四方面，本专利技术涉及用于化学或生物传感的透明光子器件或传感器，所述透明光子器件或传感器包含根据第二方面或第三方面的超材料。在第五方面，本专利技术涉及根据第二方面或第三方面的超材料在滤光器、磁滤波器(magnetofilter)、偏振检测器、光子器件和传感器中的用途。附图说明当结合非限制性实例以及附图考虑时，参考详细描述可更好地理解本专利技术，其中：图1A为U形裂环谐振器(SRR)的示意图，Lx表示x-方向的周期性；Ly表示y-方向的周期性；Sx和Sy分别表示裂环谐振器在x-方向和y-方向的边缘尺寸；b表示如图中所示的字母“U”的底部区域的厚度；w表示U形SRR的最小线宽。在示出的实施方式中，Lx=504nm，Ly=480nm，Sx=Sy=320nm，w=80nm，且b=128nm。图1B是显示降低用于在可见光频段(regime)内操作的单位单元的整个单位大小和周期性的示意图，其中w等于(i)80nm，(ii)70nm，(iii)60nm，(iv)50nm，(v)40nm，(vi)30nm。图1C是SRR的单位单元的一系列扫描电子显微镜(SEM)图像，其中w等于(i)80nm，(ii)70nm，(iii)60nm，(iv)50nm，(v)40nm，(vi)30nm(图像中的比例尺表示100nm)。图1D示出了在聚(萘二甲酸乙二醇酯)(PEN)基板上制造的具有w=80nm的SRR的典型的扫描电子显微镜(SEM)图像(45°倾斜)。图2A是显示用于银(Ag)超材料的SRR的实验透射谱的图，所述SRR具有不同侧面宽w，如图1所示。图2B是显示通过时域有限差分(FDTD)计算的用于银(Ag)超材料的SRR的透射谱的图。图2C是显示实验磁谐振峰(红色三角形)、实验电谐振峰(黑色圆点)、计算的磁峰(绿色正方形)，和计算的电谐振峰(蓝色空心正方形)随Ag超材料的w变化的图。如随后说明书中所说明的那样，图2C中的曲线为拟合曲线。图2D是显示用于金(Au)超材料的具有不同侧面宽w的SRR的实验透射谱的图。图2E是显示用于Au超材料的SRR的计算透射谱的图。图2F是显示实验磁谐振峰(红色三角形)、实验电谐振峰(黑色圆点)、计算的磁峰(绿色正方形)，和计算的电谐振峰(蓝色空心正方形)随Au超材料的w变化的图。如说明书后面所说明的那样，图2F中的曲线为拟合线。图3A是在柔性基板上制造的超材料(这里称为“Metaflex”)的照片，背景取自南洋理工大学(NTU)校园杂志以证明柔性。图3B显示施加应变(i)前，和(ii)后Metaflex的透射谱的图，显示出具有平面外应变的高可调性。图4A是显示从(i)空气，(ii)聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)层，和(iii)Shipley1805层测得的Metaflex(具有w=40nm的Au膜)的透射谱的图。图4B是显示(i)电谐振峰和(ii)磁谐振峰的位置随折射率变化的图。图4C是显示含有(i)PMMA和(ii)不含PMMA的SRR的通过FDTD计算的透射率的图。在两幅图中表明的数值反映了具有PMMA层的电和磁模式的变化。图5A是显示将相同的Metaflex样品用(i)15μM、(ii)1.5μM、(iii)150nM、(iv)15nM，和(v)无BSA(作为参考提供)的不同的牛血清白蛋白(BSA)浓度处理后的透射谱的图。图5B是显示在不同浓度下，SRR的(i)电谐振峰和(ii)磁谐振峰偏移的图。如说明书后面所说明的那样，实心曲线为经验拟合。图6A是使用Metaflex的2-萘硫酚化学传感的示意图。为了简单起见，每个SRR上仅画出了一个2-萘硫酚分子。图6B是分别显示在Metaflex样品上的2-萘硫酚的(i)垂直偏振或(ii)平行偏振的拉曼光谱的图，如图6A中所示；(iii)2-萘硫酚粉末的拉曼光谱的图；(iv)洁净的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基板的拉曼光谱的图；和(v)来自相同的PEN基板上的金膜的拉曼光谱的图(从上到下，在透明度的图中光谱向上偏移)。图6C是显示(i)不含2-萘硫酚，和(ii)含有2-萘硫酚的SRR的透射谱的图，插图是磁共振模式附近的光谱的放大视图。标记出了两者由于分子结合而造成的峰偏移。图7是一系列SRR的示意图，对于(A)S形、(B)H形，和(C)Y形，Lx=200nm，Ly=350nm，Sx=Sy=200nm，w=50nm，a=c=1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生成在可见光?红外范围内可操作的超材料的方法，所述方法包括a)将导电材料层沉积在基板上；b)在所述导电材料层上形成电子束光刻胶层；c)使用电子束光刻将所述电子束光刻胶层图案化以形成有图案的基板；d)将贵金属层沉积在所述有图案的基板上；和e)除去所述光刻胶。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.07 US 61/494,0991.一种制造具有包含形裂环谐振器的在可见光-红外范围内可操作的超材料的传感器的方法，所述方法包括a)将导电材料层沉积在基板上；b)在所述导电材料层上形成电子束光刻胶层；c)使用电子束光刻将所述电子束光刻胶层图案化以形成有图案的基板；d)将贵金属层沉积在所述有图案的基板上；和e)除去所述光刻胶以在所述基板上生成包含所述裂环谐振器的超材料，所述形裂环谐振器具有20nm至40nm的最小线宽。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电材料包含选自由氧化铟锡、氧化铟锌和锡氧化物组成的组的透明材料。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述导电材料包含氧化铟锡或由氧化铟锡组成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述导电材料层通过溅射而沉积。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子束光刻胶包含聚(甲基丙烯酸甲酯)和聚甲基戊二酰亚胺中的至少一种。6.根据权利要求1所述的方法，其中通过旋涂形成所述电子束光刻胶层。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述贵金属包括金、银或其合金。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述贵金属通过热蒸发而沉积。9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤(d)之前沉积粘附层。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述粘附层包含铬、钛或其合金，或由铬、钛或其合金组成。11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述粘附层通过热蒸发而沉积。12.一种在可见光-红外范围内可操作的超材料，所述超材料通过根据权利要求1至11中任一项所述的方法制造。13.一种用于化学或生物传感的传感器，所述传感器包含在可见光-红外范围内可操作的超材料，所述超材料在基板上包含具有20nm至40nm的最小线宽的形裂环谐振器。14.根据权利要求13所述的传感器，进一步包含键合于所述超材料的表面的连接分子。15.根据权利要求14所述的传感器，其中所述连接分子共价键合于所述超材料的所述表面。16.根据权利要求14或15所述的传感器，其中连接分子包含选自由硫醇、胺、酰胺、硝基、羧酸、氰基和卤素组成的组中的官能团。17.根据权利要求16所述的传感器，其中所述连接分子包含硫醇基团。18.根据权利要求14所述的传感器，其中配置所述连接分子以使其与样品中含有的目标分析物特异性关联。19.根据权利要求18所述的传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊启华，徐新龙，张俊，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：
国别省市：