一种高品质因数太赫兹环偶极子超材料的制作方法

本发明涉及一种高品质因数太赫兹环偶极子超材料，采用“金属-介质-金属”结构，具有正入射强度高，环偶极子谐振品质因数Q值大，谐振频率随介质厚度可调节等特点，可用于制备太赫兹传感器、调频器、滤波器等太赫兹器件。

背景技术：

太赫兹（THz）波是位于微波和远红外之间的电磁波。上世纪90年代，太赫兹发射源和探测器取得了一系列突破，引发了太赫兹科学与技术的快速发展。自由电子激光器和超快激光技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生机理、检测和应用技术的研究得到快速发展。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、天文学、光谱与成像技术以及信息科学等领域有着广泛的应用。环偶极子作为第三类辐射源，具有与众不同的特性，通过电多极子或磁多极子相干作用产生，具有高品质因数等特性。由于自然界中环偶极子谐振强度弱，多被其他谐振所覆盖，可利用超材料实现太赫兹频段下环偶极子现象。所谓超材料，就是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性地排列，所构成的一种人工材料。超材料为我们任意控制电磁波的传播方式提供了有效手段。环偶极子超材料已经在微波波段和光波波段开展了相应理论研究并进行实验证实，但在太赫兹波段尚未见报道。

技术实现要素：

针对现有研究状况，本发明提供一种采用“金属-介质-金属”结构的太赫兹环偶极子超材料，此种超材料可以制备在传统太赫兹介质Mylar、Polyimide上，具有入射强度大，Q值高，谐振频率可调节等优良的性能指标。

一种高品质因数太赫兹环偶极子超材料，包括一个第一金属图案层和一个第二金属图案层，所述的第一金属图案层和所述的第二金属图案层分别制备在介质层两面。第一金属图案层由分布在x轴负半轴区域中三个长方形1（长78~82μm*宽15~17μm）和分布在x轴正半轴区域中三个长方形2（长62~66μm*宽15~17μm）组成，六个长方形图案处于距离圆心23~25μm处，每个长方形图案沿圆的切向方向间隔60°排列；第二金属图案层图案为第一金属图案层沿z轴旋转180°，两层金属图案层在z方向上圆心重合。

进一步的，第一金属图案层和第二金属图案层的材料为铝、铅、银中的任意一种,金属图案层厚度为200nm-400nm。

进一步的，介质层的材料为Mylar、Polyimide中的任意一种，介质厚度为5-30μm。

进一步的，制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)甩胶：甩胶机以3000 rpm的速度转20~40秒，将光刻胶甩到介质上。将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5分钟，预烘烤后介质上的光刻胶厚度约为 2~4 μm；(2)曝光：样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间20~40秒。将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5分钟，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化；(3)显影：将烘烤后的样品置于显影液中显影约20~40秒，将冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5分钟，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形；(4)蒸镀金属：用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的铝膜。蒸镀的真空环境要高于5×10^-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方铝直接镀在介质层上；(5)剥离：将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。完成单面金属结构层制备；(6)重复在介质层另一面精确对准后，重复步奏(1)~ (5)，获得环偶极子超材料的制备。

进一步的，环偶极子超材料的太赫兹电磁特性采用8-F THz-TDS测量。

本发明与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点和显著优点：

1. 采用“金属-介质-金属”结构的环偶极子超材料，能够有效增强正面入射强度。

2. 在太赫兹频段下观察到环偶极子谐振，具有高Q值>12。

3. 通过介质厚度在5μm-30μm之间变化，环偶极子谐振频率可以在1.0~1.3THz之间调节。

附图说明

图1 环偶极子超材料单元结构；g：介质层的厚度；r：长方形距离中心距离；a：长方形1的长度；a-s：长方形2的长度；b：长方形的宽度；c：金属层厚度。

图2 环偶极子谐振Q值随介质厚度变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于一下实例。

如图1所示在介质层两面制备金属图案层，第一金属图案层由分布在x轴负半轴区域中三个长方形1（长80μm*宽16μm）和分布在x轴正半轴区域中三个长方形2（长64μm*宽16μm）图案组成，六个长方形图案处于距离圆心24μm处，每个长方形图案沿圆的切向方向间隔60°排列；第二金属图案层图案为第一金属图案层沿z轴旋转180°，两层金属图案层在z方向上圆心重合。

第一金属图案层和第二金属图案层的材料为铝,金属图案层厚度为300nm。

介质层的材料为Mylar，介质厚度为22μm。

该太赫兹环偶极子超材料的制备方法为光刻法和真空热蒸镀法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)甩胶：甩胶机以3000 rpm的速度转30秒，将光刻胶甩到介质上。将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5分钟，预烘烤后介质上的光刻胶厚度约为 3μm；(2)曝光：样品放在曝光机中，光刻胶压在结构掩模板下曝光，曝光时间30秒。将样品放入烤箱中在115℃下烘烤5分钟，使光刻胶进行充分的化学反应，以使曝光的图形均匀化；(3)显影：将烘烤后的样品置于显影液中显影约30秒，将冲洗吹干的样品放入烤箱中在115℃下烘烤5分钟，使残留在样品上的显影液蒸发，固化光刻胶的图形；(4)蒸镀金属：用真空热蒸镀的方法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍趋肤深度的铝膜。蒸镀的真空环境要高于5×10^-5mB，蒸镀速率约10nm/s。无光刻胶的地方铝直接镀在介质层上；(5)剥离：将蒸镀好的样品浸泡在丙酮溶液中，光刻胶溶解并将其上的金属带走，而直接镀在介质层上的金属则留下，形成铝图形阵列。完成单面金属结构层制备；(6)重复在介质层另一面精确对准后，重复步奏(1)~ (5)，获得环偶极子超材料的制备。

太赫兹环偶极子超材料，其太赫兹电磁特性采用8-F THz-TDS测量。

虽然本发明以较佳的实施例揭示如上，但其并非用以限定本发明；任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以对所述发明进行各种改动和润饰，因此，本发明的保护范围应当视本申请的专利范围所限定的为准。