多频带波长选择性结构的制作方法

本申请总体上涉及基于等离子体表面结构的波长选择性表面，更具体地涉及具有多个谐振的波长选择性表面。

背景技术：

可以提供频率选择性表面以选择性地减少入射电磁辐射的反射。可以在签名管理应用中采用这样的表面以减少雷达回波。这些应用通常在电磁频谱的射频部分中使用。

在吉尔伯特的第6,538,596号美国专利中描述了在射频应用中使用布置在接地层上方的多个频率选择性表面。吉尔伯特依赖于提供虚拟连续四分之一波长效应的多个频率选择性表面。这样的四分之一波长效应导致结构表面上的场的消除。因此，虽然各个层可以以小于四分之一波长(例如，λ/12或λ/16)间距开，但吉尔伯特依赖于来自四个片中的三个的宏观(远场)谐振的叠加，使得所得到的结构厚度将在四分之一波长的数量级上。

在puscasu等人的第7,956,793号美国专利中描述了使用导电表面元件来产生可调谐吸收结构/装置。puscasu使用具有多个表面元件的单个传导层来产生与表面元件的尺寸相关的可调谐主谐振。效率较低的次谐振由多个表面元件的中心到中心间距来限定。puscasu的谐振在电磁频谱的可见光和红外线部分产生。

技术实现要素：

本发明人已经认识到并且理解到需要在电磁频谱的可见光部分和红外线部分中具有多个高吸收和/或反射谐振的波长选择性结构。

因此，一些实施方式涉及一种用于选择性地对电磁可见光或红外线辐射进行反射或吸收的结构。该结构包括具有多个层的波长选择性表面，多个层包括：形成多个表面元件的复合层；电隔离中间层，其中，复合层与电隔离中间层的第一表面接触；以及与电隔离中间层的第二表面接触的连续导电层。复合层包括至少一个金属层和至少一个电介质层。波长选择性表面具有至少一个谐振频带，以用于基于多个表面元件与连续导电层之间的谐振电磁耦合来选择性地对可见光或红外线辐射进行反射或吸收。

一些实施方式涉及选择性地对电磁辐射进行反射或吸收的方法。该方法包括提供包括多个层的波长选择性结构。多个层包括：具有多个表面元件的复合层；电隔离中间层，其中，复合层与电隔离中间层的第一表面接触；以及与电隔离中间层的第二表面接触的连续导电层。复合层包括至少一个金属层和至少一个电介质层。波长选择性结构具有至少一个谐振频带，以用于基于多个表面元件与连续导电层之间的谐振电磁耦合来选择性地对可见光或红外线辐射进行反射或吸收。该方法还包括接收波长选择性结构处的入射电磁辐射，对入射电磁辐射在至少一个谐振吸收频带内的第一部分进行吸收，并且对入射电磁辐射在至少一个谐振吸收频带外的第二部分进行反射。

附图说明

附图并不是按比例绘制的。在附图中，各个图中所示的每个相同或几乎相同的部件由相同的附图标记来表示。为了清楚起见，并非每个部件在每个图中都被标注。在附图中：

图1示出了具有矩形阵列表面元件的波长选择性结构的一个实施方式的俯视立体图；

图2示出了图1的波长选择性表面的俯视平面图；

图3示出了具有六角形阵列的正方形表面元件的根据本发明的原理的波长选择性结构的另一实施方式的俯视平面图；

图4示出了具有两个不同阵列的波长选择性结构的另一实施方式的俯视平面图；

图5示出了图4的结构的替选实施方式的俯视平面图；

图6示出了具有限定在复合层中的孔的波长选择性结构的替选实施方式的俯视立体图；

图7a示出了图1的波长选择性结构沿a-a所截取的截面正视图；

图7b示出了图6的波长选择性结构沿b-b所截取的截面正视图；

图7c示出了仅具有在表面元件下方的中间层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图7d示出了具有第二中间层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图7e示出了在单个表面功件(feature)内具有包括不同尺寸的金属层的复合层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图8a示出了具有覆盖复合层的上覆层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图8b示出了具有覆盖复合层的上覆层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图8c示出了具有部分填充复合层的表面功件之间的间隙的上覆层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图8d示出了具有覆盖复合层的共形上覆层的波长选择性结构的替选实施方式的截面正视图；

图9以图解形式示出了示例性反射率波长响应以及随周期性和表面元件的尺寸变化的结果；

图10以图解形式示出了示例性反射率波长响应以及随结构内的层之一的材料变化的结果；

图11a以图解形式示出了示例性反射率波长响应以及随电介质中间层的厚度变化的结果；

图11b以图解形式示出了根据一个双频带实施方式的示例性反射率波长响应；

图11c以图解形式示出了根据一个双频带实施方式的示例性吸收-波长响应；

图11d以图解形式示出了根据一个三频带实施方式的示例性吸收-波长响应；以及

图11e以图解形式示出了根据一个三频带实施方式的示例性吸收-波长响应。

具体实施方式

本发明人已经认识到，设置在其自身位于传导层表面上的电介质表面上的多层表面元件导致电磁频谱的可见光部分和红外线部分中的多重谐振。可以通过将表面元件制造成具有特定尺寸和/或形状，和/或制造成以表面上的特定排列分布，和/或通过选择形成结构中的任何层的材料，和/或通过选择该结构的任何层的厚度来适当地对谐振的峰值波长、带宽和效率进行调谐。以这种方式，谐振可以与特定应用感兴趣的频带相匹配。例如，可以在电磁频谱的短波红外线(swir)部分、长波红外线(lwir)部分、中波红外线(mwir)部分或可见光部分中分别对谐振进行调谐。

在一些实施方式中，谐振可以是吸收谐振和/或反射谐振。可以通过在制造期间选择波长选择性结构的特性来“静态地”对谐振进行调谐。例如，可以选择所使用的材料类型、多层表面元件的尺寸、多层表面元件之间的距离、多层表面元件中的金属层的形状、多层表面元件中的各个层的厚度、多层表面元件的阵列中的缺陷的引入、结构中的任何层或特别是覆盖多层表面元件的上覆层的形状、材料和/或厚度，使得谐振中的一个或更多个谐振具有期望的特性。

在一些实施方式中，表面元件是设置在电绝缘中间层上的凸起“片”。在其他实施方式中，表面元件是形成在多层复合层中的孔。在一些实施方式中，表面元件的第一部分可以是孔，而表面元件的第二部分可以是片。

图1示出了根据本申请的一些实施方式的波长选择性结构10。波长选择性结构10包括至少三个可区分的层。第一层是包括表面元件20的排列的复合层12。复合层12包括图1中未示出但在下面详细讨论的多个层。复合层12的表面元件20设置在包括连续导电片的内层或接地层14之上的高度处。表面元件20的排列和接地层14通过设置在其间的中间层16而分开。中间层16的至少一个功能是保持表面元件20的排列与接地层14之间的物理分离。中间层16还提供复合层12与接地层14之间的至少一些电隔离。

在一些实施方式中，波长选择性结构10暴露于入射电磁辐射22中。入射辐射22的可变部分耦合至波长选择性结构10。如由相关设计参数所确定的，耦合的程度至少部分地取决于入射辐射22的波长和波长选择性结构10的谐振波长。耦合至波长选择性结构10的辐射也可以被称为吸收辐射。在其他非谐振波长下，很大一部分入射辐射被反射24。

更详细地，复合层12包括多个离散表面功件，例如，沿着中间层16的表面18以图案布置的表面元件20。在一些实施方式中，表面功件20的排列的离散性质要求各个表面元件20彼此隔开。在这些实施方式中，表面元件之间不存在互连。然而，实施方式不限于此。在其他实施方式中，通过导电路径可以存在两个或更多个单独表面元件20的一个或更多个互连。尽管图1中未示出，但是两个或更多个单独表面元件可以电连接以形成产生新谐振的复合表面元件。例如，两个或更多个单独表面元件可以通过至少一个金属互连来连接。可替选地，两个或更多个单独表面元件之间的互连可以由与各个表面元件本身相同的复合层形成。

包括表面元件20的排列的复合层12通常是平坦的，垂直于中间层表面18测量的尺寸、高度最小。然而，实施方式不限于具有表面元件20的平坦布置。在其他实施方式中，表面元件20的第一部分可以具有第一高度，并且表面元件20的第二部分可以具有不同于第一高度的第二高度。通常，每个表面元件20限定表面形状和垂直于中间层表面18测量的高度或厚度。通常，表面形状可以是任何形状，例如，封闭或开放曲线、正多边形、不规则多边形、具有三个或更多个分支(leg)的星形以及由包括一个或更多个曲线和线的分段连续表面限制的其他封闭结构。在一些实施方式中，表面形状可以包括环形功件，例如，具有开放中心区域的环形片。更一般地，环形功件具有限定片的外部形状的外周界和限定片的开放内部区域的形状的内周界。外周界和内周界中的每一个可以具有相似形状(如在环形结构中)或不同形状。内周界和外周界的形状可以包括上面列出的任何封闭形状(例如，具有方形开放中心的圆形片)。可能的形状的非详尽清单包括：圆形；椭圆形；圆形环；矩形；正方形；方形环；三角形；六边形；八边形；平行四边形；十字形；耶路撒冷十字形；双圆形；开放的圆形环；以及开放的方形环。

虽然图1示出了形状、尺寸、间距、层数、材料类型和层厚度均相同的所有表面元件，但是在一些实施方式中，表面元件的形状、尺寸和间距、层数、材料类型和层厚度可以彼此不同。例如，一些实施方式可以包括表面元件的两种交叠的周期图案，每种周期图案与不同的一组特性相关联。在其他实施方式中，可以通过例如将每第n个表面元件相对于阵列的周期性略微移位和/或针对每第n个表面元件使用不同尺寸或形状的表面元件来对表面元件的阵列引入缺陷。在其他实施方式中，每第n个表面元件可以是不同尺寸(略大或略小)、不同形状、不同材料或不同厚度。这样的缺陷可能增加一个或更多个谐振和/或影响不存在所述缺陷的谐振的特性。通常，并非所有的表面元件在组成、形状、尺寸或材料方面都必须相同。此外，并非所有的表面元件都必须是同一类型。例如，表面元件的第一部分可以是片，而元件的第二部分可以是孔。

此外，如随后结合图7a至图8d所描述的，每个表面元件内的层可以具有相同的尺寸和形状。然而，实施方式不限于此。在一些实施方式中，在每个表面元件内，不同的层可以具有不同的形状和尺寸。例如，表面元件的第一金属层的直径可以大于同一表面元件的第二金属层的直径。此外，第一金属层和/或电介质层的形状可以与该表面元件的第二金属层的形状不同。

表面元件20中的每一个可以包括包含导电材料、介电材料和/或半导体材料的多个层。例如，在一些实施方式中，表面元件20形成在包括电介质层和金属层的交替层的复合层中。

传导材料可以包括但不限于：普通金属导体，例如，铝、铜、金、银、铁、镍、锡、铅、铂、钛、钽和锌；一种或更多种金属以叠加多层形式的组合或金属合金，例如，钢；以及陶瓷导体，例如，铟锡氧化物和钛氮化物。在一些实施方式中，导电材料可以包括类金属材料，例如，掺杂有一种或更多种杂质以增加导电性的重掺杂半导体。

表面元件20的半导体材料可以包括但不限于：硅和锗；化合物半导体，例如，碳化硅、砷化镓和磷化铟；以及合金，例如，硅锗和砷化铝镓。

表面元件20的介电材料可以由电绝缘材料形成。介电材料的一些示例包括：二氧化硅(sio2)；氧化铝(al2o3)；氮氧化铝；氮化硅(si3n4)。其他示例性电介质包括聚合物、橡胶、硅橡胶、纤维素材料、陶瓷、玻璃和晶体。介电材料还包括：半导体，例如，硅和锗；化合物半导体，例如，碳化硅、砷化镓和磷化铟；以及合金，例如硅锗和砷化铝镓；及其组合。

接地层14可以由上述导电材料中的任何一种形成。

中间层16可以由上述电绝缘材料中的任何一种形成。由于介电材料往往将电场集中在其自身内，所以中间电介质层16可以进行相同的操作，从而将感应电场集中在表面元件20中的每一个与接地层14的近侧区之间。有利地，电场的这样的集中往往使表面元件20的排列与接地层14的电磁耦合增强。

介电材料可以通过表示其物理性质的参数来表征，例如，折射系数的实部和虚部通常被称为“n”和“k”。尽管可以使用这些参数的常数值n、k来获得材料性能的估计，但是这些参数通常是依赖于物理可实现材料的波长。在一些实施方式中，中间层16包括所谓的高k材料。这样的材料的示例包括其k值可以在0.001至10的范围内的氧化物。

表面元件20的排列可以以非阵列布置或中间层表面18上的阵列来配置。现在参照图2，波长选择性结构10包括表面元件20的阵列，每个表面元件20是复合层12的一部分。多个表面元件20沿着中间层表面18布置在正方形栅格中。正方形栅格或矩阵布置是规格阵列的示例，意味着相邻表面元件20之间的间距基本上是均匀的。规格阵列或栅格的其他示例包括六边形栅格、三角形栅格、斜栅格、居中的矩形栅格以及阿基米德栅格。在一些实施方式中，阵列可以是不规则的，甚至是随机的。各个元件20中的每一个的形状可以基本上相同(例如，所示的圆形形状)或不同。

尽管示出并描述了平坦的元件，但是其他形状也是可以的。例如，多个表面元件20中的每一个可以具有相对于中间层表面18不平坦的剖面，例如，平行六面体、立方体、圆顶、金字塔、梯形或更一般地为任何其他形状。以这种方式，在表面元件20内处于第一高度的第一金属层的尺寸可以与在同一表面元件20内处于第二高度的第二金属层的尺寸不同。与其他现有技术相比，一些实施方式的一个优点在于放宽了表面的制造公差。高场区存在于多个表面元件20中的每一个的下方、表面元件20与接地层14的相应区域之间。表面元件还在其本身之间耦合，从而产生不同的谐振，这可能受不同表面元件之间的距离的影响更大。

更详细地，图2所示的圆形元件20中的每一个具有相应的直径d。在一些实施方式中，该直径d是表面元件的“大小”。在示例性正方形栅格中，圆形元件20中的每一个以中心到中心测量的均匀栅格间距a与其四个紧邻的表面元件20分开。在一些实施方式中，该距离a是表面元件之间的“间距”。然而，实施方式不限于单个尺寸和单个间距。例如，具有第一间距和第一形状的表面元件的第一规则栅格可以叠加在具有第二间距和第二形状的表面元件的第二规则栅格上。以这种方式，可以产生多个谐振。

图3示出了包括表面元件42的六边形排列或阵列的波长选择性结构40的替选实施方式。离散表面元件中的每一个包括侧面尺寸为d'的正方形表面元件44。在一些实施方式中，该侧面尺寸d'是表面元件的“大小”。六边形阵列42的紧邻元件44之间的中心到中心的间距为约a'。在一些实施方式中，该距离a'是表面元件的“间距”。为了在电磁频谱的红外线部分中形成谐振，直径d'可以为例如约0.5微米(针对近红外线)至50微米(针对远红外线和太赫兹)之间，应当理解，任何这样的限制不固定，并且会根据诸如折射系数(n)、吸收系数(k)和层的厚度等因素而变化。

阵列间距a可以如所期望的那样小，只要表面元件20彼此不接触即可。因此，最小间距将在一定程度上取决于表面功件20的尺寸。也就是说，最小间距必须大于表面元件的最大直径(即，a>d)。表面元件可以如所期望地分开那样远，但是由于总表面被表面元件覆盖的部分降至低于10％，吸收响应可能会受到栅格间距增加的影响。因此，在一些实施方式中，总表面被表面元件覆盖超过10％、超过15％或超过20％。

在一些实施方式中，沿着波长选择性表面的同一外部复合层提供了多于一种的均匀尺寸功件的排列。图4所示的是具有沿同一表面设置的两种不同的表面功件的排列102a、102b(一般为102)的一种这样的波长选择性结构100的平面图。第一排列102a包括均匀尺寸圆形片104a的三角形阵列或栅格，其中每个具有直径d1并且以均匀的栅格间距a与其最近邻分开。类似地，第二排列102b包括均匀尺寸圆形片104b的三角形栅格，其中每个具有直径d2并且以均匀的栅格间距a与其最近邻分开。在圆形片104a、104b之间可见的是中间层的外表面18。排列102a、102b中的每一个占据中间层表面18的相应的非交叠区106a、106b。除了在同一表面18上存在两种不同的排列102a、102b以外，波长选择性结构100基本上类似于上文所述的其他波长选择性结构。也就是说，波长选择性结构100还包括接地层14(在该视图中不可见)和设置在接地层14与圆形片104a、104b的底表面之间的中间绝缘层16。

不同排列102a、102b中的每一个与另一个的不同之处在于不同圆形片104a、104b的相应直径(即，d2>d1)。其他设计属性，包括形状(即，圆形)、栅格格式(即，三角形)和两个排列102a、102b的栅格间距基本上相同。多谐振结构的其他变型也是可以的，其中两个或更多个不同的表面排列根据以下项中的一个或更多个彼此不同：形状；尺寸；栅格格式；间距；以及材料的选择。尺寸包括波长选择性结构100的多个层14、16、102中的每一个的厚度。也可以在区域106a、106b中的一个或更多个中使用不同的材料。例如，在一个区域106a中布置金圆形片102a，而在另一个区域106b中布置铝圆形片102b。

在操作中，不同区域106a、106b中的每一个将分别有助于来自同一波长选择性结构100的不同谐振。因此，一个结构可以被配置成选择性地对多于一个光谱区内的入射电磁辐射提供谐振响应。这样的特征在ir应用中是有利的，其中波长选择性结构100在多于一个ir频带中提供谐振吸收峰。因此，可以在3微米至5微米的ir波段内提供第一谐振峰，而同时可以在7微米至14微米的ir波段内提供第二谐振峰，使得同一结构能够同时对在两个ir波段中的任一个中操作的ir检测器可见。

在一些实施方式中，不同排列102a'和102b'可以在同一区域的至少一部分内交叠。图5所示的一个实施方式包括基本上完全交叠，其中第一排列102a'包括具有第一直径d1的均匀尺寸圆形片104a'的三角形栅格，第二排列102b'包括具有第二直径d2的均匀尺寸圆形片104b'的三角形栅格，第一排列102a'与第二排列102b'置于同一区域中。每个排列102a'、102b'的栅格间距为a。当暴露于入射电磁辐射中时，波长选择性结构100'将产生多于一种谐振特征，每种谐振特征对应于不同排列102a'、102b'中对应的一个。与前面的示例一样，可以在不同排列102a'、102b'之间变化的参数中的一个或更多个包括：形状；尺寸；栅格格式；间距；以及材料的选择。

在其他实施方式中(未示出)，与上述关于图4和图5所描述的结构类似的结构形成有互补表面。因此，单个结构可以包括形成在上述复合层中并且与公共接地层隔离的通孔的两种或更多种不同布置。通孔尺寸、形状、栅格格式、栅格间距、厚度和材料中的一个或更多个可以变化以区分两种或更多种不同排列。再次，所得到的结构针对两种或更多种不同排列中的每一种呈现出至少一个相应的谐振特征。

图6中示出一组(family)可替选的波长选择性结构30的示例性实施方式。替选波长选择性结构30还包括堆叠在接地层14上的中间层16。然而，包含至少一个金属层和至少一个电介质层的复合层32包括互补功件34。包括在复合层32中的互补功件34限定通孔、孔或穿孔的布置。

复合层32可以形成为具有均匀厚度。通孔34的布置包括多个单独通孔36，其中每一个使中间层16的相应表面区域38露出。通孔36中的每一个形成由形成在复合层32内的封闭周界限制的相应形状。每个通孔36的形状包括上面参考表面元件20(图1)、44(图3)所描述的任何形状。

此外，通孔36可以根据上面参考表面元件20、44所描述的任何配置来布置。这包括正方形栅格、矩形栅格、斜栅格、居中的矩形栅格、三角形栅格、六边形栅格以及随机栅格。因此，表面元件36的任何可能的排列以及相应的中间层表面18的露出区域可以以互补方式来复制，因为表面元件20由通孔36代替并且中间层表面18的露出区域由复合层32代替。

图7a中示出了波长选择性结构10的截面正视图。导电接地层14具有基本均匀的厚度hg。中间层16具有基本均匀的厚度hd，并且包括多个表面元件20的复合层12具有基本均匀的厚度hp。不同的层12、14、16可以在其间没有间隙的情况下进行堆叠，使得所得到的波长选择性结构10的总厚度ht基本上等于三个单独层14、16、12中的每一个的厚度之和(即，ht＝hg+hd+hp)。图7b中示出了互补波长选择性结构30的截面正视图并且包括三个层14、16、32的类似排列。

复合层12和复合层32均包括第一金属层21、电介质层23和第二金属层25。然而，实施方式不限于该数目的金属层和电介质层。在一些实施方式中，复合层12和复合层32可以包括三个、四个、五个或更多个金属层。每个金属层可以被至少一个电介质层分开。在一些实施方式中，多个金属层中的每一个可以由不同的金属形成，并且每个电介质层可以由不同的介电材料形成。在其他实施方式中，一些金属层可以由相同金属材料形成，并且一些电介质层可以由相同介电材料形成。如同由波长选择性结构10的设计所确定的，各个金属层21和25中的每一个以及电介质层23的厚度或高度可以不同。此外，层中的每一个不限于具有恒定厚度。层中的任何一个层的厚度在每个表面元件内或表面元件之间可以变化。

在一些实施方式中，中间绝缘层相对于接地层具有不均匀的厚度。例如，中间层可以在离散传导表面元件中的每一个下方具有第一厚度hd，并且在未被表面元件覆盖的区域处具有不同的厚度或高度。重要的是，在表面元件中的每一个下方提供足够的绝缘材料层以保持设计分离并且提供表面元件与接地层之间的隔离。在至少一个示例中，除了在表面元件紧下方的那些区域以外，可以基本上去除所有区域处的绝缘材料。该实施方式的示例在图7c中示出，图7c示出了在每个表面元件紧下方分离成多个离散元件的中间层16。在其他实施方式中，绝缘层可以包括变型，例如，表面元件之间的锥形。本发明设计的至少一个益处是放宽了设计公差，从而使结构的制造简化。

对于波长选择性表面10、30的各种实施方式，针对各个层12、32、16、14中的每一个选择的厚度(hp、hd、hg)以及金属层21和25以及电介质层23中的每一个的厚度可以独立地变化。例如，接地层14可以形成为相对较厚且为刚性，以为中间层16以及复合层12、32提供支撑结构。可替选地，接地层14可以形成为薄的层，只要薄的接地层14形成提供连续接地的材料的基本上连续导电层。优选地，接地层14至少与感兴趣的光谱区内的一个集肤深度一样厚。在一些实施方式中，接地层14可以在感兴趣的光谱区内是不透明的。因此，电磁辐射通过波长选择性结构的透射为零，并且来自波长选择性结构的吸收和反射的总和等于1。换言之，吸收和反射是互补的。类似地，在波长选择性表面10、30的不同实施方式中，相应的复合层12、32可以形成有从相对较薄到相对较厚的厚度hp。在相对薄的实施方式中，复合层厚度hp可以是使中间层表面18不透明所需的最小厚度。优选地，复合层12、32至少与感兴趣的光谱区内的一个集肤深度一样厚。在一些实施方式中，金属层21和25中的每一个至少与感兴趣的光谱区内的一个集肤深度一样厚。

同样地，中间层厚度hd可以形成为如所期望的那样薄，只要在外导电层12、32和内导电层14之间保持电隔离即可。也可以确定最小厚度以防止在最高预期的感应电场下在隔离的传导层之间产生电弧。可替选地，中间层厚度hd可以形成得相对厚。厚度的概念可以相对于操作的电磁波长λc或谐振波长来定义。作为示例而非限制，中间层厚度hd可以在约0.01倍λc(在相对薄的实施方式中)至约0.5倍λc(在相对厚的实施方式中)之间选择。

参照图7d，波长选择性结构38的截面图包括设置在接地层14上方的包括多个表面功件20的复合层12，其中，中间绝缘层16设置在表面功件20与接地层14之间。波长选择性结构38还包括设置在绝缘层的顶表面18与表面功件20的底表面之间的第二中间层39。第二层39也是绝缘材料，使得各个表面功件20保持离散并且对于非时变电激励彼此电隔离。例如，第二中间层39可以由被选择为材料性能n、k不同于第一中间层16的材料性能的介电材料形成。可以使用任何介电材料，包括本文中所描述的任何介电材料。可替选地或另外地，第二中间层39可以由半导体材料形成。在半导体包括电绝缘模式的条件下，可以使用任何半导体，包括本文中所描述的那些半导体和半导体化合物。更一般地，可以在波长选择性结构38的三个层14、16、20中的任何两个之间设置具有上面关于第二中间层39所描述的物理性质的第四层。

参照图7e，波长选择性结构10的截面图包括设置在接地层14上方的包括多个表面功件20的复合层12，其中，中间绝缘层16设置在表面功件20与接地层14之间。在该具体实施方式中，每个表面功件20包括第一金属层21和第二金属层25，每个金属层具有不同的特征尺寸。例如，如图所示，第一金属层21是具有第一直径d1的圆形片，并且第二金属层25是具有第二直径d2的圆形片。电介质层23被示出为具有与第一金属层21相同的直径d1。然而，在其他实施方式中，电介质层23可以具有与第二直径d2相同的直径。在其他实施方式中，电介质层23可以具有小于第一直径d1且大于第二直径d2的直径d3(即，d2<d3<d1)。在一些实施方式中，除了在单个表面功件内具有不同尺寸的金属层以外，第一金属层21的形状可以不同于第二金属层25的形状。此外，尽管图7e示出了为片的表面功件，但是在使用孔作为表面功件的情况下，也可以实现类似的配置，使得不作为表面功件的复合层的金属层可以具有不同的尺寸，从而使特定孔在复合层内的不同深度处具有不同尺寸。

可以使用标准半导体制造技术来形成波长选择性表面10、30、38。可以使用标准制造技术在典型的半导体衬底上获得薄的结构，其也可以被转移至柔性或刚性的其他类型的衬底，例如，塑料、薄膜筒(filmroll)、玻璃或带条。

可替选地或另外地，可以使用包括真空沉积、化学气相沉积和溅射的薄膜技术来形成波长选择性表面10、30、38。在一些实施方式中，可以使用印刷技术来形成复合层12、32。可以通过提供连续导电表面层来形成表面功件，然后通过去除表面层的区域来形成表面功件的多个金属层。可以使用标准的物理或化学蚀刻技术来形成区域。可替选地或另外地，可以通过激光烧蚀，通过从表面去除导电材料的选定区域，或通过纳米压印或冲压、滚筒对滚筒印刷或本领域技术人员已知的其他制造方法来形成表面功件。

参照图8a，示出了具有上覆层52的波长选择性结构50的替选实施方式的截面正视图。类似于上述实施方式，波长选择性结构50包括设置在接地层14上方的某一高度处并且通过中间层16与接地层14分开的具有表面元件20的排列(图1)的复合层12。上覆层52表示设置在复合层12的顶部上的第四层或覆板52。

上覆层52可以形成为具有从中间层16的表面18到与中间层16的表面18相对的上覆层52的顶表面测量的厚度hc。在一些实施方式中，上覆层52的厚度hc大于复合层12的厚度(即，hc>hp)。上覆层52可以形成有均匀厚度以提供平坦的外表面。可替选地或另外地，沿着下面的复合层12的轮廓，可以形成厚度变化的上覆层52。

上覆层材料52可以被选择成具有允许入射电磁辐射的至少一部分透入上覆层52中并且与下面的层12、14和16中的一个或更多个起反应的选定物理性质(例如，k，n)。在一些实施方式中，上覆材料52在主要吸收波长附近基本上是光学透明的，以使所有的入射电磁辐射基本上通过。例如，上覆材料52可以由玻璃、陶瓷、聚合物或半导体形成。除了涂漆和/或浸渍以外，可以使用上面关于其他层12、14、16所述的制造技术中的任何一种或更多种来施加上覆材料52。

在一些实施方式中，上覆层52提供被选择以增强波长选择性结构在预定应用中的性能的物理性质。例如，上覆材料52可以具有一种或更多种光学性质，例如，吸收、折射和反射。这些性质可以用于有利地改变入射电磁辐射。这样的改变包括聚焦、去聚焦和滤波。滤波器可以包括低通、高通、带通和带阻。

上覆材料52事实上可以是防护性的，允许波长选择性结构50在提供环境保护的同时起作用。例如，上覆材料52可以保护复合层12免受由于暴露于湿气中而被腐蚀和氧化。可替选地或另外地，上覆材料52可以保护暴露的层12、16中的任一个免受由于恶劣(例如，腐蚀性的)环境而被侵蚀。当在某些应用中使用波长选择性结构时，常常会遇到这样恶劣的环境。从防护性上覆材料52受益的至少一种这样的应用可以是海洋应用，其中防护性上覆层52将保护复合层12或32免受腐蚀。

在图8b所示的另一实施方式中，波长选择性结构60包括施加在限定通孔34(包括单独孔36)(图6)的布置的复合层32上的上覆材料62。上覆材料62可以被施加成从中间层16的表面18测量的最大厚度hc大于复合层32的厚度(即，hc>hp)。上覆材料62还可以提供平坦的外表面或轮廓表面。因此，具有限定在复合层32中的孔34的波长选择性结构60被上覆材料62覆盖。这样的结构的性能和益处类似于上面关于图8a所描述的性能和益处。

在图8c所示的另一实施方式中，波长选择性表面50的上覆材料52未覆盖复合层12的顶部，而是部分地填充表面功件之间的间隙，使得其覆盖中间层16和表面功件的至少一部分的侧面。在该实施方式中，上覆材料52的厚度小于复合层的厚度(即，hc<hp)。尽管图8c示出了填充为片的表面功件之间的间隙的上覆材料52，但也可以使用表面功件为复合层中的孔的类似的上覆层。当表面功件是孔时，上覆材料52填充作为表面功件的孔。

在图8d所示的另一实施方式中，波长选择性表面50的上覆材料52形成符合波长选择性表面50的顶表面形状的共形层。以这种方式，上覆材料52的顶表面不平坦，而是变成在表面功件的位置处凸起。尽管图8d示出了覆盖为片的表面功件的上覆材料52，但也可以使用表面功件为复合层中的孔的类似的上覆层。当表面功件是孔时，上覆材料52填充孔，并且上覆层变成在不存在表面功件的位置处凸起。

图9示出了根据一些实施方式的多个不同波长选择性表面的示例性反射率波长响应曲线。每个波长选择性结构使用布置在具有不同周期性的周期阵列中的不同尺寸的表面功件。通过将包括具有单一金属层的复合层的波长选择性结构暴露于包括谐振的频带内的入射电磁辐射22(图1)中来获得响应曲线。如图所示，入射电磁辐射的反射率在0％至100％的范围内变化。每个单独的曲线表现出具有低反射(从而为高吸收)的两个谐振。一个谐振主要基于表面元件的周期性，而另一个主要基于表面功件的尺寸。通过对这些参数进行调谐，可以调整谐振的性质，例如，带宽、幅度和中心频率。

通过对建模结构和测量二者进行计算分析得到的结果表明，较高波长谐振对应于表面元件的最大尺寸(例如，圆形片d的直径或方形片d'的边长)。随着表面元件的直径增加，较高波长谐振的波长也增加。相反地，随着表面元件的直径减小，与较高波长谐振相关联的中心波长减小。如果该结构中所使用的材料中的至少一种材料在感兴趣的频带中表现出特定于材料的谐振，则这些特定于材料的谐振可以与结构谐振相互作用并且改变结构谐振或材料谐振中的任一者或两者。

类似地，通过对建模结构和测量二者进行计算分析得到的结果表明，与较低波长谐振相关联的波长至少部分地对应于多个表面元件的中心到中心间距。随着表面元件12的排列中的表面元件20之间的间距减小，较低波长谐振的波长减小。相反地，随着表面元件12的排列之间的间距增加，较低波长谐振的波长增加。

通常，可以根据期望的波长操作范围将性能缩放到不同的波长。因此，通过对如本文所述的波长选择性结构的设计参数进行缩放，可以在任何期望的电磁频谱区域内获得谐振性能。谐振波长可以在下至可见光甚至高达紫外线和x射线的范围内。在光谱的另一端，谐振波长可以在太赫兹频带(例如，在约1毫米与100微米之间的波长)甚至高达射频频带(例如，厘米到米的数量级的波长)的范围内。最短波长的操作将受到可用制造技术的限制。目前的技术可以很容易地实现亚微米级的表面功件尺寸。可以想到，可以使用当前可用和新兴的纳米技术在分子水平上提供这样的表面功件。很容易在分子自组装领域中找到这样的技术的示例。

图9所示的反射率曲线示出了包括单个金属层的复合层的结果。当使用多个金属层时，将向反射率曲线引入另外的谐振。

图10示出了与和图1所示的波长选择性结构类似的波长选择性结构相关联的反射率曲线，其中圆形片的正方形阵列位于导电接地层上方。片包括两个不同的金属层。所使用的金属是变化的以显示改变金属对谐振的影响。在图10中，实线曲线示出了当表面元件包括金时的反射率曲线，虚线曲线示出了当表面元件包括铂时的反射率曲线，点划线示出了当表面元件包括钽时的反射率曲线。

图11示出了与和图1所示的波长选择性结构类似的波长选择性结构相关联的反射曲线，其中圆形片的正方形阵列位于导电接地层上方。片包括两个不同的金属层。电介质中间层的厚度是变化的，以显示改变电介质中间层的厚度对谐振的影响。通过将根据本发明的原理构造的波长选择性结构10(图1)暴露于包括谐振的频带内的入射电磁辐射22(图1)中来获得反射率曲线。如图所示，入射电磁辐射的反射率根据曲线在0％至100％的范围内变化。每个谐振具有相关联的特征波长(例如，中心波长)、幅度和带宽(例如，最右边频带具有带宽w1，其为约1.5微米)。可以以任何合适的方式例如通过半高宽(fwhm)来确定带宽。

通过对建模结构和测量进行计算分析得到的结果表明，与谐振频带中的一个或更多个谐振频带相关联的谐振波长对应于导电表面元件的最大尺寸(例如，圆形片的直径d或正方形片的边长d')。随着表面元件的直径增加，谐振频带中的一个或更多个谐振频带的波长也增加。相反地，随着表面元件的直径减小，谐振频带72的波长减小。例如，可以使用该技术对图11a的最右侧的主谐振进行调谐。

图11b示出了与图11a类似的但针对双频带结构的反射率响应曲线。图11c示出了针对相同结构的相应吸收曲线。在该具体实施方式中，吸收曲线与反射率曲线相反，因为反射率(r)、透射(t)与吸收(a)之和必须等于1(r+t+a＝1)，并且如果t＝0，如果该结构不透明，则a＝1-r。该结构并不总是完全不透明的，并且在一些实施方式中，透射不一定为零。

第二和更明显的下凹72对应于下面的波长选择性结构的主谐振。作为该谐振的结果，入射电磁能量22的很大一部分被波长选择性表面10吸收。谐振响应70的光谱宽度的测量可以被确定为关于波长相对于谐振波长归一化的宽度(即，δλ/λc或dλ/λc)。优选地，在半高宽(fwhm)处确定该宽度。对于示例性曲线，吸收频带72在fwhm处的宽度小于约1.25微米，相关联的谐振频率为约8.75微米。这导致光谱宽度或dλ/λc为约0.14。吸收频带74在fwhm处的宽度小于约0.25微米，相关联的谐振频率为约4.25微米。这导致光谱宽度或dλ/λc为约0.06。通常，dλ/λc值小于约0.1可以被称为窄带。因此，示例性谐振74代表窄带谐振频带。在其他实施方式中，谐振可以是宽带或者窄带和宽带的组合。在其他实施方式中，至少一个谐振可以由一个、两个或更多个非常紧密地间隔开的谐振形成，例如使得每个谐振的带宽比谐振之间的波长间距宽。

通过对建模结构和测量二者进行计算分析得到的结果表明，与主谐振响应72相关联的谐振波长对应于导电表面元件的最大尺寸(例如，圆形片的直径d或正方形片的边长d')。随着表面元件的直径增加，主吸收频带72的波长也增加。相反地，随着表面元件的直径减小，主吸收频带72的波长也降低。主谐振位置与表面元件尺寸之间的互相依赖性可以通过在形成该结构时所使用的材料中的至少一种材料的本征材料谐振来影响、限制或增强。

反射率的第一个下凹74对应于下面的波长选择性表面10的次吸收频带。通过对建模结构和测量二者进行计算分析得到的结果表明，与次吸收频带74相关联的波长至少部分对应于多个导电表面元件的中心到中心间距。随着表面元件12的排列中的表面元件20之间的间距减小，次吸收频带74的波长减小。相反地，随着表面元件12的排列之间的间距增加，次吸收频带74的波长增加。次吸收频带74通常不如主吸收频带72明显，使得可以在两个吸收频带74、72之间确定反射率的变化δr。主谐振频带72和次谐振频带74之间的波长差被示出为δw。

在形成该结构时所使用的材料中的至少一种材料的本征材料谐振可能会干扰该结构的谐振中的至少一个谐振，从而影响其位置、带宽和效率。该结构的谐振中的至少一个谐振进而可以影响在形成该结构时所使用的材料中的至少一种材料的本征材料谐振。

通常，可以根据期望的波长操作范围将性能缩放到不同的波长。因此，通过对如本文中所述的任何波长选择性表面的设计参数进行缩放，可以在任何期望的电磁频谱区域内获得谐振性能。谐振波长可以在下至可见光甚至高达紫外线和x射线的范围内。在光谱的另一端，谐振波长可以在太赫兹频带(例如，约1毫米与100微米之间的波长)甚至高达射频频带(例如，厘米到米的数量级的波长)的范围内。在最短波长处的操作可能受到可用制造技术的限制。目前的技术可以很容易地实现亚微米级的表面功件尺寸。可以想到，可以使用当前可用和新兴的纳米技术在分子水平上提供这样的表面功件。很容易在分子自组装领域中找到这样的技术的示例。

图11d示出了与图11a类似的但针对三频带结构的吸收响应曲线。第一谐振112a发生在约2.0μm处，第二谐振112b发生在约4.0μm处，第三谐振112c发生在约9.0μm处。图11e示出了由于材料性能、表面功件的尺寸以及表面功件的周期性中的一个或更多个而变化(如虚线所示)的类似的吸收响应曲线(实线)。第一谐振112a发生在约2.0μm处，并且由于变化而不会在波长上移位，而是幅度发生变化。第二谐振112b发生在约4.0μm处，并且在一个或更多个参数的变化之后移位至约5.0μm。第三谐振112c发生在约8.0μm处，并且在一个或更多个参数变化之后移位至约9.5μm。第三谐振112c还在带宽上变窄并且在变化之后移位至更高幅度。

在上述曲线中，设计参数的不同选择导致不同的响应曲线。例如，图11b至图11c的主吸收频带72发生在约8.75微米处，波长范围在约1.25微米的fwhm。这导致光谱宽度δλ/λc为约0.14。光谱宽度值δλ/λc大于0.1可以被称为宽带。因此，下面的波长选择性结构10也可以被称为宽带结构。

可以改变波长选择性结构10的物理参数中的一个或更多个物理参数，以控制给定波长选择性表面的反射率和吸收响应。例如，可以改变一个或更多个层的厚度(例如，表面元件厚度hp、电介质层厚度hd和上覆层厚度hc)。可替选地或另外地，可以改变不同层中的每一个的材料中的一种或更多种。例如，介电材料可以用具有不同n和k值的另一介电材料来代替。上覆层52(图8a)的存在或不存在以及针对上覆层52选择的特定材料也可以用于改变波长选择性表面的反射率或吸收响应。可以通过改变接地层的材料、改变表面元件的尺寸d或者通过改变表面元件的形状来实现类似的性能改变。

在第一示例中，波长选择性表面包括形成有各种直径的表面片的中间层。波长选择性表面包括放置在铝膜接地层上的圆形铝片的三角形阵列。各个表面各自形成有具有不同相应直径的表面片。针对不同片直径所获得的结果的汇总包括在表1中。在这些示例性实施方式中的每一个实施方式中，相邻片元件之间的片间距为约3.4微米，并且单个片和接地层膜的厚度或深度均为约0.1微米。在两个铝层之间包括厚度为约0.2微米的中间电介质层。值得注意的是，波长选择性表面的总厚度为约0.4微米，是非常薄的材料。示例性电介质的折射系数为约3.4。表1包括与所得到的主吸收相关联的波长值。如图所示，谐振波长随着片尺寸的增加而增加。

表1

主吸收波长与片直径

在另一示例中，使用均匀阵列间距为3.4微米和片直径为1.7微米的圆形片的三角形阵列。设置在外导电层之间的介电材料是变化的。因此，主吸收的波长偏移。结果包括在表2中。

表2

谐振与介电材料

本发明并不限于其在前述描述中阐述的或附图中示出的构造的细节和部件的布置中的应用。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式被实践或执行。此外，本文中所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应当被视为限制。使用“包括”、“包含”或“具有”、含有”、“涉及”及其在本文中的变型意在涵盖其后列出的项及其等同物以及附加项。

本发明的各个方面可以单独使用、组合使用，也可以以在上文所描述的实施方式中没有具体讨论的各种布置来使用，因此不限于其在上述描述中阐述的或附图中示出的细节和部件的布置中的应用。例如，在一个实施方式中描述的方面可以与其他实施方式中描述的方面以任何方式进行组合。

此外，本发明可以被实现为一种方法，其中提供了至少一个示例。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序执行动作的实施方式，即使在说明性实施方式中示出为顺序动作，但也可以包括同时执行某些动作。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的顺序术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素或执行方法的动作的时间顺序的任何优先权、优先级或顺序，而是仅用作区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但用于序数项)的另一要素从而区分权利要求要素的标记。

因此，已经描述了本发明的至少一个实施方式的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分，并且旨在在本发明的精神和范围内。因此，上述描述和附图仅作为示例。