一種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵的製作方法
2023-06-21 12:00:36 4
專利名稱：一種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於功能材料與器件技術領域，應用於中紅外波段具有電磁屏蔽功能的選擇性透波探測窗ロ及帶通式濾波器等紅外光學器件領域。
背景技術：
目前在紅外探測窗ロ的應用領域，需要一種既能夠有效屏蔽電磁幹擾，又能夠透過紅外光的光學窗ロ。當前在應用中多是採用金屬柵網的結構來實現上述功能。這種金屬網柵結構的周期遠大於紅外光的波長，對紅外光學波段的性能影響不大。亞波長金屬周期結構的研究源自上世紀末，從中衍生出 的一門新興學科表面等離激子學(plasmonics)，在國際上已經成為光學、理論物理學等多個學科領域的研究熱點。表面等離子體具有表面局域和近場增強兩個獨特性質，通過對金屬結構的調整可以控制表面等離子體的性質，影響光與金屬結構的相互耦合，控制光的傳播特性。亞波長金屬周期結構的ー個重要應用就是利用表面等離子體實現光的超常透射在遠大於金屬結構周期的波段實現光的超高選擇性透過。哈爾濱エ業大學申請的中國專利「ー種具有雙層方格金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗」(申請號200810063988.0)公開了ー種具有雙層方格金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗，該電磁屏蔽光學窗由兩層結構參數相同的方格金屬網柵或金屬絲網平行放置於光學窗或透明襯底兩側構成，雙層方格金屬網柵的方格邊長大於傳統單層方格金屬網柵方格邊長的2倍,且其兩層方格金屬網柵的間距為其方格邊長的2 4倍,相對於傳統單層方格金屬網柵，採用雙層方格金屬網柵結構的光學窗在不降低透光率的同時，大幅度提高了微波以及毫米波的屏蔽效率，解決了已有光學窗電磁屏蔽技術中高透光率和強電磁屏蔽效率不能同時兼顧的問題。哈爾濱エ業大學申請的另一件中國專利「一種毫米波帶通金屬網柵結構」(申請號201010239333. I)公開了ー種毫米波帶通金屬網柵結構，該金屬網柵結構由方形感性網柵、外諧振圓環和內諧振圓環為周期単元而構成，其中外諧振圓環位於方形感性網柵內部，內諧振圓環位於外諧振圓環內部，且方形感性網柵與外諧振圓環和內諧振圓環具有共同的中心，方形感性網柵的周期小於幹擾電磁波最小波長的二分之一，外諧振圓環的直徑小於方形感性網柵的周期，外諧振圓環的直徑大於內諧振圓環的直徑。應用於毫米波、雷射、紅外三模複合探測儀器的抗電磁幹擾技術領域。在紅外探測的某些應用領域，紅外探測窗ロ不僅需要具有電磁屏蔽功能，同時需要對紅外波段(尤其是波長在2. 5 25微米的中紅外波段)具有選擇性透波功能。但是上述兩種技術方案提出的光學窗ロ雖然可以滿足微波毫米波段的電磁屏蔽，但都無法實現紅外波段的選擇性透波。
發明內容本實用新型的技術解決問題針對目前紅外窗ロ只能透波無法濾波的技術缺陷，提出了一種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵。該金屬光柵在滿足微波毫米波電磁屏蔽功能的同時，對波長在2. 5 25微米的中紅外波段的紅外光具有選擇性透射功能。 本實用新型的技術方案為一種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，如圖I、2所示，包括硒化鋅玻璃襯底I和位於硒化鋅玻璃襯底I表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜2。所述所述周期性孔洞結構中，單個孔洞的半徑r小於孔洞周期P的二分之一，而所述孔洞周期P為I 10微米。上述技術方案中1)所述周期性孔洞結構可以是正方形陣列結構(如圖I所示)，也可以是六角形陣列結構(如圖2所示)；2)所述表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜2的厚度為100 300納米；3)所述表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜2的材料可以是金、銀或鋁。本實用新型提供的中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，當金屬孔洞的陣列周期為I 10微米，金屬薄膜的厚度為100 300納米時，能夠屏蔽微波段的電磁幹擾，同時中紅外波段的透射峰出現在數倍於陣列周期的波段微波段的電磁波將幾乎100%的被反射，正方形陣列的最強透射峰出現在約2. 5倍陣列周期處，六角形陣列的最強透射峰出現在約
2.2倍陣列周期處。上述透射式亞波長金屬光柵的製備方法，可採用以下方法進行製備在硒化鋅玻璃表面旋塗光刻膠，然後採用接觸式紫外曝光機進行圖形轉移，再利用電子束蒸發在圖形化的光刻膠表面沉積上金屬薄膜，使用丙酮剝離法去除光刻膠後，依次再用酒精、去離子水清洗，最後氮氣吹乾即得到所述透射式亞波長金屬光柵。本實用新型與現有技術相比具有以下優點①由於亞波長結構的引入，可實現一個選擇性好，透過率高的透波帶，能夠實現中紅外波段的濾波性能，克服了現有的金屬柵網結構只能透波無法濾波的缺陷。②可通過陣列的周期、孔洞的大小靈活的調節透射峰的位置和強度，帶通性能可控性非常強。③通過陣列結構的調整可以較大範圍的調整透射峰位置和強度，為帶通性能的調控提供了更加多元化的選擇。④採用硒化鋅玻璃作為襯底，其在中紅外波段相比於矽襯底具有更高和更平滑的透過率，同時沒有矽襯底中的特徵吸收峰，透射譜的非歸一化透過率更高。⑤製備工藝簡單、易於實現，能夠獲得大面積的透射式亞波長金屬光柵。
圖I為本實用新型提供的具有正方形陣列結構的中紅外波段透射式亞波長金屬光柵的結構示意圖。圖2為本實用新型提供的具有六角形陣列結構的中紅外波段透射式亞波長金屬光柵的結構示意圖。圖3為本實用新型的金屬鋁薄膜上正方形陣列和六角形陣列孔洞結構的歸一化透射率曲線。
具體實施方式
[0022]
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型做進一步說明。硒化鋅基底I、金屬薄膜結構層2例I、以金屬鋁薄膜上孔洞結構為正方形陣列排布，孔洞周期6微米，孔洞直徑3微米為例①清洗基片，用丙酮，酒精，去離子水依次對基片進行超聲清洗，每個步驟的超聲清洗時間都大約在10分鐘；②利用甩膠機在清洗後的基片表面旋塗上厚度均勻的AZ5214反轉光刻膠；③用烘烤板對塗膠後的基片前烘，烘烤溫度為100攝氏度，時間I分鐘；④採用接觸式紫外曝光機對已塗膠的基片曝光，將掩膜板上的周期性孔洞陣列圖形在紫外光源下轉移到光刻膠上，曝光時間為2. 5秒；⑤用烘烤板對曝光後的基片後烘，使負性光刻膠轉變為正性光刻膠，烘烤溫度為120攝氏度，時間90秒；⑥採用接觸式紫外曝光機對後烘後的基片無掩模泛曝光，曝光時間為45秒；⑦將泛曝光後的基片置於顯影液中顯影，顯影時間為45秒；⑧將經過顯影的樣品置於電子束蒸發系統的真空室內沉積金屬薄膜，蒸發靶材為鋁，蒸發速率約每分鐘12納米，生長時間為17分鐘，金屬薄膜厚度約200納米；⑨用丙酮對生長了金屬薄膜的樣品去膠，並再次用酒精，去離子水清洗，氮氣吹乾後即得到所製備光柵樣品。例2、以金屬鋁薄膜上孔洞結構為六角形陣列排布，陣列周期6微米，孔洞直徑3微米為例除了步驟④外，其它與例I步驟相同。本例中，步驟④所用的光刻掩模板上圖形為六角形孔洞陣列結構排布。對於上述兩種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵樣品，採用傅立葉紅外光譜儀測試了其紅外透射率曲線，如圖3所示六角形陣列結構的金屬光柵在12 15微米(約2. 2倍陣列周期處)實現了一個透過率約30%的透過峰，正方形陣列結構的金屬光柵在13 16微米(約2. 5倍陣列周期處)實現了一個透過率約18%的透過峰。
權利要求1.一種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，包括硒化鋅玻璃襯底(I)和位於硒化鋅玻璃襯底(I)表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜(2);其特徵在於，所述周期性孔洞結構中，單個孔洞的半徑r小於孔洞周期P的二分之一，所述孔洞周期P為I 10微米。
2.根據權利要求I所述的中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，其特徵在於，所述周期性孔洞結構為正方形陣列結構或六角形陣列結構。
3.根據權利要求I或2所述的中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，其特徵在於，所述表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜(2)的厚度為100 300納米。
4.根據權利要求I或2所述的中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，其特徵在於，所述表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜(2)的材料為金、銀或鋁。
專利摘要一種中紅外波段透射式亞波長金屬光柵，屬於功能材料與器件技術領域。包括硒化鋅玻璃襯底和位於硒化鋅玻璃襯底表面具有周期性孔洞結構的金屬薄膜；所述周期性孔洞結構中，單個孔洞的半徑r小於孔洞周期P的二分之一，所述孔洞周期P為1～10微米。本實用新型利用小於紅外波長的亞波長周期性結構，在2.5～25微米的中紅外波段實現了紅外光的選擇性透射，同時屏蔽微波毫米波段電磁波的功能。本實用新型具有結構簡單、易於實現的特點，可應用於需要電磁屏蔽的紅外探測器件中。
文檔編號H01P1/20GK202362479SQ20112045519
公開日2012年8月1日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者周佩珩, 張楠, 謝建良, 鄧龍江 申請人:電子科技大學