[發(fā)明專利]一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210238032.6
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN102707537A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹暾
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G02F1/17
• 分類號: G02F1/17
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于相變材料(GST)的可調(diào)諧超材料吸收器(Metamaterial?Absorber)，可應(yīng)用于光電開關(guān)、太陽能電池、氣體測量等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超材料(Metamaterial)的奇異電磁特性可以突破傳統(tǒng)介質(zhì)的物理極限，實現(xiàn)諸多新穎功能，例如，突破現(xiàn)有透鏡的波長極限，實現(xiàn)具有亞波長成像特點的“完美透鏡”；還可有效引導(dǎo)電磁波的傳播路徑，實現(xiàn)真正的電磁隱身。特別是基于超材料的吸收器被證明可以很好的吸收入射電磁波的能量，因此得到了研究者的廣泛關(guān)注。然而該研究領(lǐng)域同時也面臨著新的挑戰(zhàn)，比如，由于其吸收光譜的工作頻段過窄所導(dǎo)致的吸收效率過低的問題，為了解決該問題，人們做了很多嘗試，由此形成了電磁學(xué)領(lǐng)域一個新的研究熱點：可調(diào)諧超材料吸收器。

利用超材料實現(xiàn)新型吸收器已有很多報道，成為最前沿的科技領(lǐng)域之一。而具有頻率可調(diào)諧性的超材料吸收器更是得到了人們的廣泛關(guān)注。2006年，H.T.Chen提出通過電子注入可以使超材料吸收器的吸收光譜的幅度和工作頻帶具有可調(diào)諧性。2008年，H.T.Chen又研制出可以通過光參雜調(diào)諧超材料吸收器的吸收光譜，上述結(jié)果分別被Nature報道，被譽為吸收器研究領(lǐng)域的重要突破。同年，D.R.Smith提出可以通過控制溫度的變化實現(xiàn)可調(diào)諧超材料吸收器。2012年，A.Minovich?等人將超材料浸在液晶之中，通過外加電場調(diào)節(jié)液晶的雙折射率進而實現(xiàn)吸收光譜的頻率可調(diào)諧性。

可是，上述可調(diào)諧超材料吸收器，需要引入外加可調(diào)器件，這將會增加超材料吸收器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。而液晶又具有流動性與腐蝕性，將會給超材料吸收器的實際應(yīng)用帶來很大的難度。

如可直接調(diào)節(jié)超材料吸收器的介電常數(shù)，將有效簡化可調(diào)諧超材料吸收器的實現(xiàn)難度，大大推進其實用化進程。因此，本發(fā)明提供一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器。通過在金屬層-相變材料層-金屬層-氧化層多層結(jié)構(gòu)的頂部金屬層，制備具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其具有可調(diào)諧吸收光譜，從而解決超材料吸收器吸收光譜窄的技術(shù)問題。本發(fā)明利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場或溫度改變而變化的特性，實現(xiàn)超材料吸收器工作頻率的可調(diào)諧，最大調(diào)節(jié)幅度可達900nm。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述可調(diào)諧超材料吸收器的問題，提供了一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器，該器件具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、?工作頻率調(diào)諧范圍大等特點。

本發(fā)明解決問題采用的技術(shù)方案如下：

基于相變材料的可調(diào)諧超材料吸收器是基于多層結(jié)構(gòu)的器件。通過在其頂部金屬層設(shè)計和制備周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，可以使其具有磁偶極子，因此可以在特定頻段內(nèi)產(chǎn)生幅值較大的的吸收光譜。再通過改變相變材料的介電常數(shù)，使該吸收光譜發(fā)生頻移，從而實現(xiàn)高幅值可調(diào)諧超材料吸收器。所述的多層結(jié)構(gòu)是通過在玻璃襯底上生長金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在1微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在1微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在1微米至2厘米、高度在1納米至1微米。金屬層包括Al、Ag、Au、Cu、Ni。相變材料層包括GeTe,?Ge₂Sb₂Te₅,?Ge₁Sb₂Te₄,?Ge₂Sb₂Te₄,?Ge₃Sb₄Te₈,?Ge₁₅Sb₈₅?，Ag₅In₆Sb₅₉Te₃₀。氧化層包括In₂O₃,SnO₂,ITO。

所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至1微米、高度在60納米至30微米。周期性孔矩陣可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實現(xiàn)，如電子束曝光(E-beam?lithography)、聚焦離子束曝光(Focus?Ion?Beam?lithography)?和反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive?Ion?Etching,?RIE)等，其特點是底部平坦，孔壁光滑，側(cè)面形狀不限。

所述的多層結(jié)構(gòu)可以通過材料生長工藝實現(xiàn)，如電子束蒸發(fā)，金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術(shù)