[发明专利]一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法

说明书

一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法，它涉及一种工作模式可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法。本发明的目的是要解决平面太赫兹超材料环偶谐振调谐深度小，激励方式所需外部设备复杂、活性材料可选范围窄以及线性属性小的问题。它包括基体硅衬底、梳齿型静电驱动结构、固定金属结构阵列、可动金属结构阵列和悬浮硅框架。方法：一、沉积二氧化硅层；二、锚结构的光刻胶掩膜图形化；三、锚结构形成；四、结构层键合与减薄；五、金属结构单元图形化；六、光刻胶掩膜图形化；七、刻蚀硅和释放MEMS结构。本发明主要用于制备环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器。

技术领域

本发明涉及一种工作模式可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法。

背景技术

经典动力学中，通常有两大多极子系统，分别为电多极子和磁多极子。在这两大多极子系统中，最为常见的为电偶极子和磁偶极子。电偶极子可被看作为由一对相反电荷组成的系统，由于其散射强度大，电磁谐振线宽较宽，可用于天线或局部传感器来探测近场；磁偶极子可等效为一个电流环，电磁谐振线宽相对较窄，可用于低功率非线性处理器或光学敏感器件。作为第三类辐射源，环偶极子是由环形电流诱导产生一对方向相反的磁偶极子，并呈现首尾相接状态，具有几乎无辐射的特殊电磁特性，在核和原子物理领域、固态物理学以及经典电动力学领域具有广泛应用。但由于环偶极子模式对入射电磁波响应很弱，导致在大多数情况下其电磁响应非常微弱，经常被更强的传统电/磁极子所掩盖，严重阻碍了环偶极子的检测和应用。

超材料是一种人工构建的周期性排列的亚波长结构单元阵列，通过合理地设计结构单元的几何形状、大小及排列方式，可实现自然材料不具备的超常电磁特性，例如负折射、电磁隐身和光学变换等特性。因此，通过合理地设计超材料的结构单元，可有效地抑制传统的电/磁偶极子响应，从而增强环偶极子的响应强度，使其达到可观测量级，这对深入研究环偶极子的电磁特性具有重要里程碑意义。通过结构设计和精确制备，目前已有多个基于三维超材料结构的环偶极子被报道，可实现良好的环形磁场限制、以及高强度和高Q因子的环偶谐振。然而，由于受制备工艺的限制，三维太赫兹超材料结构的环偶极子制备仍然具有很大的挑战性，导致当前现有的三维超材料结构的环偶极子主要工作在微波频段，很难在太赫兹高频段实现。

近年来，为了实现太赫兹或光频段的环偶谐振，采用平面超材料结构实现太赫兹环偶谐振引起人们广泛兴趣和关注，逐渐成为超材料研究新分支和热点，其根本原因在于平面太赫兹超材料容易制备。目前，已设计和制备出基于平面太赫兹超材料结构的环偶谐振，使得它们在通讯、安全检测、生化传感等领域都具有潜在的应用价值和应用前景。然而，现有的基于平面超材料结构的环偶谐振响应主要取决于结构单元，其形状和尺寸一旦确定，所对应的谐振工作波长、幅度和带宽也固定，只能在有限的工作带宽内实现单一功能，严重制约和限制了应用范围。

为了克服上述缺陷，通过在平面太赫兹超材料结构单元中集成活性材料实现对环偶谐振的动态调控，成为最前沿的科技领域之一，吸引人们的广泛的兴趣和关注。例如，2017年，X.Chen等人利用由方形开口环谐振器组成的平面太赫兹超材料实现环偶谐振，当超材料结构和单层石墨烯集成时，通过改变石墨烯的费米能可灵活调控环偶谐振的传输幅度。2018年，M.Gupta等人制备了由开口谐振环阵列组成的平面太赫兹超材料，并在开口缝隙处集成一层薄的硅结构；当采用800nm激光泵浦超材料结构时，通过调控泵浦光的功率可灵活调控环偶谐振幅度，而且当泵浦光的功率增大到一定程度时，可使环偶谐振转换为电偶谐振。然而，由于活性材料具有频率依赖属性、可选性有限、以及外部激励的复杂性，不可避免的限制了环偶谐振的调制深度，这些缺陷将会给平面超材料环偶谐振的实际应用带来很大的难度，以及限制了它的实际应用范围。

发明内容

本发明的目的是要解决平面太赫兹超材料环偶谐振调制深度小，激励方式所需外部设备复杂、活性材料可选范围窄以及线性属性小的问题，而提供的一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法。