基于金属分裂环的三波段高Q值太赫兹超材料吸收器

本发明属于超材料器件领域，具体地涉及一种基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器。

背景技术：

1、太赫兹波，是频率在0.1-10thz的电磁波，处于红外和微波之间，是电子学向光子学过渡的区域，其光子能量低，在自然界表现为非离子化，不会对物质产生破坏，实现无损检测；高穿透性，对于结构小且不均匀的物质，降低散射效应增加物质的穿透深度；分子指纹谱，可以检测到物质的内部信息。以上优势使太赫兹波成为研究界的热点，太赫兹波已成功应用在光谱与成像技术、通信技术、雷达和安全检查等方面；但是，天然材料因其具有千兆赫的频率而不适用于太赫兹波段，从而阻碍了研究人员对太赫兹波段的探索与研究。

2、超材料是人工设计且结构可变，具有负折射率的复合材料，弥补了天然材料的不足，可以对太赫兹波实现波前调控和波后控制等功能。太赫兹超材料吸收器可以实现对入射太赫兹波的完美吸收、分析物折射率传感、分析物厚度传感检测等，已在生物医学、农产品/食品安全等领域广泛研究。多波段的太赫兹超材料吸收器由于其产生多个谐振峰的特点表现为性能稳定，在检测分析物时可以实现物质信息的多点匹配、高精度传感和检测的功能。将太赫兹超材料与太赫兹时域光谱仪器相结合，实现对微量或痕量物质的高灵敏检测，以达到国家标准为目标，提升微量物质的检测下限。因此，设计具有完美吸收特性、多波段和高品质因数的太赫兹超材料吸收器具有重大的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种接近完美吸收且品质因数高的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，以及该太赫兹超材料吸收器的制备方法，同时还提供了一种基于该太赫兹超材料吸收器的高灵敏度定性检测装置。

2、本发明第一方面提供一种基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，该吸收器由若干超材料正方形周期单元呈周期性排列而成，相邻超材料正方形周期单元间无间隙；

3、每个超材料正方形周期单元包括由上至下设置的金属谐振层、中间绝缘层和金属反射层；

4、所述金属反射层，紧贴所述中间绝缘层的下表面设置，且截面大小与所述中间绝缘层的截面大小一致；

5、所述金属谐振层，紧贴设置在所述中间绝缘层的上表面的中部，包括两个对称设置的金属分裂谐振器；

6、所述金属分裂谐振器包括两个对称设置的开口方环，所述开口方环的开口位置为该开口方环的靠近该两个开口方环对称中心线的环线的中部，该两个开口方环的远离两个金属分裂谐振器的对称中心线的环线一体化连接。

7、基于上述，所述开口方环的线宽w为1-3μm，长度a为76-82μm，宽b为18-23μm；所述开口方环的开口距离g1为1-3μm；两个对称设置的开口方环之间的距离g2为3-5μm。

8、基于上述，所述金属谐振层和所述金属反射层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.1～0.3μm，电导率为4.561×107s/m。

9、基于上述，所述金属谐振层和所述金属反射层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.2μm，电导率为4.561×107s/m。

10、基于上述，所述开口方环的线宽w为2μm，长度a为76-82μm，宽b为18-23μm；所述开口方环的开口距离g1为2μm；两个对称设置的开口方环之间的距离g2为4μm。

11、基于上述，所述中间绝缘层，截面大小与所述超材料正方形周期单元的截面大小一致，边长为120μm，厚度t2为20μm；所述中间绝缘层的材料为介电常数为2.1（1+i0.0002）的聚四氟乙烯。

12、基于上述，该太赫兹超材料吸收器在f1=1.11thz、f2=2.256thz和f3=2.64thz处均产生了谐振频率。

13、基于上述，该太赫兹超材料吸收器在f2=2.256thz和f3=2.64thz处均具有高q值的竖琴峰值。

14、本发明第二方面提供一种所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器的制备方法：

15、首先，在高阻硅上准备2㎝*2㎝的聚四氟乙烯衬底，利用金属蒸镀技术在清洗干净的聚四氟乙烯衬底底部和顶部均蒸镀一层金属薄膜；

16、然后，在顶层的金属薄膜上旋涂一层均匀的光刻胶，用正片掩膜版进行紫外曝光，显影时金属谐振层形状的光刻溶胶溶解在显影液里，再利用离子束刻蚀技术将无光刻胶保护的区域的金层全部刻蚀；

17、最后，利用酒精和丙酮超声将剩余的光刻胶去除，留下吸收器的金属谐振层结构。

18、本发明第三方面提供一种高灵敏度定性检测装置，采用所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器作为该高灵敏度定性检测装置的检测传感器，用以实现微量或痕量物质的定性识别。

19、与现有技术相比，本发明具有如下特点：

20、1、本发明提出的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器由简单的金属开口方环构成，金属开口方环易与入射太赫兹波相互作用实现高效吸收，并且具有结构简单，易加工，小体积，易集成的特点。

21、2、本发明结构在1-3thz存在三个共振吸收峰，且吸收率均达到96%以上，接近完美吸收。

22、3、本发明结构因在谐振处含有两个竖琴峰值，品质因数可达528。

23、4、本发明结构由于单元结构的对称性，能够实现x和y极化不敏感。

技术特征：

1.一种基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：该吸收器由若干超材料正方形周期单元呈周期性排列而成，相邻超材料正方形周期单元间无间隙；

2.根据权利要求1所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述开口方环的线宽w为1-3μm，长度a为76-82μm，宽b为18-23μm；所述开口方环的开口距离g1为1-3μm；两个对称设置的开口方环之间的距离g2为3-5μm。

3.根据权利要求2所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述金属谐振层和所述金属反射层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.1～0.3μm，电导率为4.561×107s/m。

4.根据权利要求3所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述金属谐振层和所述金属反射层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.2μm，电导率为4.561×107s/m。

5.根据权利要求4所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述开口方环的线宽w为2μm，长度a为76-82μm，宽b为18-23μm；所述开口方环的开口距离g1为2μm；两个对称设置的开口方环之间的距离g2为4μm。

6.根据权利要求5所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器，其特征在于：

9.一种权利要求1-6任一项所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器的制备方法，其特征在于：

10.一种高灵敏度定性检测装置，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的基于金属分裂环的三波段高q值太赫兹超材料吸收器作为该高灵敏度定性检测装置的检测传感器，用以实现微量或痕量物质的定性识别。

技术总结
本发明公开了一种基于金属分裂环的三波段高Q值太赫兹超材料吸收器，该吸收器由若干超材料正方形周期单元呈周期性排列而成，相邻超材料正方形周期单元间无间隙；每个超材料正方形周期单元包括由上至下设置的金属谐振层、中间绝缘层和金属反射层；所述金属反射层，紧贴所述中间绝缘层的下表面设置，且截面大小与所述中间绝缘层的截面大小一致；所述金属谐振层，紧贴设置在所述中间绝缘层的上表面的中部，包括两个对称设置的金属分裂谐振器；所述金属分裂谐振器包括两个对称设置的开口方环，所述开口方环的开口位置为该开口方环的靠近该两个开口方环对称中心线的环线的中部，该两个开口方环的远离两个金属分裂谐振器的对称中心线的环线一体化连接。

技术研发人员：葛宏义,季晓迪,蒋玉英,吴旭阳,孙振雨,贾志远,张元
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15