[發明專利]一種可以產生法諾共振增強的多層不對稱超材料

有效

• 申請號: 201310182630.0
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103247861A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 曹暾
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術領域

本發明涉及一種可以產生法諾共振增強的多層不對稱超材料，可應用于慢光、傳感、非線性及光開關等領域。

背景技術

諧振現象在自然界中普遍存在，具有洛倫茲型和法諾型之分。其中法諾共振具有非對稱譜線形狀，可以顯著提高表面等離激元功能器件的性能。超材料是近年來興起的一類人工結構材料，通過設計一定的諧振結構可以對外加電磁場分別產生相應的耦合，從而獲得奇異的電磁特性。隨著超材料研究的深入，超材料的法諾共振也備受關注。有如文獻1：“B.Luk′yanchuk?et?al,NATURE?MATERIAL,2010(9):707”報道的在表面等離激元納米結構超材料中發現了法諾諧振現象。2007年，文獻2：“V.A.Fedotove?et?al,PHYSICAL?REVIEW?LETTER,2007(99):147701”首次在非對稱諧振環陣列中發現法諾諧振，該人工結構被定義為約束模超材料。文獻3：“S.Zhang?et?al,PHYSICAL?REVIEW?LETTER,2008(101):047401”利用輻射模和約束模之間的相互作用在表面等離子體超材料中實現了法諾共振。文獻4：“Z.Dong?et?al,OPTICS?EXPRESS,2010(18):22412.”研究了暗模激發與法諾共振現象之間的關系.文獻5：“Z.Yang?et?al,APPLIED?PHYSICS?LETTER,2010(96):131113”通過金屬長度對法諾共振強度進行調諧。

上述工作都是通過具有非對稱結構的單層平面超材料產生法諾共振，因此在短波長區域會出現磁響應飽和，同時結構復雜，制備工藝困難。相比之下，多層超材料的表面等離激元模式，能夠更有效的突破傳統的衍射極限，具有較長的傳輸距離、較小的損耗、較短的工作波段和簡單的加工工藝，因此具有更廣闊的實際應用前景。而關于多層超材料對法諾共振的影響卻鮮有研究，從而限制了法諾共振的進一步應用。

本發明提供一種可以產生法諾共振增強現象的多層不對稱超材料。通過將多層超材料的諧振單元移離其中心位置，使其電偶極子共振得到增強，并與超材料本身所具有的強磁偶極子共振互相作用，使其透射譜中單一法諾共振峰分裂為兩個非對稱共振峰，其中一個共振峰的色散特性更加陡峭，從而實現法諾共振增強，解決了諧振波長的偏移和間隔必須遠大于諧振腔帶寬的技術問題，提高了超材料的波長分辨率及其對生物樣本折射率變化進行探測的靈敏度。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種可以產生法諾共振增強現象的多層不對稱超材料，該器件的法諾共振具有品質因數高、工作頻率范圍大、結構簡單等特點。

本發明解決問題采用的技術方案如下：

一種可以產生法諾共振增強的多層不對稱超材料，其特征在于，該多層不對稱超材料由襯底層、下金屬層、介質材料層、上金屬層、氧化層組成；諧振單元偏離其自身中心位置，偏離距離在5納米至1微米，諧振單元的孔徑在20納米至1微米、高度在60納米至30微米。所述多層結構的法諾共振波長覆蓋紅外到遠紅外波段。

諧振單元形狀可以是三角形孔、方形孔、圓形孔、橢圓形孔、矩形孔、十字形孔、六邊形孔；孔的寬度在20納米至1微米、高度在60納米至30微米。

金屬層的寬度在1微米至2厘米、高度在20納米至10微米；介質材料層包括Al₂O₃、MgF₂、HSQ、GaAs、InP、Si；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；氧化層包括In₂O₃、SnO₂、ITO；襯底層包括BK7光學玻璃，SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃；多層結構可以通過材料生長工藝實現，如電子束蒸發，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術；諧振單元陣列可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實現，如電子束曝光(E-beam?lithography)、聚焦離子束曝光(Focus?Ion?Beam?lithography)和反應離子束刻蝕(Reactive?Ion?Etching,RIE)等，其特點是底部平坦，空壁光滑，側面形狀不限。

所述的法諾共振品質因數隨諧振單元偏移其中心位置距離的增加而增加。