基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法与流程

本发明涉及的是一种微纳加工工艺的器件，具体的，涉及一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，相应的波长为3mm到30μm，其波段位于电磁波谱中微波和红外波之间。物质在THz波段的频率响应包含有丰富的物理、化学和生物信息。太赫兹波具有能量低、带宽宽、穿透性强等特性，在通信、生物医学、探测成像、无损检测等领域具有重要的应用。但由于长波段微波方向主要依靠电子学技术，短波段的红外波方向主要依靠光学技术，使得在两波之间的THz波源的问题一直未得到很好的解决，这就成为限制现代THz波技术发展的最主要因素之一。一些研究组近年来利用超材料来调控太赫兹波，基于电磁超材料太赫兹开关、滤波器和吸波器等陆续出现，成为太赫兹系统的集成化和小型化的研究热点。

超材料在完美透镜、负折射及隐身等方面具有有人的应用前景。关于超材料大多数是利用磁谐振器和电谐振器分别实现负磁导率和负介电常数，通过组成阵列来同时实现“双负”。超材料由周期性金属开环共振(Split Ring Resonator,SRR)微结构阵列和半导体材料组成，该周期性的SRR阵列存在一定的共振电磁响应，可以利用这种特点设计出感应器件。

目前基本上所有基于超材料结构的电磁波吸收器都是被动式的，一旦制备完成,其吸收性能也就确定了。而日益复杂的电磁应用环境需要的是主动式的可调谐的电磁超材料吸收器，比如可以根据电磁环境的变化控制电磁超材料吸收器对电磁波的吸收率等。控制太赫兹辐射的振幅、频率或相位的调制器或开关需要电磁超材料的电磁响应能够主动调控，这可以通过将SRR谐振器制备在掺杂的半导体基底上或者直接将半导体材料引入电磁超材料结构，结合偏压或光激励来实现。机理是利用外场调控半导体的载流子浓度，改变电导率，影响LC等效回路电容，从而调节SRR电磁谐振，控制THz波传输。在基于SRR的电谐振器结构的外侧开口处插入光敏半导体，可以利用光电导诱使共振模式转换效应而实现频率调制。改变环境温度是调控电磁超介质电磁响应的另一条途径。利用两种材料不同的热膨胀性能，用温度控制悬臂弯曲程度，改变SRR所在平面与入射波方向的夹角，使透射波强度发生显著变化。此外，利用某些材料介电性质随温度显著变化的特性也可实现电磁性能温度可控的电磁超介质，例如VO2在热激励下能够由绝缘体转变为金属，用VO2构造的电磁超介质可以实现共振强度和频率的温度调制。除了光、电和温度等调控途径，外加磁场也可以实现对电磁超介质谐振强度和频率的调制，并在微波段获得实验证实。从应用角度考虑，电、光调控便于操作，更具有优势，尤其是电场调控，因此也最受重视。

经对现有技术文献的检索发现，Xiaoguang Zhang等人在《Sensors and Actuators A:Physical》(2015)中撰文“Optically tunable metamaterial perfect absorber on highly flexible substrate”(“超柔性衬底上的光调谐超材料吸收器”)。该文中聚酰亚胺作为衬底，由于聚酰亚胺不溶于水，故无法将该器件应用到生物分子检测领域。Govind Dayal and S Anantha Ramakrishna在《JOURNAL OF OPTICS》7,055106(2013)中撰文“Design of multi-band metamaterial perfect absorbers with stacked metal-dielectric disks”(“金属—介质磁盘形成的多频带完美吸收器”《光学学报》)。该文中提出实现多频带的方法是将“三层结构”(介质—金属—介质)叠加一起可以形成多频带的超材料吸收器。但是，需要改变不同介质层才能得到不同的频率范围的频带，并不能进行共振频率的连续调谐。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料及其制备方法，通过光的控制可以同时实现双频带和共振频率连续调谐，在可降解的柔性衬底上制作性能更优的超材料器件。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，包括：海藻酸钠衬底，以及设置于海藻酸钠衬底上图形化的金属层及半导体薄膜；

所述金属层和所述半导体薄膜的图形完全相同，均由三个同圆心的圆环组成，三个圆环从外到内分别为外环、中环和内环，其中：在外环上有三个等距分布的开口，中环上有等距分布的两个开口，内环上有一个开口，且外环、中环和内环上的开口大小均相同；外环上三个开口中的一个与中环上的一个开口对齐，中环上的另一个开口和内环上的开口对齐。

优选地，所述太赫兹超材料的半导体薄膜在光激发下产生载流子，通过改变光的功率控制太赫兹超材料的电导率来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐。

更优选地，所述太赫兹超材料经过光激发产生光生载流子，随着光生载流子数目的变化，半导体的电导率发生变化；当光撤去后，产生的光生载流子复合，一段时间后恢复到原来的状态，即实现可逆调谐。

优选地，所述海藻酸钠衬底可生物降解。生命科学研究已经深入到了分子水平，利用可生物降解的材料制作的可以用于生物分子检测的器件的优点是降解产物易处理。

优选地，所述海藻酸钠衬底为柔性衬底，且在太赫兹波段损耗较低。

更优选地，所述海藻酸钠衬底的厚度为5-200μm。所述海藻酸钠衬底为海藻酸钠薄膜，是一种柔性衬底。海藻酸钠薄膜的厚度可以影响传输谱吸收峰的频率及强度。

优选地，所述金属层及半导体薄膜的外环、中环、内环的宽度根据所选用的金属和半导体优化调节。

更优选地，所述外环的直径小于海藻酸钠衬底的边长。

优选地，所述半导体薄膜为球状、片状、花状等不同形状。

优选地，所述金属层的材料为Mo，Zn等。

优选地，所述半导体薄膜的材料为ZnO，SnO2等。

根据本发明的第二方面，提供一种上述基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1：将海藻酸钠衬底制作于玻璃衬底上；

S2：使用Si掩膜在海藻酸钠衬底上先沉积金属层；

S3：在金属层上喷涂球状、片状、花状任一种形状的半导体薄膜；

S4：将半导体层、金属层以及海藻酸钠衬底从玻璃衬底上剥离。

优选地，所述海藻酸钠衬底为海藻酸钠薄膜，所述海藻酸钠薄膜由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃衬底上，然后放进烘箱中烘干水分而形成，海藻酸钠薄膜的厚度可由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃片上的转速决定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用海藻酸钠衬底，并利用三个开口环以及之间耦合，改变传输谱的吸收峰的频率及强度，实现多频带。进一步的，利用太赫兹超材料半导体在光激发下产生载流子，通过改变光的功率控制太赫兹超材料的电导率来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐。

进一步的，本发明海藻酸钠衬底可生物降解，具有良好的生物兼容性，可用于生物分子检测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的三维整体结构示意图；

图2为本发明一实施例的结构俯视图；

图3为本发明一实施例的结构侧视图；

图中：海藻酸钠衬底1、金属层2、半导体薄膜3。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

目前，宽频、多频带、调幅、不同驱动方式等多种性能集中的超材料结构是当前超材料领域的热点与挑战。本发明提供了一种多种性能集中的、基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料。

如图1-图3所示，一种基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，包括：海藻酸钠衬底1、金属层2、半导体薄膜3，其中：图形化的半导体薄膜3和金属层2均设置于海藻酸钠衬底1上；金属层2和半导体薄膜3的图形完全相同，由三个同圆心的圆环组成，且最外圈圆环的直径小于海藻酸钠衬底1的边长。

如图2所示，可以进一步看出本实施例所述的金属层2和半导体薄膜3均为对称结构。本实施例中的基本单元，即图1所示的由海藻酸钠衬底1、金属层2和半导体薄膜3组成的器件在OXY平面内周期分布。三个圆环，即外环、中环、北环分别有三个、两个和一个开口，且开口大小均相同，其中：外环的三个开口等距分布在外环上，中环的两个开口等距分布在中环上，且外环的其中一个开口与中环的一个开口对齐，内环的开口和中环的另一个开口对齐。

本发明中，采用海藻酸钠衬底1，海藻酸钠(SA)作为一种阳离子聚电解质，由于其良好的生物相容性、原料易得及价格便宜。

所述海藻酸钠衬底1属于柔性衬底，其优点在于：(1)弯曲性，区别于传统的刚性衬底(如高阻硅)，承载在柔性衬底上的器件可以成一定形状的弯曲，从而可以贴合在弯曲的物体表面上；(2)外形薄、重量轻，一般制备同样的器件使用柔性衬底是使用玻璃衬底重量的三分之一左右；(3)柔韧性好，与玻璃和硅片相比，抗冲击强、不易破损、耐用性更好，对缺陷容忍度也较好，(4)成本低，可大面积生产。

在一实施例中，所述的海藻酸钠衬底1为一块平整的低电阻率高透明度薄膜，用作整个器件的支撑层。由于金属、半导体与衬底发生相互作用时之间存在电容的影响，因而会引起超材料的共振峰偏移。所以超材料结构制作在低阻、低介电常数、厚度小的海藻酸钠衬底1上时，海藻酸钠衬底1电容对整体电容的贡献特别小，超材料本身的电容变化相对就大，灵敏度相应就高，从而有利于探测物质微小变化和减少样品用量。

作为一优选实施方式，所述的海藻酸钠衬底1的厚度是5-200μm。海藻酸钠薄膜由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃片上，然后放进烘箱中烘干水分而形成，海藻酸钠薄膜的厚度可由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃片上的转速决定。海藻酸钠薄膜的厚度可以影响传输谱吸收峰的频率及强度。

本发明利用三个开口环以及之间耦合，改变传输谱的吸收峰的频率及强度，实现多频带。所述半导体薄膜，在光激发下产生载流子，通过改变光的功率控制太赫兹超材料的电导率来实现对电磁响应的共振强度的连续调谐。所述太赫兹超材料经过光激发产生光生载流子，随着光生载流子数目的变化，半导体的电导率发生变化；当光撤去后，产生的光生载流子复合，一段时间后恢复到原来的状态，即实现可逆调谐。

进一步的，基于上述结构的可降解太赫兹超材料，其制备方法可以采用如下步骤：

S1：将海藻酸钠薄膜制作于玻璃衬底上；所述海藻酸钠衬底1的厚度是5-200μm；

所述海藻酸钠薄膜由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃衬底上，然后放进烘箱中烘干水分而形成，海藻酸钠薄膜的厚度由海藻酸钠溶液旋涂在玻璃片上的转速决定。

S2：使用Si掩膜在海藻酸钠薄膜上先沉积金属层；所述金属层的材料为Mo或Zn；

S3：在金属层上喷涂球状、片状、花状的不同形状的半导体薄膜；所述半导体薄膜的材料为ZnO或SnO2；

S4：将半导体层、金属层以及海藻酸钠薄膜从玻璃衬底上剥离。

本发明基于海藻酸钠薄膜并采用硬掩膜，即在玻璃基板上制作金属或金属氧化物的图形，并将其作为光掩膜。如果应用软掩膜，除了膜强度弱的问题之外，还存在着隆起效应等问题。采用硬掩膜可以耐高温，选择比较高，硬掩膜几乎不会随着厚度变化产生形变。

本发明采用微纳加工工艺结合微机电技术制备基于光驱动连续可调的可降解太赫兹超材料，利用硬掩膜的方式在衬底上沉积金属层及半导体超薄膜，通过光的控制可以同时实现双频带和共振频率连续调谐，在可降解的柔性衬底(海藻酸钠薄膜)上制作性能更优的超材料器件。与现有的超材料器件相比，其结构简单、制作容易、体积减小、可降解，并且通过光的控制可以同时实现共振频率连续调谐。

综上，本发明设计出了一种宽频、多频带、调幅、不同驱动方式等多种性能集中的超材料，结构及加工工艺简单，且通过光功率的控制可以实现多频带共振强度的连续调谐，其基本原理是光调谐，即半导体材料在光激发下产生载流子，通过改变光的功率控制太赫兹超材料的电导率来实现对电磁响应的共振强度的连续调谐。此外，该结构中圆环之间的相对旋转位置使得对垂直入射电磁波的不同偏振方向响应不同，即谐振频率的改变。因此，该结构可用于实现功能性器件，如滤波器、耦合器、开关和传感器等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。