一种三维环磁偶极器件及制备方法与流程

本发明涉及三维环磁偶极器件技术领域，特别是涉及一种利用绝缘介质薄膜和金属开口谐振环结合形成的具有高共振频率、高品质因子的环磁偶极器件。

背景技术：

环磁偶极共振是一种特殊的光学共振模式，不同于传统的电多极和磁多级共振。环磁偶极共振(动态环多极子的一种)具有一些优异的光学特性，如高灵敏度探测器、等离激元激光的产生、负折射率、圆二向色性等等，因此在高频光学波段(如可见、红外波段)产生高品质因子的环磁偶极共振具有极为重要的科研价值和应用意义。

环极子具有静态环多极子和动态环多极子之分，其中，静态环多极子在原子物理、分子物理以及凝聚态物理中已经有了非常多的研究，但是动态环多极子需要通过振荡的电磁场被激发，通常需要借助人工结构才能实现，近年来有一些相关的研究工作正在进行，但是限于制备工艺的精度，对于动态环多极子的研究通常实现在较低频率如微波波段，而高频同时又能够具有较高品质因子的环多极子器件目前尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中环磁偶极器件的尺寸大、共振频率低、品质因子低等问题，提供一种三维环磁偶极器件及制备方法。

特别地，本发明提供了一种三维环磁偶极器件，由多个结构单元阵列形成，每一结构单元包括：

自支撑绝缘介质薄膜，用于作为支撑基础；

悬空部，由所述自支撑绝缘介质薄膜切割折叠而成，数量为偶数且不少于四个，固定于所述自支撑绝缘介质薄膜的同一侧面，对应的悬空部与所述自支撑绝缘介质薄膜之间形成角度；和

金属开口谐振环，数量与所述悬空部的数量相等，一一对应的设置于悬空部的侧表面，用于束缚磁场，产生磁偶极，所述磁偶极首尾相连形成一个闭合环路，所述闭合环路用于实现环磁偶极共振。

进一步地，所述闭合环路具有对称的两侧，位于所述闭合环路一侧的所述金属开口谐振环的开口向上，位于所述闭合环路的另一侧的所述金属开口谐振环的开口向下；

优选地，所述闭合环路呈圆环状；

优选地，所述金属开口谐振环均匀布置于所述闭合环路处。

进一步地，所述自支撑绝缘介质薄膜具有几何中心，所述闭合环路关于所述几何中心中心对称，每个金属开口谐振环设置于对应悬空部的同一侧表面处；

优选地，对应的悬空部与所述自支撑绝缘介质薄膜形成的角度为90°；

优选地，所述悬空部的数量为四个，以所述几何中心为中心呈十字形设置。

进一步地，所述绝缘介质薄膜为氧化硅、氮化硅或氧化铝薄膜。

进一步地，所述金属开口谐振环的形状为具有开口的方形环或圆形环。

进一步地，所述金属开口谐振环的材料为金、银或铝中的一种。

特别地，本发明还提供了一种应用于三维环磁偶极器件的制备方法，包括：在自支撑绝缘介质薄膜上制备金属开口谐振环阵列；

在所述自支撑绝缘介质薄膜表面沉积导电金属层；

沿所述金属开口谐振环图形外缘进行切割，将所述自支撑绝缘介质薄膜分成悬空部和支撑部，每一悬空部与对应的支撑部具有一个连接边，利用折叠工艺对所述连接边进行折叠，使得对应的悬空部垂直于支撑部，获得器件样品；

将所述器件样品置于腐蚀溶液中，去除所述器件样品表面的所述导电金属层，获得三维环磁偶极器件。

进一步地，所述切割通过刻蚀工艺实现，所述切割通过刻蚀工艺实现，所述刻蚀工艺包括聚焦离子束刻蚀、曝光并结合等离子体刻蚀或激光烧蚀。

进一步地，所述折叠工艺为聚焦离子束辐照产生形变。

采用本发明的三维环磁偶极器件，采用自支撑绝缘介质薄膜作为支架和采用金属开口谐振环作为谐振单元，通过设计谐振单元的空间取向和位置的特定组合，制备出了具有环磁偶极响应的微纳器件。本发明的器件具有尺寸小、共振频率高、品质因子高、可控性好、成本低、可大面积制备等特点。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明一实施例的三维环磁偶极器件中结构单元的示意性结构图；

图2是本发明一实施例中金属开口谐振环产生环磁偶极的示意性结构图；

图3是金属开口谐振环产生的磁偶极形成闭合环路时的示意性结构图；

图4是金属开口谐振环产生的磁偶极未形成闭合环路时的示意性结构图；

图5为四个金属开口谐振环以一种图形垂直固定于自支撑绝缘介质薄膜处的示意性结构图；

图6为四个金属开口谐振环以另一种图形垂直固定于自支撑绝缘介质薄膜处的示意性结构图；

图7为本发明一实施例中金属开口谐振环关于几何中心均匀分布的示意性结构图；

图8是采用本发明的一种三维环磁偶极器件的扫描电子显微镜照片；

图9是采用红外光对本发明的一种三维环磁偶极器件进行测试后所产生的光谱图。

具体实施方式

图1是本发明一实施例的三维环磁偶极器件中结构单元的示意性结构图。如图1所示，该实施例中的三维环磁偶极器件的每一结构单元包括自支撑绝缘介质薄膜1、悬空部12和金属开口谐振环2。自支撑绝缘介质薄膜1用于作为支撑基础。悬空部12由自支撑绝缘介质薄膜1切割折叠而成，数量为偶数且不少于四个，固定于自支撑绝缘介质薄膜1的同一侧面。对应的悬空部12与自支撑绝缘介质薄膜1之间形成角度。金属开口谐振环2的数量与悬空部12的数量相等，一一对应的设置于悬空部12的侧表面，用于束缚磁场，产生磁偶极3。磁偶极3首尾相连形成一个闭合环路，所述闭合环路用于实现环磁偶极共振。

如图1所示，自支撑绝缘介质薄膜1具有几何中心，闭合环路关于几何中心中心对称。每个金属开口谐振环2设置于对应悬空部12的同一侧表面处。

如图1所示的实施例中，悬空部12的数量为四个，以所述几何中心为中心呈十字形设置。金属开口谐振环2的形状为具有开口的方形环。金属开口谐振环2还可以为具有开口的圆形环或其他形状的环，根据工艺条件具体而定。对应的悬空部12与自支撑绝缘介质薄膜1形成的角度为90°，即金属开口谐振环2与自支撑绝缘介质薄膜1垂直，相对于其他角度来说，此时产生的环磁偶极共振的强度最强。

图2是本发明一实施例中金属开口谐振环产生环磁偶极的示意性结构图。如图2所示，三维环磁偶极器件所产生的闭合环路具有对称的两侧，金属开口谐振环2均匀布置于闭合环路处。位于闭合环路一侧的金属开口谐振环2的开口向上，位于所述闭合环路的另一侧的金属开口谐振环2的开口向下。金属开口谐振环2产生的磁偶极3首尾相连形成一个闭合环路，用于实现环磁偶极共振。

本发明的三维环磁偶极器件，采用自支撑绝缘介质薄膜1作为支架，采用金属开口谐振环2作为谐振单元，通过设计谐振单元的空间取向和位置的特定组合，制备出了具有环磁偶极响应的微纳器件。该器件的金属开口谐振环2可以采用微纳米加工中的光刻工艺实现微米甚至纳米量级尺寸的加工，因此共振频率非常高。

图3是金属开口谐振环产生的磁偶极形成闭合环路时的示意性结构图。如图3所示，位于闭合环路一侧的开口全部向上的金属开口谐振环2与位于闭合环路上另一侧的开口全部向下的金属开口谐振环2，开口方向相反，使两侧产生的磁偶极3方向也相反从而形成闭合环路。

图4是金属开口谐振环产生的磁偶极未形闭合成环路时的示意性结构图。如图4所示，如果两侧的金属开口谐振环2开口方向一致，那么产生的磁偶极3就会同向，形成类似于两路分开又交汇的情况，就不会形成环磁偶极共振。

图5为四个金属开口谐振环以一种图形垂直固定于自支撑绝缘介质薄膜处的示意性结构图。如图5所示，图中金属开口谐振环2如图5中所示的图形布置于的自支撑绝缘介质薄膜处，其中相邻的两个金属开口谐振环2的开口方向向上，另外两个的开口方向向下，此时也能产生环磁偶极共振，只不过强度比十字形布置时弱。

图6为四个金属开口谐振环以另一种图形垂直固定于自支撑绝缘介质薄膜处的示意性结构图。如图6所示，图中金属开口谐振环2如图6中所示布置于的自支撑绝缘介质薄膜处，不管金属开口谐振环2的开口方向如何，均不能产生环磁偶极共振。

闭合环路的形状和大小对磁场的束缚能力有重要影响，环磁偶极强度随着束缚能力的大小而变强或变弱。当闭合环路呈圆环状，此时产生的环磁偶极共振的强度最强。

图7为本发明一实施例中金属开口谐振环关于几何中心均匀分布的示意性结构图。如图7所示，图中虚线部分为需要切割的位置，图中实线部分代表直立的金属开口谐振环2。金属开口谐振环2如图7布置，产生的磁偶极3首尾相连形成圆形闭合环路。此时，该圆形闭合环路对磁场的束缚能力最强，环磁偶极强度也最强。

在实际生产中，考虑到平面上切割出悬空部12之后会剩下孔的形状，因此从加工的角度上来看四个是可以做的。如图7所示，悬空部12个数为6个，数量多了之后在平面上排列就不能非常紧密，在制备工艺上会比较麻烦，而且离中心的距离变远了之后形成的环磁偶极共振也会变弱。因此在实际中采用了四个悬空部12而不是更多，既能使工艺简单又能使产品的质量得到保证。

制备三维环磁偶极器件的自支撑绝缘介质薄膜可以为氧化硅、氮化硅或氧化铝薄膜。采用上述自支撑绝缘介质薄膜1，光损耗非常小，可以认为是完全透明的，不会影响环磁偶极共振的光学特性。

金属开口谐振环2的材料可以为金、银或铝中的一种。采用上述材料制备的器件，欧姆损耗较小，使三维环磁偶极器件具有较高的品质因子。

采用本发明的三维环磁偶极器件具有尺寸小、共振频率高、品质因子高、可控性好、成本低、可大面积制备等特点。

特别地，本发明还提供了一种应用于三维环磁偶极器件的制备方法，包括：

在自支撑绝缘介质薄膜1上制备金属开口谐振环2阵列；

在自支撑绝缘介质薄膜1表面沉积导电金属层；

沿金属开口谐振环2图形外缘进行切割，将自支撑绝缘介质薄膜1分成悬空部12和支撑部11，每一悬空部12与对应的支撑部11具有一个连接边，利用折叠工艺对连接边进行折叠，使得对应的悬空部12垂直于支撑部11，获得器件样品；

将器件样品置于腐蚀溶液中，去除器件样品表面的导电金属层，获得三维环磁偶极器件。

上述制备方法中沉积的导电金属层采用的金属与金属开口谐振环2中所用的金属材料不同，为了防止金属开口谐振环2在去除导电金属层的时候同时被清洗掉。

上述方法中的刻蚀工艺包括聚焦离子束刻蚀、曝光并结合等离子体刻蚀或激光烧蚀。

上述方法中的折叠工艺为聚焦离子束辐照产生形变。折叠工艺产生的角度可以根据需要而定。

上述方法中去除导电金属层的腐蚀溶液可以为酸性溶液，也可以其他溶液。例如：金属金的腐蚀溶液可以为碘化钾/碘(KI/I2)溶液。

可以理解的是，上述腐蚀溶液不能同时去除导电金属层和金属开口谐振环2。

图8是采用本发明的一种三维环磁偶极器件的扫描电子显微镜照片。以下步骤为该三维环磁偶极器件具体制作过程：

首先，将厚度为100nm氮化硅薄膜利用电子束曝光和金属沉积工艺在氮化硅薄膜上制备金属开口谐振环图形2阵列，金属开口谐振环2可以为具有开口的方形环，其中金属开口谐振环边长为1.25μm，宽度为150nm，金属层厚度为80nm。

然后，利用金属沉积工艺在样品表面沉积10nm厚度的铝层，使氮化硅薄膜表面导电，便于后续对氮化硅薄膜切割和折叠加工。

其次，将上述样品置于聚焦离子束系统中，将氮化硅薄膜分成悬空部12和支撑部11。悬空部12与支撑部11具有一个连接边，利用聚焦离子束对连接边进行扫面，悬空部12发生折叠，使得携带有金属谐振环图形2的悬空部12垂直于支撑部11，获得器件样品。

最后，将器件样品置于磷酸和硫酸溶液中，在50℃下腐蚀30秒，去除样品表面的铝层，获得最终的如图8所示的三维环磁偶极器件。

图9是采用红外光对本发明的一种三维环磁偶极器件进行测试后所产生的光谱图。对上述实施例中的三维环磁偶极器件进行红外光谱测试，获得如图9所示的透过光谱。其中29.1THz处为环磁偶极共振的吸收，其品质因子为20.78。33.6THz处为磁偶极共振的吸收。

采用本发明的三维环磁偶极器件可以用于传感、等离激元激光等领域，例如制备高灵敏度探测器、圆二色谱仪等。高灵敏度探测器指的是这种器件置于不同折射率的环境中时(比如不同浓度的溶液)，它的环磁共振峰会发生非常明显的移动，通过共振峰的位置就可以得到折射率(或者浓度)信息。圆二色谱仪指的是该器件对左旋和右旋两种圆偏振光的透过率不同，通过测量光谱就能得出圆偏振光的信息。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。