[發明專利]一種窄帶中紅外熱輻射源及制備方法

有效

• 申請號: 202110371729.X
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113203476B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 吳瓊;王凌飛;敖獻煜
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01J3/10
• 分類號: G01J3/10;G01N21/3504
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 滕詣迪

本發明公開了一種基于高反射率金屬上低折射率介質柱陣列的窄線寬中紅外熱輻射源。由下至上依次是金屬反射層、氧化鋁層、二維周期性排列的介質柱陣列。該結構可以支持高品質因子的晶格共振，共振模式的電磁場被限制在介質柱陣列頂部。對于約4μm的中紅外波長，介質柱陣列可以采用二氧化硅，通過等離子增強化學氣相沉積方法以及反應離子刻蝕方法來制備，金屬可以采用銅。根據基爾霍夫輻射定律，對該結構的金屬反射層施加電流加熱，來實現表面輻射的窄帶中紅外熱輻射源。

技術領域

本發明涉及一種窄帶中紅外熱輻射源，特別是基于高反射率金屬上的低折射率介質柱二維周期陣列的窄帶中紅外熱輻射源。

背景技術

分子傳感在生物、化工及環境安全等多種應用中發揮著關鍵作用。生化分子的檢測方案有很多，對于具有紅外特征吸收帶的氣體，光學光譜法是常用的，而且比其他技術有優勢。對于具有中紅外光譜區分子吸收特性的環境氣體傳感器，需要通過窄帶紅外輻射源來實現高分辨率和高靈敏度。

設計中紅外窄帶熱輻射源的研究主要集中在等離激元結構上，包括光柵或光子晶體，以及由金屬平面上的金屬貼片陣列組成的超材料(兩者之間有一層介質層)。盡管該設計結構緊湊，但是電磁場被限制在金屬附近，而金屬在很寬的光譜范圍內具有吸收損耗，因此金屬結構實現的輻射峰的品質因子通常最高只有幾十。相比之下，高折射率介質光子晶體可以產生品質因子大于100的熱輻射峰。

發明內容

1、本發明的目的

為了解決上述金屬結構的吸收損耗等制約問題，本發明公開一種基于金屬膜上低折射率介質柱陣列的窄帶中紅外熱輻射源

2、本發明所采用的技術方案

本發明公開了一種窄帶中紅外熱輻射源，包括高反射率金屬反射層膜上的介質柱陣列組成，介質柱陣列等間距排列在氧化鋁層上，氧化鋁層下方為金屬反射層，介質柱陣列為二氧化硅，基于基爾霍夫輻射定律和表面等離子共振原理，對基底進行加熱獲得窄線寬的熱輻射。

更進一步，介質柱的高寬比大于1。

更進一步，金屬反射層采用銅或者鋁。

更進一步，金屬反射層的厚度為大于等于100nm，氧化鋁保護層厚度為10nm到100nm。

更進一步，輻射率為ε(ω)＝1-|R(ω)|²，R是陣列結構的反射。

更進一步，高品質因子共振的產生與晶格共振有關，其波長隨晶格間距a₀(即周期)的變化而變化，通過等比例改變晶格間距和介質柱尺寸實現可調的窄帶熱輻射源。

更進一步，在波長晶格間距a₀且小于1.05a₀處有窄帶輻射，輻射的品質因子大于等于100。更進一步，上述窄帶輻射對應的模式光場被局域在介質柱的頂端以及介質柱之間的空白區域。

本發明公開了一種窄帶中紅外熱輻射源的制備方法，對于約3-6μm的中紅外波長，介質柱陣列采用二氧化硅，通過等離子增強化學氣相沉積方法來沉積二氧化硅薄膜，再通過反應離子刻蝕來獲得二維周期的柱子陣列。

更進一步，包括以下步驟：

步驟1、在平整基片上沉積金屬反射層，包含粘附層，氧化鋁保護層，二氧化硅薄膜；

步驟2、在上述多層膜上進行納米壓印定義二維周期陣列的掩膜；

步驟3、利用反應離子刻蝕方法將掩膜圖形轉移到二氧化硅薄膜，形成二維周期柱陣列。

3、本發明所采用的有益效果

(1)本發明在平面金屬基底上構建高深寬比介質柱陣列，在介質柱上表面形成局域電磁模式，調控金屬中自由載流子吸收，實現極窄的吸收增強。