[发明专利]一种多层组合的电磁调制结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用多层组合的金属亚波长结构单元阵列，其为一种对特定波长电磁波实现特定调制的人工结构，以及涉及应用旋涂、沉积工艺及对准套刻工艺实现该结构的制备方法。

背景技术

利用具有特殊电磁传播特性的亚波长尺寸的人工材料来控制电磁波的传播是当前材料物理研究前沿的焦点。对于特定波长的电磁波，可以利用尺寸在波长1/3至1/30的亚波长金属结构在该波长附近的电磁响应特性，实现特定的电磁信号调制，而通常的这种调制结构中由只包含一种亚波长金属结构的阵列及其衬底组成，实现的调制功能非常有限。为了解决这一问题，拓展该结构的调制效果，C.M.Bingham等人利用两种及两种以上的亚波长金属单元结构，以平面组合的方式实现的二维调制金属亚波长调制器件，如文献1，“平面壁纸组合的人工超材料在太拉赫兹频段的新应用”(Planar wallpaper group metamaterials for novel terahertz applications)，载于《OPTICS EXPRESS》，2008，Vol 16，18565所公开。这种调制结构相对过去只有一种亚波长单元的调制结构是一大突破，但调制效果仍然有限，原因在于：在同一平面内实现多种亚波长结构单元的组合，必将以降低相关单元的分布密度为代价，因此其调制效果被大幅度削弱。此外，将多个具有亚波长金属结构的材料叠加在一起，也能实现类似的组合调制功能，如文献2，“利用深X射线曝光实现的三维多层金属柱一开口谐振器结构”(Towards three-dimensional and multilayer rod-split-ringmetamaterial structures by means of deep x-ray lithography)，载于《Applied PhysicsLetter》，2007，Vol 90，254106，但是该文献中的所谓三维结构，本质是将多个单层结构叠加放置在一起，包括了多个衬底，因此组合材料的透过率也因此大幅度降低，且层与层间距离较远(相对波长而言)，层与层间的亚波长金属阵列的相对位置也因为较简单的叠放而具有一定随机性，因此，这种三维调制结构也具有较大缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在同一衬底上实现多层组合的电磁调制结构；即利用层间精确对准的、具有不同金属亚波长单元阵列或不同介质材料组合而实现的多层人工电磁调制结构，实现对特定波长电磁波的选频、滤波、增透、旋光以及特殊折射等功能。

本发明的另一个目的在于提供一种多层组合的电磁调制结构的制备方法，即利用旋涂沉积与对准套刻方法，制造层间精确对准的多层组合人工电磁调制结构。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的多层组合的人工电磁调制结构，其包括：

衬底材料层；

覆盖在该衬底材料层上的最下层金属亚波长单元阵列层；

依次叠加覆盖于所述最下层金属亚波长单元阵列层上的至少一层周期单元层；

每一层周期单元层均由一介质中间层与覆盖于该介质中间层上的金属亚波长单元阵列层组成；所述的介质中间层为绝缘材料层，其厚度为1nm到100mm。

本发明提供的多层组合的人工电磁调制结构，还可包括：覆盖于最上层周期单元层的金属亚波长阵列层上的一介质覆盖层；所述的介质覆盖层为绝缘材料层，其厚度为1nm到100mm。

所述衬底材料层为清洁平整的对待调制目标波长的电磁波的透过率不低于50％的材料层，所述待调制目标波长的电磁波的目标波长为10mm到200nm的任意波长或波长段。

所述的最下层金属亚波长单元阵列层的金属亚波长单元的形状及各周期单元层中的金属亚波长单元阵列层的金属亚波长单元的形状均为圆环形、方环形、椭圆环形、线条形、开口环形、U形，圆形、方形、椭圆形或上述形状的任意组合；

所述圆环形的直径、圆形的直径、方环形的边长、方形的边长、椭圆形的长轴、椭圆形的短轴、椭环形的长轴、椭环形的短轴、线条形的长及组合图形的几何中心间距均在待调制目标波长的电磁波的目标波长的1/3-1/30之间。

相邻的二个周期单元层中的金属亚波长单元阵列层中的金属亚波长单元阵列在衬底材料层上的投影重叠面积为70％-100％；或者

相邻的二个周期单元层中的金属亚波长单元阵列层中的金属亚波长单元错位0-1/2金属亚波长单元；或者

相邻的二个周期单元层中的金属亚波长单元阵列层中的金属亚波长单元旋转0-180度。