本發(fā)明涉及紅外探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種紅外超材料吸收器及其制備方法。

背景技術(shù)：

中遠(yuǎn)紅外的吸收器可以用于制造紅外探測(cè)器，在生物傳感、熱成像、醫(yī)療診斷方面具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的紅外探測(cè)材料需要低溫環(huán)境，不僅高成本，還犧牲了它們的便捷性；iv-vi族的探測(cè)器材料已經(jīng)得到廣泛研究，但它們的機(jī)械性能較差，介電常數(shù)大；iii-v族的元素的材料已經(jīng)有很成熟的技術(shù)，并可制成單片集成電路，但它們?cè)谛纬僧愘|(zhì)外延時(shí)會(huì)形成晶格失配；量子點(diǎn)和量子阱也被應(yīng)用在光探測(cè)器上，但常溫下量子點(diǎn)弱吸收限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

人工超材料由于其具有如負(fù)折射率的獨(dú)特性質(zhì)，顯示出在紅外探測(cè)上的應(yīng)用前景。人工超材料吸收器展現(xiàn)出了自然材料沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，例如高吸收特性、共振頻率可調(diào)性、易生產(chǎn)性、高品質(zhì)，因此超材料探測(cè)器的優(yōu)良性能日益凸顯。雖然在太赫茲領(lǐng)域有了高速的發(fā)展，但大多數(shù)的超材料吸收器仍停留在單峰吸收上，與單邊吸收器相比，雙邊吸收有很多的優(yōu)勢(shì)，比如更好的影像對(duì)比特性，更長(zhǎng)的測(cè)距和在特定波段上更高的空間分辨率。但是，傳統(tǒng)雙邊帶探測(cè)器由于存在復(fù)雜的材料部件和表面結(jié)構(gòu)，使它的信號(hào)響應(yīng)效率很低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N紅外超材料吸收器及其制備方法，能夠應(yīng)用于紅外探測(cè)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同紅外波段雙峰或多峰的吸收，可提高其吸收效率至98％以上。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種紅外超材料吸收器，所述超材料吸收器包括依次設(shè)置的基底、薄膜層、電介質(zhì)層、共振圈結(jié)構(gòu)層，所述共振圈結(jié)構(gòu)層包括至少一個(gè)金屬納米環(huán)，所述金屬納米環(huán)的半徑不大于2000nm，所述金屬納米環(huán)的寬度不大于100nm。

具體的，當(dāng)金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)為1時(shí)，優(yōu)選的，所述金屬納米環(huán)的半徑為450nm或1050nm，所述金屬納米環(huán)的寬度為100nm。

優(yōu)選的，所述共振圈結(jié)構(gòu)層包括至少2個(gè)金屬納米環(huán)，每個(gè)所述金屬納米環(huán)的圓心重合，相鄰所述金屬納米環(huán)的環(huán)距不小于100nm。

更為優(yōu)選的，相鄰所述金屬納米環(huán)的半徑差值為300～600nm。

具體的，當(dāng)金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)為2時(shí)，優(yōu)選的，沿半徑方向由內(nèi)到外的第一金屬納米環(huán)的半徑為450nm，第二金屬納米環(huán)半徑為1050nm，所述第一金屬納米環(huán)和所述第二金屬納米環(huán)的寬度為100nm。

具體的，當(dāng)金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)為3時(shí)，優(yōu)選的，沿半徑方向由內(nèi)到外的第一金屬納米環(huán)的半徑為450nm，第二金屬納米環(huán)的半徑為750nm，所述第三金屬納米環(huán)的半徑為1050nm，所述第一金屬納米環(huán)、所述第二金屬納米環(huán)、所述第三金屬納米環(huán)的寬度為100nm。

優(yōu)選的，所述基底的材料為硅或砷化鎵，所述薄膜層的材料為金、銀、銅、鋁中的任意一種。

更為優(yōu)選的，所述基底的材料為p型摻雜硅、n型摻雜硅、未摻雜硅中的任意一種。

優(yōu)選的，所述電介質(zhì)層的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氟化鎂中的任意一種。

優(yōu)選的，所述金屬納米環(huán)的材料為金、銀、銅、鋁中的任意一種。

優(yōu)選的，所述薄膜層的厚度不大于200nm。

優(yōu)選的，所述電介質(zhì)層的厚度不大于300nm。

優(yōu)選的，所述金屬納米環(huán)的厚度為50～200nm。

本申請(qǐng)技術(shù)方案還提供一種紅外超材料吸收器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)提供一基底，所述基底的材料為硅或砷化鎵；

(2)在所述基底上生長(zhǎng)薄膜層，所述薄膜層的材料為金、銀、銅鋁中的任意一種；

(3)在所述薄膜層上生長(zhǎng)電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氟化鎂中的任意一種；

(4)在所述電介質(zhì)層上形成共振圈結(jié)構(gòu)層，所述共振圈結(jié)構(gòu)層包括至少一個(gè)金屬納米環(huán)，所述金屬納米環(huán)的半徑不大于2000nm，所述金屬納米環(huán)的寬度不大于100nm，所述金屬納米環(huán)的材料為金、銀、銅、鋁中的任意一種；

(5)封裝后得到所述紅外超材料吸收器成品。

優(yōu)選的，所述薄膜層采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射方法形成；所述電介質(zhì)層采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、原子層沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法中的任意一種形成；所述金屬納米環(huán)采用深紫外光刻或電子束曝光方法形成。

優(yōu)選的，所述薄膜層的厚度不大于200nm。

優(yōu)選的，所述電介質(zhì)層的厚度不大于300nm。

優(yōu)選的，所述金屬納米環(huán)的厚度為50～200nm。

優(yōu)選的，所述的封裝后得到所述紅外超材料吸收器成品具體為：通過(guò)連接外圍電路，封裝測(cè)試，制作成紅外超材料吸收器成品。

另外，也可以連接外圍的光電轉(zhuǎn)換電路，制作成探測(cè)器。

在本申請(qǐng)技術(shù)方案中，所述的紅外超材料吸收器，能夠應(yīng)用于紅外探測(cè)上，通過(guò)共振圈結(jié)構(gòu)層的金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)、不同的半徑、金屬納米環(huán)的間距等，可以增加紅外超材料吸收器的吸收峰數(shù)，從而增加其在用于紅外探測(cè)時(shí)的分辨率、敏感度以及測(cè)距，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)以上不同參數(shù)制備出的紅外超材料吸收器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同紅外波段雙峰或多峰的吸收，可提高其吸收效率至98％以上。

具體來(lái)說(shuō)，所述超材料吸收器包括了基底、薄膜層、電介質(zhì)層、共振圈結(jié)構(gòu)層，其中，共振圈結(jié)構(gòu)層包括了至少一個(gè)金屬納米環(huán)，金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)可以為1，2，3，4……，金屬納米環(huán)的半徑不大于2000nm，寬度不大于100nm，當(dāng)金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)大于1時(shí)，各金屬納米環(huán)的圓心重合，各金屬納米環(huán)的半徑不同，且具有一定的環(huán)間距，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬納米環(huán)的數(shù)量、半徑的大小、環(huán)間距的大小，可以實(shí)現(xiàn)雙峰或多峰的吸收，此外，通過(guò)增加多環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外任意波長(zhǎng)的全吸收。此外，通過(guò)調(diào)整不同的電介質(zhì)層的材料，以調(diào)整電介質(zhì)層的折射率或者是電介質(zhì)常數(shù)，可使實(shí)現(xiàn)不同紅外波段雙峰或多峰的吸收，同時(shí)通過(guò)以上設(shè)置，可以提高紅外超材料吸收器的吸收率。

因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)所述技術(shù)方案的有益效果在于：

(1)通過(guò)環(huán)狀的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可降低材料對(duì)入射波偏振的敏感度，從而吸收任意偏振的紅外電磁波。

(2)通過(guò)改變環(huán)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)數(shù)，改變吸收的峰數(shù)，一個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)多峰的吸收。

(3)通過(guò)改變環(huán)狀大小及環(huán)間距可以改變吸收峰所處的波段，實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元的可調(diào)節(jié)性。

(4)相對(duì)于現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)式吸收材料，本申請(qǐng)技術(shù)方案的吸收峰值發(fā)生在中和遠(yuǎn)紅外波段。

(5)具有多個(gè)窄帶頻譜特性，在紅外探測(cè)、紅外成像以及熱輻射器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

(6)對(duì)于寬角度入射和不同偏振特性的紅外電磁波都具有完美的吸收效果，易于很好的適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。

(7)由于環(huán)狀結(jié)構(gòu)易于制作和排列，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。

(8)由于環(huán)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以適應(yīng)一定的惡劣環(huán)境而其性能并不發(fā)生偏離。

附圖說(shuō)明

圖1是本申請(qǐng)所述紅外超材料吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中金屬納米環(huán)的個(gè)數(shù)為2；

圖2是圖1的俯視圖。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本申請(qǐng)所述的一種紅外超材料吸收器，如圖1、圖2所示，包括依次設(shè)置的基底1、薄膜層2、電介質(zhì)層3、共振圈結(jié)構(gòu)層4，所述共振圈結(jié)構(gòu)層4包括至少一個(gè)金屬納米環(huán)5，每個(gè)金屬納米環(huán)5的半徑不大于2000nm，寬度不大于100nm，厚度為50～200nm，每個(gè)金屬納米環(huán)5的圓心重合，相鄰金屬納米環(huán)5的半徑差值不小于100nm。

其中，基底1的材料為硅或砷化鎵，薄膜層2的材料為金、銀、銅、鋁中的任意一種，所述電介質(zhì)層3的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氟化鎂中的任意一種。

其中，所述薄膜層2的厚度不大于200nm，所述電介質(zhì)層3的厚度不大于300nm。

其制備方法包括以下步驟：

(1)提供一基底1，所述基底1的材料為硅或砷化鎵；

(2)在所述基底1上生長(zhǎng)薄膜層2，所述薄膜層2的材料為金、銀、銅鋁中的任意一種，厚度不大于200nm，采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射方法形成；

(3)在所述薄膜層2上生長(zhǎng)電介質(zhì)層3，所述電介質(zhì)層3的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氟化鎂中的任意一種，厚度不大于300nm，采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、原子層沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法中的任意一種形成；

(4)在所述電介質(zhì)層3上形成共振圈結(jié)構(gòu)層4，所述共振圈結(jié)構(gòu)層4包括至少一個(gè)金屬納米環(huán)5，所述金屬納米環(huán)5的半徑不大于2000nm，所述金屬納米環(huán)5的寬度不大于100nm，厚度為50～200nm，采用深紫外光刻或電子束曝光方法形成；

(5)封裝后得到所述紅外超材料吸收器成品。

為了驗(yàn)證本申請(qǐng)技術(shù)方案的技術(shù)效果，在上述具體實(shí)施方式要求的基礎(chǔ)上，采用具體參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下具體實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1、圖2所示，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，包括依次設(shè)置的基底1、薄膜層2、電介質(zhì)層3、共振圈結(jié)構(gòu)層4，所述共振圈結(jié)構(gòu)層4包括至少一個(gè)金屬納米環(huán)5。

其具體制備方法如下：

(1)提供一基底1，所述基底1的材料為硅或砷化鎵；

(2)在所述基底1上生長(zhǎng)薄膜層2，采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射方法形成；

(3)在所述薄膜層2上生長(zhǎng)電介質(zhì)層3，采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、原子層沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法中的任意一種形成；

(4)在所述電介質(zhì)層3上形成共振圈結(jié)構(gòu)層4，所述共振圈結(jié)構(gòu)層4包括至少一個(gè)金屬納米環(huán)5，采用深紫外光刻或電子束曝光方法形成圖案，進(jìn)一步形成圖形；

(5)封裝后得到所述紅外超材料吸收器成品。

實(shí)施例2

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用p型摻雜硅為材料，薄膜層2采用金為材料，厚度為100nm；電介質(zhì)層3采用氧化硅為材料，厚度為250nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為1，采用金為材料，厚度為100nm，金屬納米環(huán)5的半徑為450nm，寬度為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在中紅外的4300nm附近的波的全吸收。

實(shí)施例3

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用n型摻雜硅為材料，薄膜層2采用銀為材料，厚度為150nm；電介質(zhì)層3采用氮化硅為材料，厚度為200nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為1，采用銀為材料，厚度為50nm，金屬納米環(huán)5的半徑為450nm，寬度為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在4300nm(中紅外)波段97.1％的吸收。

實(shí)施例4

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用未摻雜硅為材料，薄膜層5采用銅為材料，厚度為200nm；電介質(zhì)層3采用氧化鋁為材料，厚度為300nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為1，采用銅為材料，厚度為200nm，金屬納米環(huán)5的半徑為450nm，寬度為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在4300nm(中紅外)波段97.3％的吸收。

實(shí)施例5

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用砷化鎵為材料，薄膜層2采用鋁為材料，厚度為100nm；電介質(zhì)層3采用氟化鎂為材料，厚度為250nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為1，采用鋁為材料，厚度為100nm，金屬納米環(huán)5的半徑為450nm，寬度為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在4300nm(中紅外)波段95.2％的吸收。

實(shí)施例6

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用未摻雜硅為材料，薄膜層2采用金為材料，厚度為100nm；電介質(zhì)層3采用氧化硅為材料，厚度為250nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為1，采用金為材料，厚度為100nm，金屬納米環(huán)5的半徑為2000nm，寬度為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在4300nm(中紅外)波段99.1％的吸收。

實(shí)施例7

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用未摻雜硅為材料，薄膜層2采用金為材料，厚度為100nm；電介質(zhì)層3采用氧化硅為材料，厚度為250nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為1，采用金為材料，厚度為100nm，金屬納米環(huán)5的半徑為1050nm，寬度為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在9800nm(遠(yuǎn)紅外)波段94.3％的吸收。

實(shí)施例8

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用未摻雜硅為材料，薄膜層2采用金為材料，厚度為100nm；電介質(zhì)層3采用氧化硅為材料，厚度為250nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為2，采用金為材料，厚度為100nm，沿半徑方向由內(nèi)到外的第一金屬納米環(huán)的半徑為450nm，第二金屬納米環(huán)半徑為1050nm，寬度均為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在中紅外(4300nm)和遠(yuǎn)紅外(9800nm)附近波的雙邊吸收，平均最大吸收效率為96.7％。

實(shí)施例9

根據(jù)實(shí)施例1，本實(shí)施例所述的一種紅外超材料吸收器，基底1采用未摻雜硅為材料，薄膜層2采用金為材料，厚度為100nm；電介質(zhì)層3采用氧化硅為材料，厚度為250nm；金屬納米環(huán)5的數(shù)量為2，采用金為材料，厚度為100nm，沿半徑方向由內(nèi)到外的第一金屬納米環(huán)的半徑為450nm，第二金屬納米環(huán)半徑為750nm，第三納米環(huán)的半徑為1050nm，寬度均為100nm；周期p為2400nm，采用實(shí)施例1所述的制備方法進(jìn)行制備成為成品。通過(guò)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在中紅外(4300nm，6400nm)和遠(yuǎn)紅外(9800nm)附近波的雙邊吸收，其平均最大吸收效率為94.5％。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，上述優(yōu)選實(shí)施方式不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。