[发明专利]一种具有红外高折射率低色散的超材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有红外高折射率低色散的超材料，包括金属纳米线阵列和介质层，金属纳米线阵列垂直嵌入到介质层；金属纳米线阵列由多个金属纳米线组成，金属纳米线直径不小于2nm，长度与介质层厚度相同，金属纳米线之间的间距为1‑6nm；金属纳米线在所述超材料的体积百分数为5％‑50％；介质层为半导体或陶瓷介质。该超材料具有较高的折射率和较低色散，本发明还公开了一种具有红外高折射率低色散的超材料的制备方法，包括：预处理衬底；选取金属，陶瓷或半导体分别作为共溅射靶材，进行多靶磁控共溅射，同时施加等离子体轰击辅助，制得金属纳米线阵列‑陶瓷或半导体复合层超材料。该制备方法操作简单、高效。

技术领域

本发明属于光学薄膜(纳米材料)领域，具体涉及一种具有红外高折射率低色散的超材料及其制备方法。

背景技术

折射率与材料的电磁特性密切相关，尤其对于高折射率材料，在器件的微型化以及提高成像分辨率等方面都有着关键作用，然而在可见光至近红外范围内，天然透明材料的折射率普遍被限制在4以内，这大大限制了材料在纳米成像、集成光学等新型光学领域的应用。另一方面，常见材料的折射率会随着入射光波长的不同而变化，所产生的色散会引发难以消除的剩余色差问题，给镜头等光学元件的设计带来了十分不利的影响。所以，获得一种兼具高折射率、低色散的材料对于纳米光学、超分辨成像以及光学元器件的微型化等方面都有着迫切的需求。

二十一世纪初以来，超材料的迅速发展给予了研究人员自由调控材料光学性能的新思路，成为跨越折射率限制的最佳途径。其中，获得高折射率的关键在于提高介电常数ε和磁导率μ，抑制材料的抗磁响应。超材料是具有亚波长尺度的人工周期结构，可以方便地调控材料自身的折射率，与此同时，在共振波段外，由于超材料单元的尺度要远小于金属的趋肤深度，因此，此时的超材料的吸收可以忽略不计，所带来的色散效应也大大减小。通过周期工字形金属阵列(两个金属平面间通过经过质心的直线相连)密排，可以在太赫兹波段获得高折射率特性。其原理在于，当电磁波与周期结构相互作用时，会在邻近单元结构表面激发等量极性互异的电荷，引发电容耦合效应，增强局部极化强度P(ε＝1+P/ε₀E)，最终提高材料的介电常数。另一方面，需要通过减小某一维度的厚度来抑制单元结构内循环位移电流带来的抗磁效应，可使磁导率μ尽可能地接近1。获得高折射率超材料，需要同时兼顾单元间的强电容耦合及单元结构的优化，这给超材料的大面积可控制备带来了挑战。

公开号为CN209249703U的中国专利文献公开了一种基于环型结构和双工字型结构的微波高折射率超材料。该专利所述的单元由两个垂直分布的工字型铜金属构成，金属之间由介质层隔开。通过数值仿真及电磁参数提取，计算所得的等效折射率的值在6.55GHz～10.32GHz频段内为27左右，且表现为低色散性。公开号为CN103941316A的中国专利文献公开了一种偏振不敏感的太赫兹高折射率超材料及其制备方法。该专利利用电子束真空蒸镀和光刻法，制备的超材料结构单元为嵌入在介质材料中的两个垂直对称设置的工字型金属材料。该单元在平面上呈周期性排布，形成单层的二维超材料。所得到的超材料在1THz处折射率峰值为60，高于2THz时折射率保持在20左右。尽管通过这些工字型超材料可以在微波和太赫兹波段获得非常高的折射率，然而对于可见至近红外等较短波长难以适用，这主要是由于结构单元的尺寸太大，同时自上而下的光刻工艺难以实现纳米级的间隙，超材料的高折射率特性向可见及近红外波段拓展仍然面临着巨大障碍。