一种基于介质微柱阵列的红外吸波体及制备方法与流程

本发明属于红外吸波体领域，更具体地，涉及一种基于介质微柱阵列的红外吸波体及制备方法。

背景技术：

高性能的红外吸波体是红外探测器的关键材料。长期以来，科研人员一直在寻求通过更好的红外吸波体来改善红外探测器的性能。近年来，超表面作为一种全新的电磁材料进入了人们的视野，并迅速被应用到红外吸波体的设计和制作当中。

超表面的特点是其电磁特性基本与其组分材料的性质无关，而与其内部的微结构有关。当入射光与这层微结构相互作用时，会产生表面等离激元，可以实现纳米尺寸下光场的聚焦和增强。借助这一性质，许多基于超表面的微纳光学设备被制作出来，比如完美吸波体，完美透镜，复折射率材料等。

在红外吸波体中，窄带吸波体是重要的一部分。根据上文提到的微结构与入射光相互作用的特性，超表面很容易就能实现在单一频段的高吸收，这就使得研究人员十分重视它在窄带吸波体上的应用，也促使人们修改超表面的微结构组成，以达到最好的效果。

过去几年里，大量的纳米结构被应用到红外吸波体的设计上。一种具有代表性的结构是基于金属纳米结构-介质层-金属背板的结构。但是，这种结构吸收峰的品质因数(即吸收峰中心波长与其半高全宽之比值)很低，只有约15-20；另一种结构是由多层介质/金属薄膜堆叠而成的dbr式干涉吸波结构，这种结构固然可以在正入射时实现高q值的窄带吸收，但是一旦入射角度变化，其吸收峰峰位立即变化，不具有角度稳定性，综合吸收峰的品质因数也较低。并且，结构中的薄膜厚度难以精确控制，制备工艺困难。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明目的在于提供一种基于介质微柱阵列的红外吸波体，旨在解决现有的吸波体品质因数低和在入射角度变化时吸收峰波长不稳定的技术问题。本发明目的在于缩减吸收峰的带宽，提高品质因数，对具有吸收峰波长的红外光的高吸收，同时保持入射角变化情况下吸收峰波长的稳定性。

为实现上述目的，本发明提出一种基于介质微柱阵列的红外吸波体，包括：

介质微柱阵列，其为多个呈阵列排布的柱体，用于对入射激光的波长进行筛选处理输出筛选后激光；

介质层，位于介质微柱阵列的下方，用于使筛选后激光谐振产生电磁波；以及

金属层，位于介质层的下方，用于将电磁波转化为热能吸收。

优选地，柱体高度为630nm～1210nm，柱体直径为809nm～1980nm，两个相邻柱体中心距离为1300nm～3600nm；介质层的厚度为1030nm～2310nm。

优选地，柱体高度为630nm～890nm，柱体直径为809nm～1430nm，相邻两个柱体中心距离为1300nm～2640nm，介质层的厚度为1030nm～1690nm。

优选地，柱体在平面上的排布方式为六边形排列。

优选地，柱体的材料为硅。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种红外窄带吸波体的制备方法，包括如下步骤：

s1在衬底上附着金属层获得第一中间产物；

s2在第一中间产物上附着介质层获得第二中间产物；

s3采用图形转移工艺在第二中间产物的介质层上形成具有介质微柱阵列的反结构的曝光胶层，获得第三中间产物；

s4在第三中间产物的曝光胶层上附着介质层获得第四中间产物；

s5通过对第四中间产物采用湿化学法进行去除曝光胶处理，获得红外吸波体。

优选地，步骤s3中获得第三中间产物包括如下步骤：

s31采用旋涂方法在第二中间产物的介质层上形成第一曝光层，获得第五中间产物；

s32通过对第五中间产物根据介质微柱阵列进行电子束曝光处理，获得第六中间产物；

s33通过对第六中间产物进行显影处理，在第二中间产物上形成具有介质微柱阵列的反结构的曝光胶层，获得第三中间产物。

优选地，步骤s1中采用电子束蒸发或磁控溅射在衬底上附着金属层。

优选地，步骤s2中采用磁控溅射方式或化学气相沉积在第一中间产物的金属层上附着介质层。

优选地，步骤s4中采用磁控溅射方式或化学气相沉积在第三中间产物的曝光层上附着介质层。

通过本发明构思的以上技术方案，相较于现有的技术，本发明的优点在于：

1、本发明提出的红外吸波体，由“金属层-介质层-介质微柱阵列”组成，介质微柱阵列、介质层以及金属层构成一个谐振腔，介质微柱阵列所起到的作用相当于一个波长选择性的光栅，本身不吸收光，而只允许特定波长的光通过介质微柱阵列，从而被金属层吸收，因此可以保证吸收峰具有高的品质因数，也就保证了窄带吸收，进而实现对吸收波长红外光的高吸收。

2、本发明提出的红外吸波体，当柱体高度为630nm～1210nm，柱体直径为809nm～1980nm，两个相邻柱体中心距离为1300nm～3600nm；以及介质层其厚度为1030nm～2310nm时，入射光斜入射进介质微柱阵列，在介质微柱阵列中会产生一个与入射光的玻印亭矢量在介质微柱阵列平面内的投影分量方向相反的玻印亭矢量，且由介质微柱阵列表面产生的玻印亭矢量与入射光的玻印亭矢量在介质微柱阵列平面内的投影分量相同，抵消了入射光的玻印亭矢量在阵列平面内的投影分量，从而使得阵列平面内的净能量流动为0。此时，不论入射角如何变化，吸收峰的位置都不会发生改变，实现在不同的入射角度下吸收波长高稳定性；该红外吸波体，吸收峰峰值可达到85％以上，品质因数不少于100，吸收峰带宽达到几十纳米。

附图说明

图1为本发明提供的基于介质微柱阵列的红外吸波体的主视图；

图2为本发明提供的基于介质微柱阵列的红外吸波体的俯视图；

图3为本发明提供的基于介质微柱阵列的红外吸波体的工作原理图；

图4为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第一实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图5为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第二实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图6为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第三实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图7为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第四实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图8为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第五实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图9为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第六实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图10为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第七实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图11为本发明中基于介质微柱阵列的红外吸波体的制备方法的第八实施例所获得红外吸波体的红外吸收光谱图；

图12为本发明提供的第三实施例性能与对比实施例性能的对比图，其中，图(a)为本发明提供的第三实施例所获得吸波体在不同角度入射光下的吸收波长的示意图，图(b)为本发明提供的第三实施例获得的红外吸波体在不同角度下的红外吸收光谱图，图(c)为本发明提供的对比实施例所获得吸波体在不同角度入射光下的吸收波长的示意图，图(d)为本发明提供的对比实施例获得的红外吸波体在不同角度下的红外吸收光谱图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为衬底，2为金属层，3为介质层，4为介质微柱阵列，a为入射光的玻印亭矢量，b为入射光的玻印亭矢量在介质微柱阵列平面内的投影分量，c为介质微柱阵列中产生的玻印亭矢量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明提出的基于介质微柱阵列的红外吸波体的主视图，图2为该红外吸波体的俯视图，该红外吸波体包括介质微柱阵列1、介质层2、金属层3以及衬底4，介质微柱阵列1为多个呈六角形阵列排列的柱体，介质层2位于介质微柱阵列1的下方，金属层3位于介质层2的下方，衬底4位于金属层3的下方。介质微柱阵列1、介质层2以及金属层3构成谐振腔，入射光射入介质微柱阵列1，经过介质微柱阵列1筛选后，进入介质层2，经过筛选后的入射光在介质层2中谐振，并被金属层3吸收。由于介质微柱阵列1仅对入射光进行筛选，并不吸收入射光，金属层仅吸收经过筛选后的入射光，因此该红外吸波体具有高品质因数，进而实现吸收峰带宽变小。

本发明提供的基于介质微柱阵列的红外吸波体的第二实施例中，介质微柱阵列的每个柱体高度为630nm～1210nm，每个柱体直径为809nm～1980nm，两个相邻柱体中心距离为1300nm～3600nm，介质层为厚度是1030nm～2310nm的二氧化硅层。

如图3所示，在第二实施例中，当入射光射入介质微柱阵列时，在介质微柱阵列表面产生一个玻印亭矢量，该玻印亭矢量与入射光的玻印亭矢量在介质微柱阵列平面内的投影分量方向相反，且由介质微柱阵列表面产生的玻印亭矢量与入射光的玻印亭矢量在介质微柱阵列平面内的投影分量相同，抵消了入射光的玻印亭矢量在阵列平面内的投影分量，从而使得阵列平面内的净能量流动为0。在这种情况下，不论入射角如何变化，红外光吸波体吸收峰的位置不会发生改变，即吸收峰不随着入射角变化。另外，当入射光射入介质微柱阵列时，由于介质微柱阵列1仅对入射光进行筛选，并不吸收入射光，金属层仅吸收经过筛选后的入射光，因此该红外吸波体具有高品质因数，进而实现吸收峰带宽变小。

本发明提供的制备基于介质微柱阵列的红外吸波体的方法的第一实施例，包括如下步骤：

s1选取厚度为1000μm的单晶硅作为衬底，首先用丙酮溶液对单晶硅进行超声波清洁3分钟；然后用无水乙醇溶液对单晶硅进行超声波清洁3分钟；最后在去离子水中对单晶硅进行超声波清洁2分钟，通过电子束蒸发设备对金粉体进行气化并冷凝，从而在衬底表面形成200nm是镀金层，得到第一中间产物。

s2在第一中间产物的镀金层表面通过磁控溅射设备生长厚度为1030nm的二氧化硅层，得到第二中间产物。

s3在第二中间产物的二氧化硅层利用匀胶机旋涂pmma曝光胶，涂抹时间60秒，匀胶机转速为2000转/分钟，涂抹厚度400nm。接着，在170℃下烘烤3.5分钟，在二氧化硅层上获得第一曝光胶层，进而得到第五中间产物。设计介质微柱阵列，介质微柱阵列的柱体呈六边形分布，柱体的直径809nm，两个相邻柱体中心之间的距离为1300nm，柱体高度为630nm。再使用电子束曝光设备以3na的曝光电流，根据所设计的介质微柱阵列对第五中间产物上曝光层进行曝光，实现将所设计的介质微柱阵列转移至第五中间产物上，获得第六中间产物。通过化学显影方式对第六中间产物进行显影，在第二中间产物上形成具有介质微柱阵列的反结构的曝光胶层，获得第三中间产物。

s4以第三中间产物上的曝光胶层为掩膜对硅材料进行化学气相沉积，生长厚度为630nm的硅，获得第四中间产物。

s5用化学方法除去第四中间产物中的曝光胶，获得红外吸波体。

图4为本发明提供的第一实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外吸波体的吸收峰的波长位于2.64微米处，吸收带宽约为6.6纳米，品质因数约为400。

第二实施例：步骤s2二氧化硅层的厚度为1290nm。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1100nm，柱体高度为680nm，两个相邻柱体中心之间的间距为2000nm。步骤s4所生长厚度为680nm的硅。

图5为本发明提供的第二实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外光吸收谱的吸收峰的波长位于3.27微米处，吸收带宽约为10.9纳米，品质因数约为300。

第三实施例：步骤s2二氧化硅层的厚度为1690nm。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1430nm，柱体高度为890nm，两个相邻柱体中心之间的间距为2640nm。步骤s4所生长的硅厚度为890nm。

图6为本发明提供的第三实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外吸波体的吸收峰的波长位于4.26微米处，吸收带宽约为21.3纳米，品质因数约为200。

第四实施例：步骤s2二氧化硅层的厚度为2310nm。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1980nm，柱体高度为1210nm，两个相邻柱体中心之间的间距为3600nm。步骤s4所生长厚度为1210nm的硅。

图7为本发明提供的第四实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外吸波体的吸收峰的波长位于5.73微米处，吸收带宽约为57.3纳米，品质因数约为100。

第五实施例：步骤s1通过磁控溅射设备让金粉体溅射在衬底表面，从而在衬底表面形成200nm是镀金层，得到第一中间产物。步骤s2中在第一中间产物的镀金层表面通过化学气相沉积形成厚度为1548nm的二氧化硅层。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1320nm，柱体高度为816nm，两个相邻柱体中心之间的间距为2400nm。步骤s4以第三中间产物上的曝光胶层为掩膜对硅材料进行磁控溅射方法沉积，生长的硅厚度为816nm，获得第四中间产物。

图8为本发明提供的第五实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该结构的吸收峰的波长位于3.9微米处，吸收带宽约为19.5纳米，品质因数约为200。

第六实施例：步骤s1通过磁控溅射设备让金粉体溅射在衬底表面，从而在衬底表面形成200nm是镀金层，得到第一中间产物。步骤s2中在第一中间产物的镀金层表面通过化学气相沉积形成厚度为1806nm的二氧化硅层。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1540nm，柱体高度为952nm，两个相邻柱体中心之间的间距为2800nm。步骤s4以第三中间产物上的曝光胶层为掩膜对硅材料进行磁控溅射方法沉积，生长的硅厚度为952nm，获得第四中间产物。

图9为本发明提供的第六实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外吸波体的吸收峰的波长位于4.53微米处，吸收带宽约为25.2纳米，品质因数约为180。

第七实施例：步骤s1通过磁控溅射设备让金粉体溅射在衬底表面，从而在衬底表面形成200nm是镀金层，得到第一中间产物。步骤s2中在第一中间产物的镀金层表面通过化学气相沉积形成厚度为2064nm的二氧化硅层。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1760nm，柱体高度为1088nm，两个相邻柱体中心之间的间距为3200nm。步骤s4以第三中间产物上的曝光胶层为掩膜对硅材料进行磁控溅射方法沉积，生长的硅厚度为1088nm，获得第四中间产物。

图10为本发明提供的第七实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外吸波体的吸收峰的波长位于5.14微米处，吸收带宽约为42.8纳米，品质因数约为120。

第八实施例：步骤s1通过磁控溅射设备让金粉体溅射在衬底表面，从而在衬底表面形成200nm是镀金层，得到第一中间产物。步骤s2中在第一中间产物的镀金层表面通过化学气相沉积形成厚度为2193nm的二氧化硅层。步骤s3中介质微柱阵列中柱体直径为1870nm，柱体高度为1156nm，两个相邻柱体中心之间的间距为3400nm。步骤s4以第三中间产物上的曝光胶层为掩膜对硅材料进行磁控溅射方法沉积，生长的硅厚度为1156nm，获得第四中间产物。

图11为本发明提供的第八实施例最终获得的红外吸波体的红外光吸收谱，激光入射角为0°时，该红外吸波体的吸收峰的波长位于5.44微米处，吸收带宽约为54.4纳米，品质因数约为100。

本发明提供的对比实施例，包括如下步骤：

首先，选取厚度为1000微米的单晶硅衬底1，第一步用丙酮溶液对单晶硅衬底进行超声波清洁3分钟；第二步用无水乙醇溶液对单晶硅衬底进行超声波清洁3分钟；最后一步在去离子水中对单晶硅衬底进行超声波清洁2分钟，将表面清洗干净以便于后续蒸镀。然后，用电子束蒸发镀膜机在洁净的衬底表明蒸镀200nm厚的金。然后，用磁控溅射设备或化学气相沉积设备生长一层1050nm厚的二氧化硅介质层。接着，设计微柱阵列，柱体高度530nm，柱体直径880nm，两最近邻柱体中心间距为1600nm，并制成版图。接着，第一步在介质层上均匀涂抹一层pmma曝光胶，涂抹时间60秒，匀胶机转速2000转/分钟，涂抹厚度约为400nm；第二步在170℃下烘烤3.5分钟；第三步使用电子束曝光设备将版图的图案转移至已经旋涂pmma曝光胶的衬底上，曝光电流3na；最后一步通过化学显影方式，对已曝光的pmma胶进行显影。接着，以显影后的pmma胶作为掩膜进行化学气相沉积，生长530nm厚的硅。最后通过化学方法去掉pmma胶，获得对比用的红外吸波体。

图12(a)为本发明提供的第三实施例所获得吸波体在不同角度入射光下的吸收波长的示意图，其中，横坐标表示入射光角度，纵坐标表示被吸收波的波长；由图12(a)可知，当入射光的入射角度变化时，被吸收波的波长变化缓慢。图12(b)为本发明提供的第三实施例获得的红外吸波体在不同角度下的红外吸收光谱图，横坐标为被吸收波的波长，纵坐标为吸波体的吸收率，图12(b)展示了在入射角分别为0°、5°、10°以及15°下由第三实施例获得的红外吸波体的吸收光谱。由图12(b)可知，第三实施例获得的红外吸波体，在入射光的入射角度为0°时，吸收波峰波长为2640微米，在入射光的入射角度为5°时，吸收波峰波长为2638微米，在入射光的入射角度为10°时，吸收波峰波长为2636微米，在入射光的入射角度为15°时，吸收波峰波长为2635微米。

图12(c)为本发明提供的对比实施例所获得吸波体在不同角度入射光下的吸收波长的示意图，其中，横坐标表示入射光角度，纵坐标表示被吸收波的波长，由图12(c)可知，当入射光的入射角度变化时，被吸收波的波长变化急剧。图12(d)为本发明提供的对比实施例获得的红外吸波体在不同角度下的红外吸收光谱图；图12(d)展示了在入射角分别为0°、5°、10°以及15°下由对比实施例获得的红外吸波体的吸收光谱。由图12(d)可知，第三实施例获得的红外吸波体，在入射光的入射角度为0°时，吸收波峰波长为2638微米，在入射光的入射角度为5°时，吸收波峰波长为2641微米，在入射光的入射角度为10°时，吸收波峰波长为2651微米，在入射光的入射角度为15°时，吸收波峰波长为2671微米。

由图12可知，相比于对比实施例，第三实施例的吸波体在相同的入射角下，吸收峰峰值波长的偏移量要更小，因此，本发明所提供的吸波体具有一定的角度稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。