一种二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构及其制备方法
阅读说明：本技术 一种二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构及其制备方法 (Silicon dioxide-vanadium dioxide multistage array structure and preparation method thereof ) 是由 梁继然 张珂 樊雅婕 于立泽 于 2020-02-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构及其制备方法,以自组装微米尺寸二氧化硅球为模板,用磁控溅射加快速退火的方式制备二氧化钒薄膜,形成球面上及球缝隙中的二氧化钒阵列结构。本发明制备应用于太赫兹吸收器的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构,使顶层阵列和中间介质层的制备过程相结合,方法较为简单,控制的工艺条件较少,比光刻法成本低廉。(The invention discloses a silicon dioxide-vanadium dioxide multistage array structure and a preparation method thereof. The method for preparing the silicon dioxide-vanadium dioxide multistage array structure applied to the terahertz absorber combines the preparation processes of the top layer array and the middle medium layer, is simpler, has fewer controlled process conditions, and has lower cost than a photoetching method.)
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法，特别涉及一种用于太赫兹吸收器的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法。
背景技术
在电磁波谱中，红外波和毫米波之间的区域即0.1-10Thz的频率范围对应于太赫兹波段。近年来，随着超材料的研究深入和微纳米加工技术的发展，太赫兹超材料吸收器逐渐受到研究者们关注。这种太赫兹功能器件可以广泛应用于工业中质量检测，军事中隐身反侦察技术以及社会生活中的安全检查、环境监测等。
通常，太赫兹超材料吸收器具有三层结构，分别是顶层阵列图形、底部金属全反射层及中间介质层。其中，底部金属全反射层起完全阻隔透射作用；中间介质层作为谐振腔，让太赫兹波在其中多次反射后能量损耗殆尽；而顶层阵列图样为设计的重点，根据干涉相消理论，由于电磁波在空气-顶层结构表面进行反射和透射，透射部分会在吸收器结构内部发生多次反射不断衰减，最终被成功吸收。为了实现太赫兹波的动态吸收，研究者们尝试使用掺杂半导体、液晶和石墨烯等功能材料主动响应太赫兹波；为了实现宽带吸收，研究者们尝试了二维平面上的周期结构叠加，或者三维空间中的多层结构堆叠。但是，为了获得良好的宽带、动态调制性能，这些吸收器的研究都以结构的复杂性为代价，这势必会增加制备工艺的成本。我们知道，半导体-金属相变材料可以作为吸收器结构的顶层和中间层，与底部金属层共同组成超材料，在没有外界激励时，半导体不发生太赫兹辐射响应，加入激励后半导体材料逐渐金属化并发生谐振响应，导致超材料等效结构产生变化。因此主动相变材料使得太赫兹吸收的动态调控成为了可能。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法，解决现有技术中太赫兹吸收器结构复杂，工艺成本高的问题。
本发明的技术方案为：
一种二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)蓝宝石基底的清洗：
将蓝宝石基片依次放入去离子水、无水乙醇以及丙酮中，分别超声清洗；再用去离子水洗净，并放入恒温干燥箱中烘干，以备后用；
(2)周期式SiO2球的制备：
将步骤(1)清洗干净的基片放置于称量瓶底部，在称量瓶中缓慢注入去离子水至容积的一半以上，然后将单分散二氧化硅球和正丁醇配成悬浊液，用滴管逐滴滴加悬浊液于称量瓶液面上，并将称量瓶放置于加热台上加热蒸发，液面上的二氧化硅球迅速团聚成膜，在正丁醇和去离子水蒸干后形成覆盖了二氧化硅球周期阵列的基片；
(3)制备钒薄膜：
将步骤(2)得到的表面覆盖了二氧化硅球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用高纯度金属钒作为靶材，在氩气环境中，设置溅射工作气压，调节溅射功率，设置完参数后开始沉积钒薄膜；
(4)二氧化钒薄膜的制备
将步骤(3)制得的钒薄膜置于快速退火炉中进行快速氧化热退火。
步骤(3)溅射时间10-15min。
步骤(4)快速退火炉通入的气体为高纯氧气，退火过程分为升温、保温、降温三个阶段，设置保温温度；保温时间参数可调，范围在50-60s之间。
上述方法制备得到的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构。
本发明有益效果：
1)制备应用于太赫兹吸收器的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构，使顶层阵列和中间介质层的制备过程相结合，方法较为简单，控制的工艺条件较少，比光刻法成本低廉。
2)多级阵列的制备基于二维自组装方法，该法目前已广泛使用于光子晶体的制备中，工艺成熟且可重复性好。
本发明采用二氧化钒这种主动相变材料，并借助微米尺寸的二氧化硅球，以自组装微米尺寸二氧化硅球为模板，用磁控溅射加快速退火的方式制备二氧化钒薄膜，形成球面上及球缝隙中的二氧化钒阵列结构，该技术方案取代了以往阵列结构制备中的光刻工艺，制备流程简单，节约了成本。
附图说明
图1是二氧化硅-二氧化钒多级结构微纳阵列的制备流程图；(a)排球过程，(b)钒薄膜生长，(c)退火形成二氧化钒，(d)多级阵列示意图；
图2是二氧化硅球形阵列自组装示意图；
图3是三组样品不同退火保温时间的电学性能对比图；(a)溅射15min之后的退火保温50s的结果；(b)溅射15min之后的退火保温55s的结果(c)溅射15min之后的退火保温60s的结果；
图4是多级微纳结构阵列在光学显微镜下的形貌图；(a)放大1000倍下球形阵列的形貌图(b)放大1000倍下球缝隙阵列形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明所用原料均采用市售材料，未进一步提纯。
用于太赫兹吸收器的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)蓝宝石基底的清洗：
基底所用蓝宝石为(001)晶面的双抛光的蓝宝石基片，厚度为0.45mm。依次放入去离子水、无水乙醇以及丙酮中，分别超声清洗20分钟，以除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，并放入恒温干燥箱中烘干，以备后用。
(2)周期式SiO2球的制备：
将步骤(1)清洗干净的基片放置于40×25mm规格的称量瓶底部，在称量瓶中缓慢注入去离子水至容积的一半以上。然后将单分散二氧化硅球和正丁醇配成悬浊液，用滴管逐滴滴加悬浊液于称量瓶液面上，并将称量瓶放置于加热台上加热蒸发，液面上的二氧化硅球迅速团聚成膜，在正丁醇和去离子水蒸干后形成覆盖了二氧化硅球周期阵列的基片。
(3)制备钒薄膜：
将步骤(2)得到的表面覆盖了二氧化硅球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，本底真空度4×10-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率100W，溅射时间15min，设置完参数后开始沉积钒薄膜。
(4)二氧化钒薄膜的制备
将步骤(3)制得的钒薄膜置于快速退火炉中进行快速氧化热退火。退火炉通入的气体为高纯氧气，退火过程分为升温、保温、降温三个阶段，升温和保温时气体流量固定为7slpm，其余阶段气体流量固定为10slpm，保温温度为480℃，升温速率为50℃/s，升温时间为9.6s，保温时间为55s，降温时间为90s。
实施例2
本发明所用原料均采用市售材料，未进一步提纯。
用于太赫兹吸收器的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)蓝宝石基底的清洗：
基底所用蓝宝石为(001)晶面的双抛光的蓝宝石基片，厚度为0.45mm。依次放入去离子水、无水乙醇以及丙酮中，分别超声清洗20分钟，以除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，并放入恒温干燥箱中烘干，以备后用。
(2)周期式SiO2球的制备：
将步骤(1)清洗干净的基片放置于40×25mm规格的称量瓶底部，在称量瓶中缓慢注入去离子水至容积的一半以上。然后将单分散二氧化硅球和正丁醇配成悬浊液，用滴管逐滴滴加悬浊液于称量瓶液面上，并将称量瓶放置于加热台上加热蒸发，液面上的二氧化硅球迅速团聚成膜，在正丁醇和去离子水蒸干后形成覆盖了二氧化硅球周期阵列的基片。
(3)制备钒薄膜：
将步骤(2)得到的表面覆盖了二氧化硅球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，本底真空度4×10-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率100W，溅射时间15min，设置完参数后开始沉积钒薄膜。
(4)二氧化钒薄膜的制备
将步骤(3)制得的钒薄膜置于快速退火炉中进行快速氧化热退火。退火炉通入的气体为高纯氧气，退火过程分为升温、保温、降温三个阶段，升温和保温时气体流量固定为7slpm，其余阶段气体流量固定为10slpm，保温温度为480℃，升温速率为50℃/s，升温时间为9.6s，保温时间为50s，降温时间为90s。
实施例3
本发明所用原料均采用市售材料，未进一步提纯。
用于太赫兹吸收器的二氧化硅—二氧化钒多级阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)蓝宝石基底的清洗：
基底所用蓝宝石为(001)晶面的双抛光的蓝宝石基片，厚度为0.45mm。依次放入去离子水、无水乙醇以及丙酮中，分别超声清洗20分钟，以除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，并放入恒温干燥箱中烘干，以备后用。
(2)周期式SiO2球的制备：
将步骤(1)清洗干净的基片放置于40×25mm规格的称量瓶底部，在称量瓶中缓慢注入去离子水至容积的一半以上。然后将单分散二氧化硅球和正丁醇配成悬浊液，用滴管逐滴滴加悬浊液于称量瓶液面上，并将称量瓶放置于加热台上加热蒸发，液面上的二氧化硅球迅速团聚成膜，在正丁醇和去离子水蒸干后形成覆盖了二氧化硅球周期阵列的基片。
(3)制备钒薄膜：
将步骤(2)得到的表面覆盖了二氧化硅球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，本底真空度4×10-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率100W，溅射时间15min，设置完参数后开始沉积钒薄膜。
(4)二氧化钒薄膜的制备
将步骤(3)制得的钒薄膜置于快速退火炉中进行快速氧化热退火。退火炉通入的气体为高纯氧气，退火过程分为升温、保温、降温三个阶段，升温和保温时气体流量固定为7slpm，其余阶段气体流量固定为10slpm，保温温度为480℃，升温速率为50℃/s，升温时间为9.6s，保温时间为60s，降温时间为90s。
如图3所示，可以看出图3(b)退火保温55s时，二氧化钒相变幅度达到205.35倍，电学性能较好。
本发明并不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。