一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器及其制备方法
【专利摘要】一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器及制备方法。要解决现有的太赫兹超材料滤波器的工作波长固定，工作带宽有限，应用范围窄，结构及制备工艺复杂，可靠性低的问题。本发明滤波器为多层平板结构，包括玻璃衬底层、第一金属结构层、绝缘层、金属种子层、第二金属结构层、液晶材料和玻璃盖板；制备方法：一、制备金属结构层；二、制备绝缘层；三、制备金属种子层；四、制备电镀用模具结构；五、制备周期性缝隙金属结构；六、填充液晶材料，盖玻璃盖板。本发明滤波器所需的电压减小、结构简单，调谐范围宽，响应时间快，极化不敏感，化学稳定性好。本发明方法适用于制备低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器。
【专利说明】
一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器及其制备方法
【背景技术】
[0002]超材料(Metamaterial)是由周期性排列的亚波长结构单元组成的人工电磁材料，其电磁特性取决于结构单元的形状、尺寸和排列方式，通过合理设计结构单元可有效地控制电磁波的传播，实现自然材料不具备的超常电磁特性，例如负折射、电磁隐身和光学变换等特性。目前，随着超材料研究不断深入，其工作频率从最初的微波波段扩展到太赫兹波和可见光区域。太赫兹(Terahertz)波是指频率在0.1?1THz的电磁波谱，处在电子学和光子学交叉区域。与其它频段的电磁波相比，表现出一系列特殊的电磁性质，可广泛应用在成像、传感以及大容量通讯等领域。然而，由于缺乏有效地产生和检测方法，以及自然界中大多数材料对太赫兹波响应非常弱，使得人们对太赫兹波的了解非常有限，是电磁波谱中有待完全开发的频段，以至于通常把该频率范围称为“太赫兹空隙”。
[0003]近年来，超材料与太赫兹波相结合(即太赫兹超材料)引起人们广泛关注和兴趣，逐渐成为超材料研究新分支和热点，其根本原因是超材料对太赫兹波有明显的电磁响应，能有效地控制太赫兹波的传输和辐射。目前，已设计和制备出基于不同结构的太赫兹超材料滤波器，使得它们在通讯、安全检测检、生化传感等领域都具有潜在的应用价值和应用前景。然而，现有的太赫兹超材料滤波器对电磁波的响应主要取决于结构单元，其形状和尺寸一旦确定，所对应的工作波长和带宽也固定，只能在有限的工作带宽内实现单一功能，严重地制约和限制应用范围。
[0004]为了克服上述缺陷，通过集成活性材料实现对太赫兹波动态调控，进而实现对其奇异电磁特性的实时控制和动态调谐，由此形成了电磁学领域的一个新的研究热点:可调谐太赫兹超材料滤波器(Tunable Terahertz Metamaterial Filter)。
[0005]目前，可调太赫兹超材料滤波器研究已有很多报道，成为最前沿的科技领域之一，吸引人们的广泛的关注和兴趣。2013年，Y.H.Zhu等人提出基于温控V02电导率的双带可调的太赫兹超材料滤波器。2014年，K.Yang等人制备了基于石墨稀调谐的太赫兹超材料滤波器。Z.L.Han等人利用静电驱动MEMS结构形变重构太赫兹超材料结构单元实现太赫兹可调谐滤波器。然而，上述温度可调谐太赫兹超材料滤波器需要引入热驱动，这将会增加超材料结构的复杂性;而MEMS结构制备工艺复杂以及可靠性低。总之，这些缺陷将会给超材料滤波器的实际应用带来很大的难度。相比其他调谐手段太赫兹滤波器，液晶材料调谐受到了很多关注。液晶材料的结构和特性介于固态晶体与各项同性液体之间，是有序性的流体，作为调谐材料有较大的电光系数，在电场或磁场的作用下，起折射率变化可达0.2以上，可获得较大的调谐量；另外，液晶具有成本低廉，对人体无危害，对电场比较敏感，化学稳定性好，透明和很容易进入各种尺寸的结构中等优点。
[0006]如可直接低电压静电调节超材料滤波器中液晶材料的介电常数，将有效简化可调谐太赫兹超材料滤波器结构复杂性和加工难度，以及提高其可靠性，从而大大地推进其实用化进程。
【发明内容】
[0007]本发明为了解决现有的太赫兹超材料滤波器的工作波长固定，工作带宽有限，应用范围窄，结构及制备工艺复杂，可靠性低和制备成本高的问题，而提出一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器及其制备方法。
[0008]—种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，该滤波器为多层平板状，包括玻璃衬底层、第一金属结构层、绝缘层、金属种子层、第二金属结构层、液晶材料和玻璃盖板；
[0009]所述第一金属结构层设置于玻璃衬底层上表面，第一金属结构层由矩形阵列排布的圆柱形金属和连接圆柱形金属的长条形金属组成；
[0010]所述绝缘层设置于圆柱形金属和长条形金属围成的区域内，以及长条形金属上表面;绝缘层的上表面为平面；
[0011]所述金属种子层设置于绝缘层的上表面和圆柱形金属上表面，金属种子层上表面为平面；圆柱形金属上表面的金属种子层和绝缘层的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为2?20μπι;
[0012]所述第二金属结构层设置于金属种子层上表面，具有圆环形空隙，第二金属结构层的上表面为平面，第二金属结构层的圆环形空隙与金属种子层之间的圆环形空隙上下贯通；
[0013]所述液晶材料填充于金属种子层之间的圆环形空隙和第二金属结构层的圆环形空隙中；
[0014]所述玻璃盖板设置于第二金属结构层的上表面。
[0015]所述圆柱形金属和长条形金属为N1、Cr、Al、Ag、Au或Cu，圆柱形金属和长条形金属的高度为0.2?Ιμπι;绝缘层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚二甲基丙稀酰胺;长条形金属上表面的绝缘层厚度为0.5?4μηι;金属种子层为N1、Cr、Ni合金或Cr合金；绝缘层的上表面的金属种子层高度为20?10nm;第二金属结构层为Au或Cu，高度为5?50μπι;液晶材料为DFLC液晶材料、LC1825液晶材料、Ε7液晶材料、5CB液晶材料或ΤΕΒ30Α液晶材料。
[0016]本发明基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备方法按以下步骤进行:
[0017]一、利用材料生长工艺，在玻璃衬底上制备第一金属结构层;所述材料生长工艺为电子束蒸发、真空蒸镀、溅射或化学气相淀积；
[0018]二、利用机械旋涂工艺、原子层淀积工艺或化学气相淀积，在第一金属结构层中圆柱形金属和长条形金属围成的区域内，以及长条形金属上表面制备绝缘层；
[0019]三、利用材料生长工艺，绝缘层的上表面和圆柱形金属上表面制备金属种子层，圆柱形金属上表面的金属种子层和绝缘层的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为
2?20μπι;所述材料生长工艺为电子束蒸发、真空蒸镀、溅射或化学气相淀积；
[0020]四、利用机械旋涂工艺，在步骤三的圆环形空隙底部的绝缘层上旋涂一层光刻胶，将光刻胶依次经UV-LIGA工艺曝光和显影，形成电镀用模具结构；所述光刻胶为SU-8光刻胶、PMMA光刻胶或AZ光刻胶;所述旋涂光刻胶的厚度为5?50μπι;
[0021]五、利用电镀用模具结构做为电镀模具，进行电镀金属，形成第二金属结构层;第二金属结构层的圆环形空隙与金属种子层之间的圆环形空隙上下贯通；
[0022]六、去除步骤五中形成的电镀用模具结构，并在电镀用模具结构去除后留下的缝隙中填充液晶材料，盖上玻璃盖板，即完成基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备。
[0023]本发明具备以下有益效果:
[0024]1、本发明滤波器是基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，是多层结构的器件，通过在绝缘层上设计和制备第二金属结构层，它是周期性缝隙结构，使第二金属结构层金属具有偶极子，可在特定的频段内产生幅值较大的传输光谱;又因为静电压驱动液晶分子的转向改变液晶材料的介电常数，使该传输光谱发生平移，从而实现高幅值可调谐太赫兹超材料带通滤波器的功能。
[0025]2、本发明滤波器工作时，可以分别从长条形金属引出连线，实现侧向加电压控制液晶分子的转向，这与传统的垂直方向加载电压的可调谐液晶滤波器相比，由于圆环形空隙的宽度小，因此所需的电压减小，并且结构简单，降低了操作的难度，使之变得灵活方便。同时，现有的垂直加载电压的液晶可调谐超材料滤波器中填充有ΙΟΟμπι厚的液晶材料，在太赫兹波段，较厚的液晶将会产生很大的双折射，并减慢液晶材料折射率的改变，因此导致滤波器响应时间很长，本发明所采用的液晶厚为2?20μπι，加上电压后，液晶分子发生转动并重新定位，介电常数发生变化的速度变快，因此响应时间明显加快。
[0026]3、现有的超材料滤波器的工作带宽窄，本发明滤波器通过加载可变电压的电场控制液晶方向偏转，改变液晶材料的介电常数，可实现从0.56ΤΗζ至0.7ΤΗζ宽范围调谐，从而解决滤波器工作频率过窄的技术问题，使本发明滤波器可应用于太赫兹通讯、传感、成像等领域；
[0027]4、本发明滤波器中结构中，第二金属结构层5被液晶材料分割为距离为2?20μπι两部分，并且形成了两个电极，电极之间的距离(也就是液晶层的厚度)越小，所加驱动电压也就越小，现有滤波器的驱动电压有几百甚至几千伏的，本发明滤波器的驱动电压可以低至几十伏甚至几伏。
[0028]5、本滤波器的单元结构具有360度中心对称特点，对入射电磁波极化不敏感。
[0029]6、本发明滤波器具有结构简单、操作容易、低电压调谐、极化不敏感;并且采用的液晶材料具有成本低廉，对人体无危害，对电场比较敏感，化学稳定性好，透明和很容易进入各种尺寸的结构中等优点。
【附图说明】
[0030]图1为可调谐太赫兹超材料滤波器示意图；I为玻璃衬底层、2为第一金属结构层、3为绝缘层、4为金属种子层、5为第二金属结构层，6为液晶材料，7为玻璃盖板；
[0031]图2为本发明第一金属结构层示意图，I为玻璃衬底层、2-1为圆柱形金属，2-2为长条形金属；
[0032]图3为本发明中绝缘层示意图，I为玻璃衬底，2-1为圆柱形金属，2-2为长条形金属，3为绝缘层；
[0033]图4为本发明金属种子层示意图，I为玻璃衬底，2为第一金属结构层，3为绝缘层，4为金属种子层；
[0034]图5为本发明电镀用模具结构示意图，I为玻璃衬底，2为第一金属结构层，3为绝缘层，4为金属种子层，a为电镀用模具结构；
[0035]图6为本发明电镀用模具结构示意图，I为玻璃衬底，2为第一金属结构层，3为绝缘层，4为金属种子层，5为第二金属结构层；
[0036]图7为本发明液晶材料示意图，I为玻璃衬底，2为第一金属结构层，3为绝缘层，4为金属种子层，5为第二金属结构层，6为液晶材料；
[0037]图8为实施例1可调谐太赫兹超材料滤波器测试结果图，其中曲线I的介电常数ε为2.27，曲线2的介电常数ε为2.41，曲线3的介电常数ε为2.64，曲线4的介电常数ε为2.98 ；
[0038]图9为实施例2可调谐太赫兹超材料滤波器测试结果图，其中曲线I的介电常数ε为2.57，曲线2的介电常数ε为2.92，曲线3的介电常数ε为3.46，曲线4的介电常数ε为3.74，曲线4的介电常数ε为4.01。
【具体实施方式】
[0039]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意合理组合。
[0040]【具体实施方式】一:结合图1?4，图6和图7说明本实施方式，本实施方式一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，该滤波器为多层平板状，包括玻璃衬底层1、第一金属结构层2、绝缘层3、金属种子层4、第二金属结构层5、液晶材料6和玻璃盖板7;
[0041]所述第一金属结构层2设置于玻璃衬底层I上表面，第一金属结构层2由矩形阵列排布的圆柱形金属2-1和连接圆柱形金属2-1的长条形金属2-2组成；
[0042]所述绝缘层3设置于圆柱形金属2-1和长条形金属2-2围成的区域内，以及长条形金属2-2上表面;绝缘层3的上表面为平面；
[0043]所述金属种子层4设置于绝缘层3的上表面和圆柱形金属2-1上表面，金属种子层4上表面为平面；圆柱形金属2-1上表面的金属种子层和绝缘层3的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为2?20μηι;
[0044]所述第二金属结构层5设置于金属种子层4上表面，具有圆环形空隙，第二金属结构层5的上表面为平面，第二金属结构层5的圆环形空隙与金属种子层4之间的圆环形空隙上下贯通；
[0045]所述液晶材料6填充于金属种子层4之间的圆环形空隙和第二金属结构层5的圆环形空隙中；
[0046]所述玻璃盖板7设置于第二金属结构层5的上表面。
[0047]本实施方式具备以下有益效果:
[0048]1、本实施方式滤波器是基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，是多层结构的器件，通过在绝缘层上设计和制备第二金属结构层，它是周期性缝隙结构，使第二金属结构层金属具有偶极子，可在特定的频段内产生幅值较大的传输光谱;又因为静电压驱动液晶分子的转向改变液晶材料的介电常数，使该传输光谱发生平移，从而实现高幅值可调谐太赫兹超材料带通滤波器的功能。
[0049]2、本实施方式滤波器工作时，可以分别从长条形金属引出连线，实现侧向加电压控制液晶分子的转向，这与传统的垂直方向加载电压的可调谐液晶滤波器相比，由于圆环形空隙的宽度小，因此所需的电压减小，并且结构简单，降低了操作的难度，使之变得灵活方便。同时，现有的垂直加载电压的液晶可调谐超材料滤波器中填充有ΙΟΟμπι厚的液晶材料，在太赫兹波段，较厚的液晶将会产生很大的双折射，并减慢液晶材料折射率的改变，因此导致滤波器响应时间很长，本实施方式所采用的液晶厚为2?20μπι，加上电压后，液晶分子发生转动并重新定位，介电常数发生变化的速度变快，因此响应时间明显加快。
[0050]3、现有的超材料滤波器的工作带宽窄，本实施方式滤波器通过加载可变电压的电场控制液晶方向偏转，改变液晶材料的介电常数，可实现从0.56ΤΗζ至0.7ΤΗζ宽范围调谐，从而解决滤波器工作频率过窄的技术问题，使本实施方式滤波器可应用于太赫兹通讯、传感、成像等领域；
[0051 ] 4、本实施方式滤波器中结构中，第二金属结构层5被液晶材料分割为距离为2?20ym两部分，并且形成了两个电极，电极之间的距离(也就是液晶层的厚度)越小，所加驱动电压也就越小，现有滤波器的驱动电压有几百甚至几千伏的，本实施方式滤波器的驱动电压可以低至几十伏甚至几伏。
[0052]5、本滤波器的单元结构具有360度中心对称特点，对入射电磁波极化不敏感。
[0053]6、本实施方式滤波器具有结构简单、操作容易、低电压调谐、极化不敏感;并且采用的液晶材料具有成本低廉，对人体无危害，对电场比较敏感，化学稳定性好，透明和很容易进入各种尺寸的结构中等优点。
[0054]【具体实施方式】二:结合图2说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述圆柱形金属2-1和长条形金属2-2为N1、Cr、Al、Ag、Au或Cu，圆柱形金属2-1和长条形金属2-2的高度为0.2?Ιμπι。其他步骤和参数与【具体实施方式】一相同。
[0055]【具体实施方式】三:结合图3说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述绝缘层3为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚二甲基丙烯酰胺。其他步骤和参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0056]【具体实施方式】四:结合图3说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:所述长条形金属2-2上表面的绝缘层3厚度为0.5?4μπι。其他步骤和参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0057]【具体实施方式】五:结合图4说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:所述绝缘层3的上表面的金属种子层4高度为20?lOOnm。其他步骤和参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0058]【具体实施方式】六:结合图4说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:所述金属种子层4为N1、Cr、Ni合金或Cr合金。其他步骤和参数与【具体实施方式】
一至五之一相同。
[0059]【具体实施方式】七:结合图6说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:所述第二金属结构层5为Au或Cu，高度为5?50μπι。其他步骤和参数与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0060]【具体实施方式】八:结合图6说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是:所述液晶材料6为DFLC液晶材料、LC1825液晶材料、E7液晶材料、5CB液晶材料或TEB30A液晶材料。其他步骤和参数与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0061 ]【具体实施方式】九:结合图2?7说明本实施方式，本实施方式一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的方法按以下步骤进行:
[0062]—、利用材料生长工艺，在玻璃衬底I上制备第一金属结构层2;所述材料生长工艺为电子束蒸发、真空蒸镀、溅射或化学气相淀积；
[0063]二、利用机械旋涂工艺、原子层淀积工艺或化学气相淀积，在第一金属结构层2中圆柱形金属2-1和长条形金属2-2围成的区域内，以及长条形金属2-2上表面制备绝缘层3;所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚二甲基丙烯酰胺；
[0064]三、利用材料生长工艺，绝缘层3的上表面和圆柱形金属2-1上表面制备金属种子层4，圆柱形金属2-1上表面的金属种子层和绝缘层3的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为2?20μπι;所述材料生长工艺为电子束蒸发、真空蒸镀、溅射或化学气相淀积；
[0065]四、利用机械旋涂工艺，在步骤三的圆环形空隙底部的绝缘层3上旋涂一层光刻胶，将光刻胶依次经UV-LIGA工艺曝光和显影，形成电镀用模具结构a;所述光刻胶为SU-8光亥嫌、PMMA光刻胶或AZ光刻胶;所述旋涂光刻胶的厚度为5?50μπι;
[0066]五、利用电镀用模具结构a做为电镀模具，进行电镀金属，形成第二金属结构层5;第二金属结构层5的圆环形空隙与金属种子层4之间的圆环形空隙上下贯通；
[0067]六、去除步骤五中形成的电镀用模具结构a，并在电镀用模具结构a去除后留下的缝隙中填充液晶材料，盖上玻璃盖板7，即完成基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备。
[0068]1、本实施方式滤波器是基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，是多层结构的器件，通过在绝缘层上设计和制备第二金属结构层，它是周期性缝隙结构，使第二金属结构层金属具有偶极子，可在特定的频段内产生幅值较大的传输光谱;又因为静电压驱动液晶分子的转向改变液晶材料的介电常数，使该传输光谱发生平移，从而实现高幅值可调谐太赫兹超材料带通滤波器的功能。
[0069]2、本实施方式滤波器工作时，可以分别从长条形金属引出连线，实现侧向加电压控制液晶分子的转向，这与传统的垂直方向加载电压的可调谐液晶滤波器相比，由于圆环形空隙的宽度小，因此所需的电压减小，并且结构简单，降低了操作的难度，使之变得灵活方便。同时，现有的垂直加载电压的液晶可调谐超材料滤波器中填充有ΙΟΟμπι厚的液晶材料，在太赫兹波段，较厚的液晶将会产生很大的双折射，并减慢液晶材料折射率的改变，因此导致滤波器响应时间很长，本实施方式所采用的液晶厚为2?20μπι，加上电压后，液晶分子发生转动并重新定位，介电常数发生变化的速度变快，因此响应时间明显加快。
[0070]3、现有的超材料滤波器的工作带宽窄，本实施方式滤波器通过加载可变电压的电场控制液晶方向偏转，改变液晶材料的介电常数，可实现从0.56ΤΗζ至0.7ΤΗζ宽范围调谐，从而解决滤波器工作频率过窄的技术问题，使本实施方式滤波器可应用于太赫兹通讯、传感、成像等领域；
[0071]4、本实施方式滤波器中结构中，第二金属结构层5被液晶材料分割为距离为2?20μπι两部分，并且形成了两个电极，电极之间的距离(也就是液晶层的厚度)越小，所加驱动电压也就越小，现有滤波器的驱动电压有几百甚至几千伏的，本实施方式滤波器的驱动电压可以低至几十伏甚至几伏。
[0072]5、本滤波器的单元结构具有360度中心对称特点，对入射电磁波极化不敏感。
[0073]6、本实施方式滤波器具有结构简单、操作容易、低电压调谐、极化不敏感;并且采用的液晶材料具有成本低廉，对人体无危害，对电场比较敏感，化学稳定性好，透明和很容易进入各种尺寸的结构中等优点。
[0074]实施例1
[0075]本实施例基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备方法按以下步骤进行:
[0076]—、利用材料生长工艺，在玻璃衬底I上制备第一金属结构层2;所述材料生长工艺为化学气相淀积；
[0077]二、利用机械旋涂工艺，在第一金属结构层2中圆柱形金属2-1和长条形金属2-2围成的区域内，以及长条形金属2-2上表面制备绝缘层3;
[0078]三、利用材料生长工艺，绝缘层3的上表面和圆柱形金属2-1上表面制备金属种子层4，圆柱形金属2-1上表面的金属种子层和绝缘层3的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为8μι;所述材料生长工艺为化学气相淀积；
[0079]四、利用机械旋涂工艺，在步骤三的圆环形空隙底部的绝缘层3上旋涂一层光刻胶，将光刻胶依次经UV-LIGA工艺曝光和显影，形成电镀用模具结构a;所述光刻胶为SU-8光刻胶;所述旋涂光刻胶的厚度为50μπι ；
[0080]五、利用电镀用模具结构a做为电镀模具，进行电镀金属，形成第二金属结构层5;第二金属结构层5的圆环形空隙与金属种子层4之间的圆环形空隙上下贯通；
[0081]六、去除步骤五中形成的电镀用模具结构a，并在电镀用模具结构a去除后留下的缝隙中填充液晶材料，盖上玻璃盖板7，即完成基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备。
[0082]所述圆柱形金属2-1和长条形金属2-2为Ni，圆柱形金属2-1和长条形金属2-2的高度为0.5μπι;绝缘层3为二氧化硅;长条形金属2-2上表面的绝缘层3厚度为4μπι;金属种子层4为Ni ;绝缘层3的上表面的金属种子层4高度为60nm;第二金属结构层5为Au，高度为50μπι;液晶材料6为DFLC液晶材料;所述液晶材料为DFLC液晶材料；
[0083]采用太赫兹时域光谱分析仪测试本实施例制备的可调谐太赫兹超材料滤波器，通过控制外加电场或温度，控制液晶分子的转向，改变液晶材料的介电常数，进而测试得到太赫兹超材料滤波的传输光谱的工作频率，测试结果如图8所示，从图中可以看出，传输曲线随着介电常数的增加，逐渐发生红移，可以实现连续可调，而且，在调谐的过程中并不影响其传输的效果，传输率基本维持在70 %左右，且滤波器的工作范围比较宽，在0.6ΤΗζ至0.7ΤΗζ范围内。
[0084]实施例2本实施例基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备方法与实施例1不同的是，所述液晶材料6为LC1825液晶材料，其它步骤和参数有实施例1相同；
[0085]采用太赫兹时域光谱分析仪测试本实施例制备的可调谐太赫兹超材料滤波器，通过控制外加电场或温度，控制液晶分子的转向，改变液晶材料的介电常数，进而测试得到太赫兹超材料滤波的传输光谱的工作频率，测试结果如图9所示，从图中可以看出，传输曲线随着介电常数的增加，逐渐发生红移，可以实现连续可调，而且，在调谐的过程中并不影响其传输的效果，传输率基本维持在70%左右，且滤波器的工作范围比较宽，在0.56THz?
0.66THz范围内。
【主权项】
1.一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，该滤波器为多层平板状，包括玻璃衬底层(I)、第一金属结构层(2)、绝缘层(3)、金属种子层(4)、第二金属结构层(5)、液晶材料(6)和玻璃盖板(7); 所述第一金属结构层(2)设置于玻璃衬底层(I)上表面，第一金属结构层(2)由矩形阵列排布的圆柱形金属(2-1)和连接圆柱形金属(2-1)的长条形金属(2-2)组成； 所述绝缘层(3)设置于圆柱形金属(2-1)和长条形金属(2-2)围成的区域内，以及长条形金属(2-2)上表面;绝缘层(3)的上表面为平面； 所述金属种子层(4)设置于绝缘层(3)的上表面和圆柱形金属(2-1)上表面，金属种子层(4)上表面为平面；圆柱形金属(2-1)上表面的金属种子层和绝缘层(3)的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为2?20μηι; 所述第二金属结构层(5)设置于金属种子层(4)上表面，具有圆环形空隙，第二金属结构层(5)的上表面为平面，第二金属结构层(5)的圆环形空隙与金属种子层(4)之间的圆环形空隙上下贯通； 所述液晶材料(6)填充于金属种子层(4)之间的圆环形空隙和第二金属结构层(5)的圆环形空隙中； 所述玻璃盖板(7)设置于第二金属结构层(5)的上表面。2.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在所述圆柱形金属(2-1)和长条形金属2-2为N1、Cr、Al、Ag、Au或Cu，圆柱形金属(2-1)和长条形金属(2-2)的高度为0.2?Ιμπι。3.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在于所述绝缘层(3)为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚二甲基丙烯酰胺。4.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在于所述长条形金属(2-2)上表面的绝缘层(3)厚度为0.5?4μπι。5.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在于所述绝缘层(3)的上表面的金属种子层(4)高度为20?lOOnm。6.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在于所述金属种子层(4)为N1、Cr、Ni合金或Cr合金。7.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在于所述第二金属结构层(5)为Au或Cu，高度为5?50μηι。8.根据权利要求1所述的一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器，其特征在于所述液晶材料(6)为DFLC液晶材料、LC1825液晶材料、Ε7液晶材料、5CB液晶材料或ΤΕΒ30Α液晶材料。9.一种制备如权利要求1所述一种基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行: 一、利用材料生长工艺，在玻璃衬底(I)上制备第一金属结构层(2);所述材料生长工艺为电子束蒸发、真空蒸镀、溅射或化学气相淀积； 二、利用机械旋涂工艺、原子层淀积工艺或化学气相淀积，在第一金属结构层(2)中圆柱形金属(2-1)和长条形金属(2-2)围成的区域内，以及长条形金属(2-2)上表面制备绝缘层(3);所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚二甲基丙烯酰胺； 三、利用材料生长工艺，绝缘层(3)的上表面和圆柱形金属(2-1)上表面制备金属种子层(4)，圆柱形金属(2-1)上表面的金属种子层和绝缘层(3)的上表面的金属种子层之间为圆环形空隙，宽度为2?20μπι;所述材料生长工艺为电子束蒸发、真空蒸镀、溅射或化学气相淀积； 四、利用机械旋涂工艺，在步骤三的圆环形空隙底部的绝缘层(3)上旋涂一层光刻胶，将光刻胶依次经UV-LIGA工艺曝光和显影，形成电镀用模具结构(a);所述光刻胶为SU-8光亥嫌、PMMA光刻胶或AZ光刻胶;所述旋涂光刻胶的厚度为5?50μπι; 五、利用电镀用模具结构(a)做为电镀模具，进行电镀金属，形成第二金属结构层(5);第二金属结构层(5)的圆环形空隙与金属种子层(4)之间的圆环形空隙上下贯通； 六、去除步骤五中形成的电镀用模具结构(a)，并在电镀用模具结构(a)去除后留下的缝隙中填充液晶材料，盖上玻璃盖板(7)，即完成基于低电压驱动液晶材料的可调谐太赫兹超材料滤波器的制备。
【文档编号】G02F1/13GK106019648SQ201610363500
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】贺训军, 石爽, 杨兴宇, 李少鹏, 吴丰民, 姜久兴
【申请人】哈尔滨理工大学