一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器

本发明涉及一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，属太赫兹超材料。

背景技术：

1、太赫兹波是指波长在红外与微波之间的电磁频段，一般指0.1thz到10thz范围，数值上1thz＝1012hz。太赫兹波具有光子能量低、脉冲宽度窄、频带宽等优点，在生化物品检测、新一代通信技术革命、太赫兹成像等多个研究领域有丰富的应用前景。与此同时，能与太赫兹波段产生强响应的自然材料较少，相应的功能性器件也因此面临匮乏，这些问题极大限制了太赫兹技术的运用。超材料是指具有限定周期并特定图案化的人工材料，利用该思路可以制作出性能优良的太赫兹滤波器、太赫兹吸收器等多种功能性器件，进而解决太赫兹器件的匮乏问题。

2、传统的金属基超材料一般采用金、银、铜等金属作为上层图案阵列材料，这些金属价格较为昂贵，同时如果不进行回收处理，会导致大量浪费与对环境的破坏。

3、为了解决金属基超材料的上述问题，全介质超材料逐渐受到人们关注。全介质概念即器件全部由介质材料组成，不包含金属材料，一些研究者利用硅材料成功制备了超材料吸收器。随着柔性科学的兴起，人们考虑是否可以将全介质超材料同柔性相结合，即利用外加应力使器件产生形变，进而改变太赫兹响应以实现超材料的调制；相比于金属基柔性超材料，全介质柔性超材料衬底与阵列间结合性、拉伸稳定性更好。一些研究者将氧化锆介质球同柔性衬底结合，成功制作了滤波器，但该全介质超材料采用的介质球为平面内随机分布，缺乏严整的排列规则，不能同现有的微纳加工技术融合。

4、目前的问题可以归纳为：

5、1.传统的金属基超材料造成金属资源浪费与环境污染，急需利用非金属材料制作性能优良的超材料以替代传统金属超材料。

6、2.现有的全介质非金属超材料大多采用刚性衬底结构，不能适应复杂环境需要，也不能通过拉伸进行动态调制。

7、3.目前报道的全介质柔性超材料采用陶瓷球随机粘连于柔性衬底上，缺乏严格的分布规则，制作重复性差，不能同现有的微纳加工技术融合。

技术实现思路

1、本发明的目的是，针对目前全介质非金属、与现有微纳加工技术兼容性好、高性能柔性可调制太赫兹超材料器件的需要，提出一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹超材料滤波器。作为本发明所述的一种太赫兹滤波器结构单元的一种改进，所述上层介质层材料为掺杂硅或无掺硅，下方柔性衬底层为聚二甲基硅氧烷(pdms)。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，其特征在于，上层为掺杂硅或无掺硅介质图案层(1)，下层为聚二甲基硅氧烷柔性衬底层(2)，上层掺杂硅或无掺硅介质图案层与下层衬底层的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用；上层的图案为对称三角形结构、对称扇环结构或不对称裂口环结构单元在平面内周期性阵列平铺。

4、所述介质层(1)的掺杂或无掺硅厚度为5～30微米；所述柔性衬底层(2)的聚二甲基硅氧烷厚度为10～100微米。

5、所述柔性衬底层(2)的侧边边长为100～400微米，上层介质层(1)的最长外廓尺寸介于所述柔性衬底层(2)边长的二分之一至所述柔性衬底层(2)的侧边边长之间。

6、所述对称三角形结构，由两个形貌相同的等腰三角形对称排布组成；三角形结构底长为60～160微米，高长为80～120微米，对称三角形之间距离为5～20微米之间。

7、所述的对称扇环结构，由两个形貌相同打的扇环对称排布组成；扇环外径长度为100～120微米，内径长度为5～15微米，扇环开角为30°～90°。

8、所述不对称裂口环结构，由两个形貌不相同的裂口环同心排布组成；其中外部大裂口环外径为90～125微米，大裂口环开角同水平线夹角为5°-30°，内部小裂口环外径为40～60微米，小裂口环开角为10°～60°，大小裂口环线宽为20～45微米。

9、所述下方柔性衬底层优选为矩形板状结构。

10、本发明公开一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器制备方法可以采用如下步骤：

11、1.在soi(silicon-on-insulator)硅片上加工超材料图案阵列掩膜。

12、2.刻蚀去除无掩膜区域的硅。

13、3.将soi硅片中央氧化层反应刻蚀，剩余宽度使硅可以被键合下。

14、4.将硅阵列转移键合至pdms衬底。

15、本发明涉及一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，器件包括上层掺杂硅或无掺硅介质图案层(1)与下层聚二甲基硅氧烷柔性衬底层(2)，阵列与衬底的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用。通过拉伸，器件可以在太赫兹波段实现明显的滤波位置调制与滤波深度调制。本发明太赫兹超材料滤波器有初级材料成本低的优势，且与传统半导体制造工艺有很高的兼容性，可以在较宽的频率范围内具有较大深度的可调制性。本发明可满足太赫兹系统的许多应用要求，并有潜力替代传统的金属基超材料器件。

16、本发明的有益效果在于：

17、1.本发明包括上层周期排布的掺杂硅或无掺硅介质图案层与下方聚二甲基硅氧烷，器件整体全部采用介质材料制作，不包括金属材料。

18、2.本发明提出的滤波器区别于传统金属基柔性超材料，阵列与衬底的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷间的成键力，作用牢固，通过拉伸器件可以在太赫兹频段实现明显的滤波频率位置调制与滤波幅值调制。其中非拉伸状态下器件在0.909thz位置产生了滤波，滤波谷透射率为11.6％；拉伸50％后滤波位置调制为0.629thz，滤波谷透射率为29.8％。

19、3.本发明太赫兹超材料滤波器具有体积小，成本低，易于制备等特点，与现有半导体工艺契合度高，有潜力替代传统的金属基超材料器件，可以大面积制备使用。

技术特征：

1.一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，其特征在于，上层为掺杂硅或无掺硅介质图案层(1)，下层为聚二甲基硅氧烷柔性衬底层(2)，上层掺杂硅或无掺硅介质图案层与下层衬底层的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用；上层的图案为对称三角形结构、对称扇环结构或不对称裂口环结构单元在平面内周期性阵列平铺。

2.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述介质层(1)的掺杂硅或无掺硅厚度为5～30微米之间；所述柔性衬底层(2)的聚二甲基硅氧烷厚度为10～100微米。

3.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述柔性衬底层(2)的侧边边长为100～400微米，上层介质层(1)的最长外廓尺寸介于所述柔性衬底层(2)边长的二分之一至所述柔性衬底层(2)的侧边边长之间。

4.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述对称三角形结构，由两个形貌相同的等腰三角形对称排布组成；三角形结构底长为60～160微米，高长为80～120微米，对称三角形之间距离为5～20微米。

5.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述的对称扇环结构，由两个形貌相同的扇环对称排布组成；扇环外径长度为100～120微米，内径长度为5～15微米，扇环开角为30°～90°。

6.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述不对称裂口环结构，由两个形貌不相同的裂口环同心排布组成；其中外部大裂口环外径为90～125微米，大裂口环开角同水平线夹角为5°～30°，内部小裂口环外径为40～60微米，小裂口环开角为10°～60°，大小裂口环线宽为20～45微米。

7.如权利要求1所述的太赫兹滤波器，其特征在于，所述下方柔性衬底层为矩形板状结构。

技术总结
本发明是一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器，器件包括：上层为掺杂硅或无掺硅介质图案层，下层为聚二甲基硅氧烷柔性衬底层，上层掺杂硅或无掺硅介质图案层与下层衬底层的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用；上层图案为对称三角形结构、对称扇环结构或不对称裂口环结构单元在平面内周期性阵列平铺，阵列与衬底的连接依靠硅与聚二甲基硅氧烷衬底间的成键作用。通过拉伸，器件在太赫兹波段实现明显的滤波位置调制与滤波深度调制。本发明具有初级材料成本低的优势，且与传统半导体制造工艺有很高的兼容性，在较宽的频率范围内具有较大深度的可调制性，满足太赫兹系统的许多应用要求，并有潜力替代传统的金属基超材料器件。

技术研发人员：马雷,郝丹妮,张毅
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12