[發明專利]基于硅的中紅外區磁諧振超材料結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201410318204.X
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104090321A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 肖淑敏;孫四五;宋清海
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 張立娟

技術領域

本發明涉及集成光學領域，尤其涉及基于硅的中紅外區磁諧振超材料結構設計。

背景技術

傳統的磁諧振超材料都是利用金屬材料(如金、銀等)設計出類似開口諧振環的結構實現磁諧振，由于金屬本身具有很高的電導損耗，使得金屬結構的磁諧振材料應用受限。

金屬結構的磁諧振超材料制備工藝難度比較高，難以擴展到三維結構，而且一般設計出來的結構都是不對稱，對入射光的極化方向也是很敏感。

目前使用陶瓷材料設計的結構可以實現毫米波段的磁諧振，根據超材料的設計思想，如果想在光波波段實現磁諧振，就必須使陶瓷結構設計到微納米級，目前這在技術上是無法實現的，而且磁諧振應用最廣泛的波長范圍是在中紅外區域。

使用碲/鍺的立方塊結構可以實現中紅外區域的磁諧振，但是由于材料的成本較高，而且碲/鍺薄膜的不易制備，所以需要尋求更便宜而且更容易實現的材料進行設計。

由于自然界中的大多數磁性物質的磁響應具有高頻截止特性，如鐵磁物質在紅外和可見光頻段會失去磁性，所以需要設計出一種能夠在高頻段能夠具有磁性的結構單元以滿足器件要求。

為了實現磁諧振性能，最早由英國的科學家設計出一種能產生磁響應的微結構單元——開口諧振環(如圖1)，該諧振環類等效于由電容電感組成的諧振電路，開口相當于電容，當選擇合適的光波入射該結構時，開口諧振環會產生強烈的磁諧振效應。根據這種設計思想，后來的科研工作者設計了一系列用金屬材料制備的類開口諧振環的結構，在相應的頻段都產生了磁諧振效應。

但是利用金屬材料設計的磁諧振超材料會存在一系列的問題。由于金屬本身帶有很大的吸收損耗，所以大部分入射到結構的光會被金屬本身吸收掉，這使得損耗問題成為磁諧振超材料應用的最大的攔路虎。

其次，要實現可見光波段的磁諧振，就必須進一步縮小金屬結構的尺寸，而納米級的金屬結構的技術實現難度比較大，而且所設計的諧振環的圖形也比較復雜，大規模制備也是不小的挑戰。利用金屬材料設計的結構一般在三維空間擴展比較困難，不適合大規模集成，并且設計的結構一般不對稱，使得最終的材料結構對入射光波具有強烈的極化敏感性。

而利用鈦酸鍶鋇/氧化鎂制備的陶瓷類電介質結構，也可以在微米波段實現相應的磁諧振效應，該設計雖然可以消除金屬材料設計的高損耗和極化敏感等問題，但是由于陶瓷材料本身特性的制約，使得其無法實現微納米級尺寸的制備。

目前一些基于介質材料實現電磁響應的研究成果都很不錯，實現了低損耗，廣入射角，隨溫度可調等一系列成果。但是我們發現，這些研究成果基本上都是集中在使用陶瓷材料作為電介質實現在微波段的電磁響應。然而，一些集中在紅外波段的應用如過濾器、偏振器、光譜發射器等就無法很好的實現。所以，把基于電介質的超材料研究推向更高的頻段是相當必要和有重大實用價值的。

目前利用微米量級的鍺/碲立方塊實現了在紅外頻段的電磁響應。他們通過電子束氣相沉積的方法在低折射率的聚合物基板上鍍上鍺/碲膜并刻蝕出想要的尺寸，通過模擬和實驗驗證在紅外波段確實存在透射禁帶，而且損耗很低。但是鍺/碲膜的不易制備的特性以及在實際應用中的代價昂貴使得其不能得到普遍的應用，所以需要尋求一種類似鍺/碲且能實現磁諧振效應以及價格低廉而且更容易實現微納制備的材料。

在磁諧振超材料設計方面，目前科研工作者做出了不少的工作，但是在中紅外波段磁諧振超材料的諧振波長隨結構的變化的規律，還缺少系統研究和總結。所以，找到諧振峰隨結構變化的規律是實現實際器件應用的必備條件。

發明內容

針對現有的磁諧振超材料設計的不足，為了有效減少電導損耗，設計出極化不敏感的中紅外磁諧振超材料，從而實現集中在中紅外波段的應用，如過濾器、偏振器、光譜發射器等的設計，特提出以下基于硅的中紅外區磁諧振超材料結構以及相應的制備方案，真正實現低損耗、極化不敏感、可以三維擴展、低成本的磁諧振超材料。

本發明提供了一種基于硅的中紅外區磁諧振超材料結構，其包括兩部分，一部分是基板，另一部分是硅立方塊，所述基板為玻璃基板，所述硅立方塊周期性分布在所述玻璃基板上，硅立方塊的邊長為L，L的取值范圍是在1微米至5微米之間，硅立方塊的間距為W，W的取值范圍是在1微米至5微米之間。

作為本發明的進一步改進，所要濾過的波段的波長滿足下面的表達式：

λ(M)＝3.9394L。

作為本發明的進一步改進，硅立方塊的邊長為L與硅立方塊的間距為W滿足：L∶M＝1∶1。

作為本發明的進一步改進，L的取值范圍是在1.2微米至4微米之間。