專利名稱：一種基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于相變材料(GST)的可調(diào)諧負(fù)折射率器件，可應(yīng)用于微波工程、電磁隱身、醫(yī)學(xué)成像和負(fù)折射率透鏡等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
左手材料的奇異電磁特性可以突破傳統(tǒng)介質(zhì)的物理極限，實(shí)現(xiàn)諸多新穎功能，例如，突破現(xiàn)有透鏡的波長(zhǎng)極限，實(shí)現(xiàn)具有亞波長(zhǎng)成像特點(diǎn)的“完美透鏡”;還可有效引導(dǎo)電磁波的傳播路徑，實(shí)現(xiàn)真正的電磁隱身，同時(shí)也面臨著新的挑戰(zhàn)，比如，左手超材料具有周期性結(jié)構(gòu)，因此其負(fù)折射率的工作頻段過窄，為了解決這些問題，人們做了很多嘗試，由此形成了電磁學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)可調(diào)諧左手超材料。1996年，Pendry提出通過金屬線陣列實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)，用開口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。2000年，Smith等人將這二者結(jié)合，制造出具有負(fù)折射特性的左手材料，并與2003年被Science評(píng)為十大科學(xué)進(jìn)展之一。利用左手材料實(shí)現(xiàn)新型高指向性天線、可調(diào)天線罩、微波濾波器、陷波器、耦合器等微波器件的設(shè)想與研究已有很多報(bào)道，成為最前沿的科技領(lǐng)域之一。而具有頻率可調(diào)諧性的左手超材料更是得到了人們的廣泛關(guān)注。Shadrivov和Chen等人分別提出在開環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中外加變?nèi)荻O管來調(diào)節(jié)其頻率特。Degiron等人設(shè)想在開環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中引入電導(dǎo)率可調(diào)的半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)可調(diào)左手材料。Zhao等人將開環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)浸在液晶之中，通過外加電場(chǎng)調(diào)節(jié)液晶的介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的頻率可調(diào)諧性。上述可調(diào)諧左手超材料，需要引入外加可調(diào)器件，將會(huì)增加超材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。而液晶又具有流動(dòng)性與腐蝕性，會(huì)給左手材料的實(shí)際應(yīng)用帶來很大的難度。如可直接調(diào)節(jié)左手超材料的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，將有效簡(jiǎn)化可調(diào)諧左手超材料的實(shí)現(xiàn)難度，大大推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。因此，本發(fā)明提供一種基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料。通過在金屬層-相變材料層-金屬層-氧化層基板上，制備具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其具有可調(diào)諧負(fù)折射率，從而解決左手超材料工作頻段窄的技術(shù)問題。本發(fā)明利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場(chǎng)或溫度改變而變化的特性，實(shí)現(xiàn)左手超材料工作頻率的可調(diào)諧，最大調(diào)節(jié)幅度可達(dá)43%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述可調(diào)諧左手超材料的問題，提供了一種基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料，該器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、工作頻率調(diào)諧范圍大等特點(diǎn)。本發(fā)明解決問題采用的技術(shù)方案如下基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料是基于多層結(jié)構(gòu)的器件。其上具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其具有負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率，通過改變相變材料的介電常數(shù)，使負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率的工作頻率發(fā)生位移，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧左手超材料。所述的多層結(jié)構(gòu)是通過在玻璃襯底上生長(zhǎng)金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米。金屬層包括 Al、Ag、Au、Cu、Ni。相變材料層包括 GeTe，Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4,Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85, Ag5In6Sb59Te300 氧化層包括 In2O3' Sn02、ITO0 所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。周期性孔矩陣可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，如電子束曝光(E-beam lithography)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beam lithography)和反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE)等,其特點(diǎn)是底部平坦,空壁光滑,側(cè)面形狀不限。所述的多層結(jié)構(gòu)可以通過材料生長(zhǎng)工藝實(shí)現(xiàn)，如電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長(zhǎng)，和分子束外延技術(shù)所述的基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料可以通過控制外加電場(chǎng)或溫度，改變相變材料介電系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧負(fù)折射率。所述的基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料可以通過控制外加電場(chǎng)或溫度，改變相變材料介電系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧負(fù)磁導(dǎo)率。本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀完成，通過傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀對(duì)所述器件的傳輸光譜和反射光譜的幅度和相位分別進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而得到器件的折射率和磁導(dǎo)率。


圖I為可調(diào)諧左手超材料示意圖。圖2為可調(diào)諧左手超材料制作流程示意圖一。圖3為可調(diào)諧左手超材料制作流程示意圖二。圖4為可調(diào)諧左手超材料測(cè)試結(jié)果圖。圖5為可調(diào)諧左手超材料的各種形狀示意圖。圖中I玻璃襯底，2多層結(jié)構(gòu)，3金屬層，4相變材料層，5氧化層，6掩膜，7周期性孔矩陣，8可調(diào)諧左手超材料，9基于多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧左手超材料，
具體實(shí)施例方式為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。其中的材料生長(zhǎng)技術(shù)包括電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長(zhǎng)，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。實(shí)施例I首先，利用材料生長(zhǎng)工藝在玻璃襯底I上形成N(N>=1)層多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-相變材料層4-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖2 (a)所示。其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖2(b)所示。然后，通過掩模工藝將設(shè)計(jì)好的周期孔矩陣樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖2(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性孔矩陣7，如附圖2(d)所示最后，移除掩模6，得到可調(diào)諧左手超材料8，如附圖2(e)所示。其中基于多層結(jié)構(gòu)的左手超材料9，如附圖2 (f)所示。實(shí)施例2首先，利用材料生長(zhǎng)工藝在玻璃襯底I上形成N(N>=1)層多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-相變材料層4-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖3 (a)所示。其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖3(b)所示。然后，通過掩模工藝將設(shè)計(jì)好的周期孔矩陣樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖3(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性孔矩陣7，如附圖3(d)所示最后，移除掩模6，在孔矩陣7內(nèi)注入相變材料4封孔，得到可調(diào)諧左手超材料8，如附圖3(e)所示。其中基于多層結(jié)構(gòu)的左手超材料9，如附圖3(f)所示。本發(fā)明測(cè)試系統(tǒng)主要由傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀構(gòu)成?？梢酝ㄟ^控制外加電場(chǎng)或溫度，改變相變材料介電系數(shù)，進(jìn)而調(diào)諧所述左手超材料的負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率的工作頻率。所述器件的測(cè)試結(jié)果如附圖4所示，器件的負(fù)折射率工作頻率最大調(diào)諧范圍可達(dá)43%。綜上所述，本發(fā)明提供的基于相變材料的左手超材料可以通過溫度和外加電場(chǎng)對(duì)其負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率的工作頻率進(jìn)行調(diào)諧，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)。以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。權(quán)利要求
1.一種基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料，其特征在于，該左手超材料是基于多層結(jié)構(gòu)的周期孔陣列；所述的多層結(jié)構(gòu)是通過在玻璃襯底上生長(zhǎng)金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米；所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)諧左手超材料，其特征在于，金屬層是Al、Ag、Au、Cu、Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)諧左手超材料，其特征在于，相變材料層是GeTe，Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85, Ag5In6Sb59Te30。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的左手超材料，其特征在于，氧化層是ln203、SnO2,ITO0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)諧左手超材料，其特征在于，多層結(jié)構(gòu)通過材料生長(zhǎng)工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀。氣相外延生長(zhǎng)、分子束外延。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)諧左手超材料，其特征在于，周期性孔矩陣通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光、反應(yīng)離子束刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于相變材料的可調(diào)諧左手超材料。通過在基于多層結(jié)構(gòu)的左手超材料中引入相變材料，使其負(fù)折射率的工作頻帶具有可調(diào)諧性，從而解決左手超材料工作頻段窄的技術(shù)問題。本發(fā)明利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場(chǎng)或溫度改變而變化的特性，實(shí)現(xiàn)左手超材料工作頻率的可調(diào)諧功能，最大調(diào)節(jié)幅度可達(dá)43％。
文檔編號(hào)H01Q15/02GK102751586SQ20121023803
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者曹暾 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)