专利名称：一种鱼叉状连续金属膜吸波材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于光电信息功能器件与新能源材料技术领域。具体地说是设计利用一种由鱼叉状金属微结构阵列构造的连续金属表面，在特定频率实现对电磁波的吸收，使入射电磁波既不透射也不反射。
背景技术：
吸波材料可以在工作频率使得入射的电磁波既不透射也不反射，不但可以有效进行电磁波能量收集，还可以使得被吸波材料覆盖的物体对电磁波全黑达到隐身目的。过去利用人工微结构和超构材料设计的吸波材料，都是基于金属-介质-金属的三明治结构来构造吸波材料(包括铁氧体)。这样设计的吸波材料中可以有效导热和导电的金属部分被导电性导电性较差的介质层分隔开。整个材料的散热效率低，易造成结构的变形甚至熔毁。使用本发明结构设计可以避免这类问题。此外，从透射阻碍材料来看，常规材料很难使透射率和反射率同时为零。
发明内容
本发明目的是，提出一种在介质衬底上制备出鱼叉状结构阵列。并在鱼叉表面和衬底表面溅射上一层数十纳米厚的均匀金属薄膜。通过调控不同的鱼叉尺寸(高度等)，可以在不同频段实现电磁波的吸收。通过对鱼叉状结构的尺寸选择，使材料透射率和反射率在吸收波段基本为零。本发明尤其提供一种中红外波段的电磁波吸收金属膜吸波材料。本发明的技术方案是 ，鱼叉状连续金属膜吸波材料，在介质衬底上制作上均匀分布的两个互相垂直交叉站立的介质材料的U形结构，得到一种类似于鱼叉状的结构单元。随后在全部交叉站立的介质材料的U形结构上方和衬底上表面全覆盖一层金属薄膜；金属薄膜厚度35±5纳米，鱼叉单元周期4±0.5微米，鱼叉中部凸起高度0.6±0.1微米，鱼叉叉针高度1.6±0.2微米，通过调节交叉站立的介质材料的U形结构的几何参数(如叉针高度)，以控制电磁波吸收的频率。以上尺寸的结构对应着在中红外波段1300-1600波数的电磁波吸收。因为金属薄膜阻挡了电磁波的透射，所以透射率基本为零。同时在吸收频率鱼叉状结构中产生面电流振荡，使得反射率也基本为零，因此吸收率接近100% (吸收率=100%-反射率-透射率)。本发明制备方法是，利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在玻璃片上制备出鱼叉状结构阵列。利用磁控溅射在鱼叉表面和衬底表面溅射上一层35纳米厚的均匀薄膜。通过调控鱼叉叉针高度，可以在不同频段实现吸波。本发明的有益效果是:光电信息功能器件与材料制备技术领域。具体地说是设计利用一种由鱼叉状金属微结构阵列构造的连续金属表面，在特定频率实现对电磁波能量的吸收和收集，使入射电磁波既不透射也不反射。以上鱼叉状连续金属膜吸波材料的几何尺寸对应着在吸收频率为中红外波段1300-1600波数。并可以通过调节鱼叉结构的结构尺寸在红外波段调节吸波频率。在绝缘介质衬底(如玻璃、石英、硅片等标准基片)上制作上两个互相垂直交叉站立的U形结构，得到一种类似于鱼叉外形的结构单元。随后在全部结构上方制作上一层金属薄膜在上方连续覆盖全部结构。本发明的有益效果是，过去设计的吸波材料，都是利用金属-介质-金属的三明治结构来构造 吸波材料。这样吸收发生在介质层，由于结构不是全金属连续，因此原理上散热效率和结构的导电性受到影响。而本发明的结构由于吸收发生在金属鱼叉之间，所产生的热量可以迅速通过连续金属散热，器件导热效率高。本发明结构由于金属连续的特性，整块结构是电流导通的。这样的设计可以实现电调控，有利于电控器件的设计制备。本发明结构的金属膜结构下方的介质层可以选用任意材料,对衬底性质基本无要求。所以结构的设计和制备方法都非常灵活。本发明中的利用飞秒脉冲双光子激光直写的制备方法仅仅是举了一个实验的手段。实际生产制备中对于制备方法和工艺并没有强制要求。
图1中(a)是结构重复单元的剖面图，图1中(b)是结构重复单元外部视图。图1中(C)是将结构单元按周期排列的样品示意图。图1中(d)是通过模拟计算得到的透射、反射和吸收谱。图2中(a)是实验制备样品的扫描电镜照片。标尺表示5微米长度。图2中(b)是鱼叉叉针高度为1.4微米的透射反射吸收谱线，在1600波数实现90%的吸收率。图2中(c)是鱼叉叉针高度为1.6微米的透射反射和吸收谱线，在1430波数实现83%的吸收率，图2中(d)是鱼叉叉针高度为1.8微米的透射反射和吸收谱线，在1300波数实现71%的吸收率。图3中(a)是x、y方向具有不同高度的叉针结构的示意图。图3中(b)是x方向叉针高度为1.4微米，y方向叉针高度1.6微米结构测量谱线。图3中(c)是X方向叉针高度为1.4微米，y方向叉针高度1.8微米结构测量谱线。图3中(d)是X方向叉针高度为1.6微米，y方向叉针高度1.8微米结构测量谱线。不意图中的标号说明:I金属薄膜2介质材料构成的U形结构3介质衬底4鱼叉叉针5鱼叉结构中部凸起6x方向鱼叉叉针7y方向鱼叉叉针
具体实施例方式参考附图，如图中结构设计:结构设计如下，图1 (a)是结构单元的剖面图，在绝缘介质衬底(如玻璃、石英、硅片等标准基片)上制作上两个互相垂直交叉站立的U形结构，得到一种类似于鱼叉外形的结构单元。随后在全部结构上方制作上一层金属薄膜在上方连续覆盖全部结构。图1 (b)是外部视图。图1 (C)是将结构单元周期排列的样品示意图。当电磁波沿着-Z方向垂直入射激发的时候，由于结构的四次对称，使得结构与入射光偏振方向无关。图1 (d)是通过模拟计算得到的透射、反射和吸收谱。图1 (d)模拟中利用的结构参数为金属薄膜厚度35纳米，鱼叉单元周期4微米，鱼叉中部凸起高度0.6微米，鱼叉叉针高度1.6微米，通过调节鱼叉叉针高度，可以控制电磁波吸收的频率。因为金属薄膜阻挡了电磁波的透射，所以透射谱线基本为零。在中红外波段1430波数，有一反射谷，在同一频率吸收最强，理论计算吸收率为99.4%。结构周期4微米，叉针高度1.6微米，中部凸起高度0.6微米，叉针边长0.3微米，金属薄膜厚度35纳米。实施例的实验验证:利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在玻璃片上制备出鱼叉状结构阵列。具体方法为:首先在厚度为170微米的玻璃片衬底上匀涂一层光刻胶(德国Nanoscribe公司IPL光刻胶)并安放在压电陶瓷台上，利用光学显微系统将780纳米波长飞秒激光焦点汇聚在光刻胶内。固定激光焦点位置，通过计算机控制压电陶瓷台的移动，使得激光焦点在光刻胶内的相对位置变化，这样在激光焦点处的光刻胶会发生双光子吸收反应，使得光刻胶的化学性质发生变化，由液态转变成固态。之后将激光直写完毕的样品利用显影液进行显影后得到鱼叉状结构阵列。利用磁控溅射在鱼叉表面和衬底表面溅射上一层35纳米厚的均匀薄膜。通过调控不同的鱼叉高度，可以在不同频段实现电磁波能量吸收。图2 (a)是实验制备样品的扫描电镜照片。图2 (b)是鱼叉叉针高度为1.4微米的透射反射吸收谱线，通过傅立叶变换红外光谱仪测量可得在1600波数实现90%的吸收。图2 (c)是鱼叉叉针高度为1.6微米的透射反射和吸收谱线，在1430波数实现83%的吸收率，图2 (d)是鱼叉叉针高度为
1.8微米的透射反射和吸收谱线，在1300波数实现71%的吸收率。通过分别调控X方向的叉针和I方向的叉针高度，我们可以分别在X方向和I方向实现不同频率的吸收。图3(a)是x、y方向具有不同高度的叉针结构的示意图。实验一共设计了三组结构。图3 (b)是X方向叉针高度为1.4微米，y方向叉针高度1.6微米结构测量谱线。通过傅立叶变换红外光谱仪测量。在X偏振方向可以在1600波数实现吸收，在y偏振方向可以在1430波数实现吸收。图3 (c)是X方向叉针高度为1.4微米，y方向叉针高度1.8微米结构测量谱线。通过测量，在X偏振方向可以在1600波数实现吸收，在y偏振方向可以在1300波数实现吸收。图3(d)是X方向叉针高度为1.6微米，y方向叉针高度1.8微米结构测量谱线。通过测量，在X偏振方向可以在1430波数实现吸收，在y偏振方向可以在1300波数实现吸收。虽然本发明已以·较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.鱼叉状连续金属膜吸波材料，其特征是在介质衬底上制作均匀分布的两个互相垂直交叉站立的介质材料U形结构，得到一种鱼叉状结构单元；随后在全部交叉站立的介质材料的U形结构上方和衬底上表面全覆盖一层金属薄膜；金属薄膜厚度35 ± 5纳米，鱼叉状结构单元周期4±0.5微米，所述鱼叉状结构单元中鱼叉座中部凸起高度0.6±0.1微米，鱼叉叉针高度1.6±0.2微米，通过调节鱼叉状结构单元的尺寸参数，以实现在不同频率对入射电磁波的吸收。
2.根据权利要求1所述的鱼叉状连续金属膜吸波材料，其特征是以上尺寸的结构对应着电磁波吸收频率范围在中红外波段1300-1600波数。
3.鱼叉状连续金属膜吸波材料的制备方法，其特征是利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在衬底片上制备出鱼叉状结构阵列；利用磁控溅射在鱼叉表面和衬底表面溅射上一层35±5纳米厚的均匀覆盖的金属薄膜。
4.根据权利要求3所述的鱼叉状连续金属膜吸波材料的制备方法，其特征是制备的鱼叉状金属膜吸波材 料对应着在中红外波段1300-1600波数的电磁波吸收。
全文摘要
鱼叉状连续金属膜吸波材料，在介质衬底上制作均匀分布的两个互相垂直交叉站立的介质材料U形结构,得到一种鱼叉状结构单元；随后在全部交叉站立的介质材料的U形结构上方和衬底上表面全覆盖一层金属薄膜；金属薄膜厚度35±5纳米，鱼叉状结构单元周期4±0.5微米，所述鱼叉状结构单元中鱼叉座中部凸起高度0.6±0.1微米，鱼叉叉针高度1.6±0.2微米，通过调节鱼叉状结构单元的尺寸参数，以实现在不同频率对入射电磁波的吸收。
文档编号B82Y40/00GK103233206SQ201310138120
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者王牧, 彭茹雯, 熊翔, 蒋尚池, 郝西萍, 马国斌 申请人:南京大学