阅读说明：本技术 一种表面等离激元超材料的制备方法 (Preparation method of surface plasmon metamaterial ) 是由 吴文刚 朱佳 黄允 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种表面等离激元超材料的制备方法,属于纳米光子学以及纳米加工技术领域。本发明采用电镀工艺,通过对旋涂光刻胶厚度的控制,实现对金属-介质-金属的中的中间介质层厚度的控制,而不同的介质层厚度可作为一种光学腔,并耦合表面等离激元,从而可实现不同的光学响应；同时利用金属的欧姆损耗来增强光学吸收,再结合表面等离激元的电磁能量局限效应,可实现光学近完美吸收(吸收率接近100％)以及高品质因子光学腔,本发明工艺方法简单、稳定并且廉价,可实现大面积加工。(The invention provides a preparation method of a surface plasmon metamaterial, and belongs to the technical field of nanophotonics and nano processing. The invention adopts electroplating technology, realizes the control of the thickness of the intermediate medium layer in the metal-medium-metal by controlling the thickness of the spin-coating photoresist, and different medium layer thicknesses can be used as an optical cavity and coupled with surface plasmons, thereby realizing different optical responses; meanwhile, the optical absorption is enhanced by using the ohmic loss of metal, and the near-perfect optical absorption (the absorption rate is close to 100%) and high-quality factor optical cavity can be realized by combining the electromagnetic energy confinement effect of the surface plasmon.)

一种表面等离激元超材料的制备方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学以及纳米加工技术领域，特别是涉及一种表面等离激元超材料的制备方法。

背景技术

表面等离激元主要是基于金属界面或者亚波长尺寸的金属结构中电磁辐射和传导电子的相互作用过程，这种相互作用将导致亚波长尺寸的光学近场增强和光学非线性效应。将这种亚波长结构按照一定的规律排布成阵列，可具有自然界材料所没有的特殊电磁性质，即表面等离激元超材料。超材料的特殊电磁性质主要取决于亚波长单元结构的形状、尺寸、方向和排布方式等等。随着微米、纳米加工技术的不断发展，人们可以利用深紫外光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等技术，制造各种几何形状的金属纳米结构。如制备出的纳米光栅、纳米孔、以及金属-介质层-金属多层结构可以有效的激发表面等离激元并实现对电磁波的频率、极化和相位等参量的调控。其中金属-介质层-金属多层结构是目前应用最广泛的表面等离激元超材料结构之一，这种结构在不同材料的界面都可以支持束缚的表面等离激元，当相邻界面之间的距离接近机或者小于界面所激发等离激元的衰减长度时，在不同界面上的表面等离激元之间会产生耦合作用。而在金属-介质层-金属或者介质-金属层-介质等多层结构中，金属层所产生的表面等离激元能够在两侧的介质层中形成振荡模式。类似于光学腔，这种结构能将光场能量高效地局域在介质层中，从而在光学吸收体，光学生化检测方面有巨大的应用前景。

虽然多层结构的光学微腔结构展现出诸多优越的性能，但也对目前微纳加工方法提出了巨大挑战，尚缺乏简便、规范、系统、成熟的加工工艺。目前所用工艺方法通常比较昂贵、成品率低、无法实现大面积加工以及可加工结构种类少等。因此，开发一种灵活的、可控性强、稳定的金属-介质层-金属或者介质-金属层-介质光学微腔结构加工手段，对于新型纳米光学腔结构设计、加工以及实现纳米光学的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述应用需求以及现有技术的不足，提出一种腔耦合共振表面等离激元超材料加工方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

一种表面等离激元超材料的制备方法，其步骤包括：

(1)衬底材料准备；

(2)所述衬底上物理气相沉积或化学气相沉积导电薄膜，厚度范围为5-20纳米之间，作为电镀种子层；

(3)光刻图形：旋涂光刻胶，并通过曝光和显影制备空气介质层图形；

(4)进行电镀，采用方波脉冲法电镀，电压为1V--100V、占空比为10％--90％、电流为0.001A—1A,填充上述光刻图形；接着再继续电镀，同样采用方波脉冲法电镀，电压为1V--100V、占空比为10％--90％、电流为0.001A—1A，以填充后的光刻图形为种子层横向生长金属薄膜，形成大面积金属薄膜，金属薄膜厚度为100纳米--10微米；

(5)浸泡于可溶解光刻胶的溶液中，去除残余光刻胶；形成金属-空气介质层-金属结构的腔耦合共振表面等离激元超材料。

上述步骤中，步骤(1)所述衬底材料可以是玻璃、石英等透明材料。

上述步骤中，步骤(2)所述的导电薄膜可以是氧化铟锡以及金属薄膜，其中若采用金、银、铜，需要添加钛、铬薄膜作为粘合层。

上述步骤中，步骤(3)所述的光刻方法是电子束曝光或深紫外光刻技术，光刻的图形可以是圆形，方形，十字型等对称结构，或椭圆，三角等非对称结构，其关键尺寸在100纳米到1微米之间。

上述步骤(3)中，光刻胶的厚度为10纳米-1微米。

本发明具有如下的技术优势：

(1)采用电镀工艺，工艺方法简单、稳定并且廉价，可实现大面积加工；

(2)通过对旋涂光刻胶厚度的控制，实现对中间介质层厚度的控制，而不同的介质层厚度可实现不同的光学响应；

(3)金属-空气介质层-金属的多层结构设计，利用金属的欧姆损耗来增强光学吸收，再结合表面等离激元的电磁能量局限效应，可实现光学近完美吸收(吸收率接近100％)以及高品质因子光学腔，这将在光学器件以及生化传感方面有巨大的应用潜力。

(4)本发明所设计的介质层为开放式的空气介质层，可向内填充不同的物质，从而可应用与生化传感。

附图说明

图1是本发明表面等离激元超材料制备方法的流程示意图，其中1—金属薄膜、2—衬底、3--光刻胶、4--电镀的金膜、5--空气介质层；

图2是实施例1中制备的表面等离激元超材料在不同电镀时间情况下的电子显微镜照片，其中(a)所示电镀时间为10分钟，(b)所示电镀时间为15分钟；

图3是本发明制备的表面等离激元超材料光学显微镜照片；

图4是本发明制备的表面等离激元超材料电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

实施例1：

(1)衬底材料采用玻璃；

(2)在玻璃衬底上用电子束蒸发镀膜沉积金属薄膜为：3纳米钛和5纳米金；

(3)在金属薄膜上利用电子束光刻进行光刻形成图形化，具体而言：先旋120纳米厚度涂光刻胶PMMA，并通过曝光和显影以制备预定图形；

(4)电镀填充光刻图形：采用方波脉冲法电镀，电压为10V、占空比为20％、电流为0.001A、时间为10分钟；

(5)电镀生长金薄膜：采用方波脉冲法电镀，电压为10V、占空比为80％、电流为0.01A、时间为5分钟；

(6)将衬底浸泡于丙酮溶液中，去除残余光刻胶；形成金属-空气介质层-金属结构的腔耦合共振表面等离激元超材料。

实施例2：

(1)衬底材料采用玻璃；

(2)在玻璃衬底上用电子束蒸发镀膜沉积金属薄膜为：3纳米铬和5纳米银；

(3)在金属薄膜上利用电子束光刻进行光刻形成图形化，具体而言：先旋120纳米厚度涂光刻胶PMMA，并通过曝光和显影以制备预定图形；

(4)电镀填充光刻图形：采用方波脉冲法电镀，电压为20V、占空比为50％、电流为0.001A、时间为5分钟；

(5)电镀生长金薄膜：采用方波脉冲法电镀，电压为20V、占空比为50％、电流为0.001A、时间为10分钟；

(6)将衬底浸泡于丙酮溶液中，去除残余光刻胶；形成金属-空气介质层-金属结构的腔耦合共振表面等离激元超材料。

实施例3：

(1)衬底材料采用玻璃；

(2)在玻璃衬底上用蒸发镀膜沉积氧化铟锡薄膜，厚度为5-20纳米之间；

(3)利用紫外光刻机进行光刻形成图形化，具体而言：先旋涂150纳米紫外光刻胶，并通过曝光和显影以制备预定图形；

(4)电镀填充光刻图形：采用方波脉冲法电镀，电压为10V、占空比为20％、电流为0.01A、时间为15分钟；

(5)电镀生长金薄膜：电压为80V、占空比为20％、电流为0.01A、时间为45分钟；

(6)衬底浸泡于丙酮溶液中，去除残余光刻胶；形成金属-空气介质层-金属结构的腔耦合共振表面等离激元超材料。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。