偏振不敏感的高折射率超材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種超高折射率材料，其主體為超材料，該超材料的結(jié)構(gòu)單元如下，其包括介質(zhì)材料和兩個(gè)工字型金屬材料，兩個(gè)工字型金屬材料是嵌入在介質(zhì)材料中的，兩個(gè)工字型金屬材料垂直對稱設(shè)置，該結(jié)構(gòu)單元在平面上周期性排布，形成單層的二維超材料，三層二維超材料堆疊在一起，組成超高折射率超材料。一種超高折射率材料的制作方法，其具體步驟詳見正文。本發(fā)明達(dá)到如下效果，多頻響應(yīng)：該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻率下都體現(xiàn)出高折射率的性質(zhì)，而已有材料只能在一個(gè)頻率下具有高折射率。各向同性：該結(jié)構(gòu)在保持了材料寬頻高折射率的同時(shí)，真正的使其擁有了各向同性的性質(zhì)。便于應(yīng)用：該材料韌性好，易彎曲，減小了其在實(shí)際使用中的局限性。
【專利說明】偏振不敏感的高折射率超材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)材料，尤其涉及超高折射率材料及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自然材料的折射率大多是一個(gè)很小的正值，只有極少的一些半導(dǎo)體和絕緣體會在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段出現(xiàn)高折射率。
[0003]現(xiàn)有的高折射率超材料的折射率峰值較低，響應(yīng)頻域范圍較窄。與此同時(shí)光的偏振方向?qū)ζ湫阅艿挠绊懯置黠@。
[0004]目前，人們對于高折射率材料的研究還處于萌芽階段，在2009年才有相關(guān)理論被提出。根據(jù)麥克斯韋方程可知，材料的折射率是由其(相對)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率決定的。因此如果要增加材料的折射率，首要任務(wù)就是要盡可能的提高ε與μ，特別是對于超材料而言，其(相對)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是依賴于其金屬介電結(jié)構(gòu)的電容和電感。因此對于設(shè)計(jì)高折射率材料而言，首要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)大的電容單元結(jié)構(gòu)。其次還需要抑制抗磁效應(yīng)。高折射率材料理論的設(shè)計(jì)和提出，對成像和光刻的發(fā)展有很深刻的意義。如圖1所示，利用高折射率材料作為200處的填充介質(zhì)，可以增大顯微鏡數(shù)值孔徑(NA=n*sina )，從而大大增加顯微鏡的分辨率。圖中100為物鏡，300為載物臺。
[0005]目前的超高折射率超材料很難同時(shí)具有各向同性、高折射率峰值和寬響應(yīng)頻域的性質(zhì)。當(dāng)入射光的偏振方向改變時(shí)，圖2所示的兩種的超材料均保持了相對穩(wěn)定的折射率曲線，但是蜂窩狀結(jié)構(gòu)的超材料只能在一個(gè)極窄的范圍內(nèi)達(dá)到折射率的峰值，并不能實(shí)現(xiàn)寬帶高折射率，而窗口結(jié)構(gòu)的超材料雖然保持了寬頻域折射率的穩(wěn)定，但是其折射率峰值比蜂窩狀結(jié)構(gòu)超材料的折射率峰值小一倍，即其也無法達(dá)到一個(gè)寬帶高折射率。
[0006]而當(dāng)超材料能夠同時(shí)保持較寬帶的高折射率時(shí)，其又對入射光偏振方向有很大依賴，如圖3所示，超材料的結(jié)構(gòu)為工字型，可以看到，當(dāng)入射光偏振方向轉(zhuǎn)過90度時(shí)，其折射率的峰值和其響應(yīng)頻率都有很大的改變，證明這種二維超材料的高折射率有極大的入射光偏振依賴性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有高折射率材料存在的不足，為了提高折射率的峰值，同時(shí)拓寬其響應(yīng)頻域，并且保持各向同性，提出以下高折射率材料的設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)“寬頻、各向同性的超高折射率的材料”。
[0008]一種超高折射率材料，其主體為超材料,該超材料的結(jié)構(gòu)單元如下,其包括介質(zhì)材料和兩個(gè)工字型金屬材料，兩個(gè)工字型金屬材料是嵌入在介質(zhì)材料中的，兩個(gè)工字型金屬材料垂直對稱設(shè)置，該結(jié)構(gòu)單元在平面上周期性排布，形成單層的二維超材料，三層二維超材料堆置在一起，組成超聞?wù)凵渎食牧稀?br> [0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn),結(jié)構(gòu)單元周期p=60±5微米，厚度H=I±0.05微米。說明:60±5微米代表正負(fù)公差是5微米，以下涉及到類似表達(dá)均表示公差的意思。[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，工字形金屬材料的上下長度相等，為a=59±0.1微米。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，工字形金屬材料的寬度為d=8±0.1微米。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn),金作為金屬材料,金膜厚度wd=100±10納米。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，聚酰亞胺作為介質(zhì)材料。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，兩個(gè)工字型金屬材料分別是嵌入在250± IOnm厚的介質(zhì)材料中。
[0015]一種超高折射率材料的制作方法，具體步驟如下:
[0016]步驟1.在清潔的硅片上旋涂250±10nm厚的聚酰亞胺溶液，將其在180±10°C條件下烘干30±5分鐘，使之成為具有高韌性的基底；
[0017]步驟2.將聚酰亞胺層在惰性氣體中加熱至350± 10°C進(jìn)行熟化，使聚酰胺酸轉(zhuǎn)變成為不溶于水的芳香族的聚酰亞胺；
[0018]步驟3.將已得樣品進(jìn)行清洗，然后旋涂光刻膠，對其進(jìn)行光刻后進(jìn)行后烘，再將其顯影，完成后進(jìn)行硬烘處理獲得第一層工字型圖案；
[0019]步驟4.利用電子束真空蒸鍍的辦法根據(jù)所得圖形鍍上一層100±10納米厚的金膜，洗掉光刻膠后得到第一層工字型結(jié)構(gòu)；
[0020]步驟5.以金膜的底部為基準(zhǔn)，繼續(xù)旋涂250± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，對其重復(fù)1，2步的烘干，熟化操作；
[0021 ] 步驟6.將樣品進(jìn)行清洗后旋涂光刻膠，再次對其進(jìn)行光刻處理，將此次光刻的工字型圖案的中心與第一次光刻的工字型圖案中心對準(zhǔn)，完成后進(jìn)行后烘，再將其顯影，完成后進(jìn)行硬烘處理獲得第二層工字型圖案；
[0022]步驟7.再利用電子束真空蒸鍍的辦法根據(jù)所得圖形鍍上一層100±10nm厚的金
膜，洗掉光刻膠后得到第二層工字型結(jié)構(gòu)；
[0023]步驟8.繼續(xù)旋涂300± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，重復(fù)進(jìn)行1、2步的烘干熟化操作，這樣就完成了二維超材料的制備；
[0024]步驟9.重復(fù)進(jìn)行兩次上述單層二維超材料的制備步驟，即可獲得三層的超材料，最后將該三層超材料從硅基底上剝離，即完成了高性能高折射率材料的制備。
[0025]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟2中在開放式石英管式爐中將聚酰亞胺層在惰性氣體中加熱。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]多頻響應(yīng):該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻率下都體現(xiàn)出高折射率的性質(zhì)，而已有材料只能在一個(gè)頻率下具有高折射率。
[0028]各向同性:該結(jié)構(gòu)在保持了材料寬頻高折射率的同時(shí)，真正的使其擁有了各向同性的性質(zhì)。
[0029]便于應(yīng)用:該材料韌性好，易彎曲，減小了其在實(shí)際使用中的局限性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是高射折率材料作為顯微系統(tǒng)中物鏡及載物臺之間的填充物質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是兩種超材料的折射率的實(shí)部和虛部頻譜圖；
[0032]圖3是兩種偏振方向下工字型超材料的介電常數(shù)，磁導(dǎo)率，折射率頻譜圖；[0033]圖4是本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元的三維示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元的俯視圖；
[0035]圖6x (左)，y (右)方向偏振光下的透射、反射、損耗譜；
[0036]圖7是X方向偏振光下的折射率；
[0037]圖8是y方向偏振光下的折射率；
[0038]圖9是二維超材料不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0040]在該設(shè)計(jì)中，利用具有特殊性能的超材料以實(shí)現(xiàn)高電容耦合及低磁損耗以實(shí)現(xiàn)高折射率。具有特殊光學(xué)性質(zhì)特別是光學(xué)電磁響應(yīng)的超材料一般是由金屬納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，特殊設(shè)計(jì)的超材料能夠在局部提供非常高的電響應(yīng)，同時(shí)通過適當(dāng)設(shè)計(jì)可以降低整個(gè)材料的磁損耗。根據(jù)麥克斯韋方程可知，材料的折射率是由其(相對)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率決定，
? = ,因此當(dāng)介電常數(shù)ε很高和磁導(dǎo)率μ接近于I的時(shí)候就實(shí)現(xiàn)了材料的高折射率。
現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)證實(shí)，在具有特殊性質(zhì)的超材料的介電常數(shù)ε可以達(dá)到5000，而同時(shí)磁導(dǎo)率接近于1，也就是說材料的折射率可以達(dá)到70以上。在本發(fā)明中，再將超材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，提高其對稱性。由于當(dāng)入射光偏振方向改變時(shí)材料中總會有相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對入射光進(jìn)行響應(yīng)，因此該特別設(shè)計(jì)的超材料可以具有各項(xiàng)同性的性質(zhì)，再結(jié)合超材料原有的寬頻高折射率的性質(zhì)，所以本發(fā)明的超高折射率材料，其可以同時(shí)滿足寬頻，高折射率峰值以及各向同性的性能需求。
[0041]具體實(shí)施方案如下:
[0042]高性能超高折射率材料的主體由超材料組成，該超材料的結(jié)構(gòu)單元如圖4所示，其中I是介質(zhì)材料，2和3是工字型金屬材料，他們是嵌入在介質(zhì)材料I中的，其結(jié)構(gòu)垂直對稱。在本發(fā)明中，用金作為金屬材料，因?yàn)榻鸬膿p耗在太赫茲波段較小。把聚酰亞胺(polymide)作為介質(zhì)材料,聚酰亞胺(polymide)是目前綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，這類聚合物具有高絕緣性能，因其在性能和合成方面的突出特點(diǎn)被稱為是"解決問題的能手。
[0043]將該結(jié)構(gòu)單元在平面上進(jìn)行周期性排布，就形成了單層的二維超材料，再將三層二維超材料堆置在一起，就可以獲得該聞性能超聞?wù)凵渎食牧稀?br> [0044]制作該材料的具體步驟如下:
[0045]1.在清潔的硅片上旋涂250±10nm厚的聚酰亞胺溶液(P1-2610, HDMicroSystem)，將其在180± 10°C條件下烘干30±5分鐘，使之成為具有高韌性的基底。
[0046]2.在開放式石英管式爐中將聚酰亞胺層在惰性氣體中加熱至350±10°C進(jìn)行熟化，使聚酰胺酸轉(zhuǎn)變成為不溶于水的芳香族的聚酰亞胺。
[0047]3.將已得樣品進(jìn)行清洗，然后旋涂光刻膠，對其進(jìn)行光刻后進(jìn)行后烘，再將其顯影，完成后進(jìn)行硬烘處理獲得第一層工字型圖案。
[0048]4.利用電子束真空蒸鍍的辦法根據(jù)所得圖形鍍上一層IOOnm厚的金膜。洗掉光刻膠后得到第一層工字型結(jié)構(gòu)。
[0049]5.以金膜的底部為基準(zhǔn)，繼續(xù)旋涂250± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，對其重復(fù)1，2步的烘干，熟化操作。
[0050]6.將樣品進(jìn)行清洗后旋涂光刻膠，再次對其進(jìn)行光刻處理，將此次光刻的工字型圖案的中心與第一次光刻的工字型圖案中心對準(zhǔn)。完成后進(jìn)行后烘，再將其顯影，完成后進(jìn)行硬烘處理獲得第二層工字型圖案。
[0051]7.再利用電子束真空蒸鍍的辦法根據(jù)所得圖形鍍上一層100±10nm厚的金膜。洗
掉光刻膠后得到第二層工字型結(jié)構(gòu)。
[0052]8.繼續(xù)旋涂300± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，重復(fù)進(jìn)行1，2步的烘干熟化操作。這樣就完成了二維超材料的制備。
[0053]9.重復(fù)進(jìn)行兩次上述單層二維超材料的制備步驟，即可獲得三層的超材料，最后將該三層超材料從硅基底上剝離，即完成了高性能高折射率材料的制備。
[0054]設(shè)計(jì)采用的參數(shù)是金膜厚度wd=100±10納米，結(jié)構(gòu)單元周期p=60±5微米，厚度H=1±0.05微米。a=59±0.1微米，d=8±0.1微米。該結(jié)構(gòu)對兩種方向偏振的入射光透射及反射光譜如6。
[0055]該結(jié)構(gòu)的諧振頻率在0.35太赫茲和0.9太赫茲，這也同時(shí)對應(yīng)了材料內(nèi)部兩種結(jié)構(gòu)所分別對應(yīng)的諧振波長。進(jìn)一步的計(jì)算其折射率可以得到兩種偏振光下其折射率圖。
[0056]該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下:
[0057]1.該結(jié)構(gòu)在保持了材料寬頻高折射率的同時(shí)，真正的使其擁有了各向同性的性質(zhì)。
[0058]2.該結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)折射率峰值，并且可以通過調(diào)整該超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振位置進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)根據(jù)需要調(diào)控介質(zhì)材料厚度以對折射率峰值進(jìn)行調(diào)控
[0059]3.該結(jié)構(gòu)具有尺寸小，厚度薄的優(yōu)勢，同時(shí)由于介質(zhì)材料的特殊性質(zhì)，該材料具有韌性好，易彎曲的性質(zhì)。
[0060]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種超高折射率材料，其特征在于:其主體為超材料，該超材料的結(jié)構(gòu)單元如下，其包括介質(zhì)材料和兩個(gè)工字型金屬材料，兩個(gè)工字型金屬材料是嵌入在介質(zhì)材料中的，兩個(gè)工字型金屬材料垂直對稱設(shè)置，該結(jié)構(gòu)單元在平面上周期性排布，形成單層的二維超材料，三層二維超材料堆疊在一起，組成超高折射率超材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高折射率材料，其特征在于:結(jié)構(gòu)單元周期p=60±5微米，厚度H=I ±0.05微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高折射率材料，其特征在于:工字形金屬材料的上下長度相等，為a=59±0.1微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高折射率材料，其特征在于:工字形金屬材料的寬度為d=8±0.1 微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高折射率材料，其特征在于:金作為金屬材料，金膜厚度wd=100± 10 納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高折射率材料，其特征在于:聚酰亞胺作為介質(zhì)材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高折射率材料，其特征在于:兩個(gè)工字型金屬材料分別是嵌入在250± IOnm厚的介質(zhì)材料中。
8.一種超高折射率材料的制作方法，其特征在于，具體步驟如下: 步驟1.在清潔的硅片上旋涂250± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，將其在180±10°C條件下烘干30±5分鐘，使之成為具有高韌性的基底； 步驟2.將聚酰亞胺層在惰性氣體中加熱至350±10°C進(jìn)行熟化，使聚酰胺酸轉(zhuǎn)變成為不溶于水的芳香族的聚酰亞胺； 步驟3.將已得樣品進(jìn)行清洗，然后旋涂光刻膠，對其進(jìn)行光刻后進(jìn)行后烘，再將其顯影，完成后進(jìn)行硬烘處理獲得第一層工字型圖案； 步驟4.利用電子束真空蒸鍍的辦法根據(jù)所得圖形鍍上一層100±10納米厚的金膜，洗掉光刻膠后得到第一層工字型結(jié)構(gòu)； 步驟5.以金膜的底部為基準(zhǔn)，繼續(xù)旋涂250± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，對其重復(fù)1，2步的烘干，熟化操作； 步驟6.將樣品進(jìn)行清洗后旋涂光刻膠，再次對其進(jìn)行光刻處理，將此次光刻的工字型圖案的中心與第一次光刻的工字型圖案中心對準(zhǔn)，完成后進(jìn)行后烘，再將其顯影，完成后進(jìn)行硬烘處理獲得第二層工字型圖案； 步驟7.再利用電子束真空蒸鍍的辦法根據(jù)所得圖形鍍上一層100±10nm厚的金膜，洗掉光刻膠后得到第二層工字型結(jié)構(gòu)； 步驟8.繼續(xù)旋涂300± IOnm厚的聚酰亞胺溶液，重復(fù)進(jìn)行1、2步的烘干熟化操作，這樣就完成了二維超材料的制備； 步驟9.重復(fù)進(jìn)行兩次上述單層二維超材料的制備步驟，即可獲得三層的超材料，最后將該三層超材料從硅基底上剝離，即完成了高性能高折射率材料的制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超高折射率材料的制作方法，其特征在于:步驟2中在開放式石英管式爐中將聚酰亞胺層在惰性氣體中加熱。
【文檔編號】G02B5/00GK103941316SQ201410102833
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】肖淑敏, 劉政顯, 宋清海 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院