一种电磁超表面、其制备方法及纳米宽带陷波滤波器
阅读说明：本技术 一种电磁超表面、其制备方法及纳米宽带陷波滤波器 (Electromagnetic super-surface, preparation method thereof and nano broadband notch filter ) 是由 黄姗 童志崇 俞挺 邹成武 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电磁超表面领域,尤其涉及一种电磁超表面、其制备方法及纳米宽带陷波滤波器。其中,电磁超表面包括第一金属层、第二金属层和介质层,所述第一金属层包括多个阵列排布的第一纳米单元结构,所述第二金属层包括多个阵列排布的第二纳米单元结构,至少部分所述介质层位于所述第一金属层和第二金属层之间。本发明所提出的电磁超表面结合传统光学的透射途径和表面等离激元滤波特性,可以实现宽带滤波的效果。(The invention relates to the field of electromagnetic super surfaces, in particular to an electromagnetic super surface, a preparation method thereof and a nano broadband notch filter. The electromagnetic super-surface comprises a first metal layer, a second metal layer and a dielectric layer, wherein the first metal layer comprises a plurality of first nano unit structures arranged in an array, the second metal layer comprises a plurality of second nano unit structures arranged in an array, and at least part of the dielectric layer is positioned between the first metal layer and the second metal layer. The electromagnetic super-surface provided by the invention can realize the effect of broadband filtering by combining the transmission path of the traditional optics and the surface plasmon filtering characteristic.)
技术领域
本发明涉及电磁超表面领域，尤其涉及一种电磁超表面、其制备方法及纳米宽带陷波滤波器。
背景技术
表面等离激元(plasmonics)是一种束缚在金属/介质界面的电磁振动模式，其特点是电场沿垂直界面方向指数衰减，沿金属/介质界面则有较长的传播长度。表面等离激元独特的物理特性使其可以在微米乃至纳米尺度内对光进行操控，突破了传统光学的衍射极限。因此，基于表面等离激元的光学功能器件在小型化光学器件上具有广阔的前景。
目前基于表面等离激元的滤波器的主要原理是利用入射光与金属结构耦合激发表面等离激元共振模式，来实现特定频率的吸收或超透射。近年来，研究者提出和开发了各种不同表面等离激元滤波体系，基于表面等离激元bloch波的周期性金属纳米孔阵列，可以通过改变周期来调制滤波频率；基于法布里佩罗共振的多层纳米薄膜，可以通过改变厚度来调制滤波频率和滤波品质。
电磁超表面(Electromagnetic metasurface)，又称超表面，指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。近年来，研究者设计超表面结构，利用金属结构内多阶局域表面等离激元共振模式，可以实现多频带通滤波。其中，金属-介质-金属三层结构的超表面，利用在上下两层金属结构之间电磁场共振的欧姆损耗消耗对应频率光场能量，实现入射光的近完全吸收，得到了品质较好的陷波滤波性能。
基于超表面结构的滤波器具有小型化，波长阻断性好，频带调控灵活等优势。但由于表面等离激元共振模式只有在满足特定频率匹配条件时才会被激发，单纯的基于表面等离激元共振的滤波器具有工作频带窄的特点，不利于实现宽带滤波性能。现有技术中所公开的表面等离激元陷波滤波器，虽然利用介质腔共振的波长选择性实现表面等离激元滤波，带其阻带宽度(半宽)仅为30-58nm。如何构建基于超表面的宽带滤波器仍是当前国内外研究者所面临的科学和技术瓶颈。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种电磁超表面、其制备方法及纳米宽带陷波滤波器，旨在解决现有技术中的问题。
本发明的第一方面提出了一种电磁超表面，包括第一金属层、第二金属层和介质层，所述第一金属层包括多个阵列排布的第一纳米单元结构，所述第二金属层包括多个阵列排布的第二纳米单元结构，至少部分所述介质层位于所述第一金属层和第二金属层之间。本发明所提出的电磁超表面结合传统光学的透射途径和表面等离激元滤波特性，上下两层表面的等离激元共振金属结构阵列所形成的的共振腔内震荡，通过欧姆损耗消耗光场能量，最终实现透射几乎为零的滤波，可以实现宽带滤波的效果。
可选地，所述第一纳米单元结构和所述第二纳米单元结构的至少一个截面为正方形，所述正方形的边长为50-200nm。单元结构为非异形结构便于实现。
可选地，所述第一纳米单元结构和所述第二纳米单元结构的厚度为50-100nm。通过在第一和第二金属层上设置纳米级的单元结构可以有效提升滤波精度。
可选地，所述第一金属层和所述第二金属层的材料选自金或银的至少一种。
本发明的第二方面提出了一种电磁超表面的制备方法，包括：制备第一金属层，所述第一金属层包括多个阵列排布的第一纳米单元结构；在所述第一金属层上制备介质层；在所述介质层上制备第二金属层，所述第二金属层包括多个阵列排布的第二纳米单元结构。制备方法简单，便于工业应用。
可选地，所述制备第一金属层，所述第一金属层包括多个阵列排布的第一纳米单元结构，包括：提供第一衬底；在所述第一衬底上形成第一聚合物材料层；图案化所述第一聚合物材料层，以得第一图案，所述第一图案之间具有第一纳米间隙；在所述第一图案和所述第一纳米间隙上形成第一金属材料层；去除所述第一图案和位于所述第一图案上的第一金属材料层，得到第一金属层。工艺及技术成熟，易于实现。
可选地，所述在所述介质层上制备第二金属层，所述第二金属层包括多个阵列排布的第二纳米单元结构，包括：在所述介质层上形成第二聚合物材料层；图案化所述第二聚合物材料层，以得第二图案，所述第二图案之间具有第二纳米间隙；在所述第二图案和所述第二纳米间隙上形成第二金属材料层；去除所述第二图案和位于所述第二图案上的第二金属材料层得到第二金属层。工艺及技术成熟，易于实现。
可选地，所述第一纳米单元结构和所述第二纳米单元结构的至少一个截面为正方形，所述正方形的边长为50-200nm。
可选地，所述第一纳米单元结构和所述第二纳米单元结构的厚度为50-100nm。
本发明的第三方面提出了一种纳米宽带陷波滤波器，包括电磁超表面，所述电磁超表面如本发明中第一方面中所述。本发明所提出的纳米宽带陷波滤波器结合传统光学的透射途径和表面等离激元滤波特性。在短波段利用光的穿透效应，使光直接透射。在长波波段，光的衍射效应更强，可以以衍射的方式从纳米单元结构的空隙穿透。在陷波波段，光耦合激发表面等离激元共振模式后，上下两层表面等离激元共振纳米单元结构阵列所形成的的共振腔内震荡，通过欧姆损耗消耗光场能量，最终实现透射几乎为零的滤波。
附图说明
图1为本发明电磁超表面一个实施例的示意图；
图2为本发明电磁超表面另外一个实施例的示意图；
图3为本发明第一金属层或第二金属层实施例的电子显微镜照片；
图4为本发明电磁超表面的制备方法实施例的流程图；
图5为本发明制备第一金属层实施例的示意图；
图6为本发明制备第二金属层实施例的示意图；
图7为本发明表面等离激元经过纳米宽带陷波滤波器后实施例的强度透射谱。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
现有方案的问题：在现有技术中基于超表面结构的滤波器具有小型化，波长阻断性好，频带调控灵活等优势。但由于表面等离激元共振模式只有在满足特定频率匹配条件时才会被激发，单纯的基于表面等离激元共振的滤波器具有工作频带窄的特点，不利于实现宽带滤波性能。
基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。
本申请方案详细阐述了一种电磁超表面，包括第一金属层1、介质层2和第二金属层3。所述第一金属层1包括多个阵列排布的第一纳米单元结构101，所述第二金属层3包括多个阵列排布的第二纳米单元结构301。所述第一金属层1和所述第二金属层3的材料均为金。在另外一个实施例中，所述第一金属层1和所述第二金属层3的材料均为银，在其他的一些实施例中，所述第一金属层1和所述第二金属层3的材料也可以是金和银的组合。采用金或银作为第一金属层1和第二金属层3的材料可以有效提升陷波滤波的精度。其中，所述介质层2的材料为二氧化硅。在另外的一个实施例中，所述质层也可以是三氧化二铝。在其他的一些实施例中，所述介质层2的材料也可以选自其他透明材料，在此不再一一列举。
请参照图1，一个实施例中，所述介质层2的一部分位于所述第一金属层1和第二金属层3之间，即组成所述第一金属层1的第一纳米单元结构101均嵌入式设置于所述介质层2的一侧，组成所述第二金属层3的第二纳米单元结构301均嵌入式设置于所述介质层2的另一侧。
请参照图2，在另外一个实施例中，所述介质层2位于所述第一金属层1和第二金属层3之间，即组成所述第一金属层1的第一纳米单元结构101均位于所述介质层2的一侧表面，组成所述第二金属层3的第二纳米单元结构301均位于所述介质层2的另一侧表面。
请参照图3，所述第一纳米单元结构101和所述第二纳米单元结构301的至少一个截面呈正方形，且所述正方形的边长为50-200nm。在另外一个实施例中，第一纳米单元结构101和所述第二纳米单元结构301的至少一个截面为长方形。所述第一纳米单元结构101和所述第二纳米单元结构301的厚度为50-100nm。其中，所述第一纳米单元结构101和所述第二纳米单元结构301以正方形阵列周期性排列，更进一步地，所述正方形阵列的排列周期为100-400nm。在另外的一个实施例中，所述第一纳米单元结构101和所述第二纳米单元结构301还以长方形阵列周期性排列。
请参照图4，本申请方案详细阐述了电磁超表面的制备方法，包括：
S1，制备第一金属层1，所述第一金属层1包括多个阵列排布的第一纳米单元结构101，请参照图5，具体包括：
提供第一衬底4。
其中，所述第一衬底4至少具有一个平整表面，所述第一衬底4的材质可以包括但不限于二氧化硅。
在所述第一衬底4的平整表面上形成第一聚合物材料层5。
其中，所述第一聚合物材料层5的材料可以是PMMA胶或光刻胶，所述光刻胶可以是负性光刻胶也可以是正性光刻胶。在制备过程中，可以将所述PMMA胶或所述光刻胶通过旋转涂覆的方式形成在所述平整表面上，所述PMMA胶或所述光刻胶涂覆的厚度可以根据实际的需要进行选择，在此就不进行限定。
图案化所述第一聚合物材料层5，以得多个第一图案501，相邻两个所述第一图案501之间具有第一纳米间隙502。
所述图案化所述第一聚合物材料层5可以采用包括但不限于：电子束光刻技术、纳米压印技术、干涉光刻技术、相分离技术、自组装技术等。
在一个实施例中，图案化所述第一聚合物材料层5具体包括：提供第一掩膜板，所述第一掩膜板具有多个通孔。提供第一发光器件，所述第一发光器件可以是具有可以发射UV光的各种光源，所述UV光穿过第一掩膜板的通孔而照射在第一聚合物材料层5上。UV光照射至第一聚合物材料层5之后，还可以进行曝后烤制造工艺，提高第一聚合物材料层5曝光的部分与未曝光的部分的物性差异，进一步提升后续显影制造工艺的良率。之后再进行显影制造工艺。在一个实施例中，若第一聚合物材料层5的材料为正型光刻胶，第一聚合物材料层5被UV光照射到的部分会产生裂解反应，变成交联度较低的部分。在进行显影制造工艺以后，未被UV光照到的部分会留下来，而被UV光照到的部份则会被洗去。在其他的一些实施例中，还可以以负型光刻胶作为第一聚合物材料层5，第一聚合物材料层5被UV光照射到的部分会产生交联反应，变成交联度较高的部分。在进行显影制造工艺以后，交联度较高的部分会留下来，交联度较低的部分则会被洗去。
在所述第一图案501和所述第一纳米间隙502上形成第一金属材料层。
其中，可以通过薄膜沉积技术在所述第一图案501和所述第一纳米间隙502上沉积一层纳米级厚度的金属薄膜，进而形成所述第一金属材料层，其中所述薄膜沉积技术可以是包括但不限于电子束蒸发沉积技术、旋转涂覆技术、离子溅射薄膜沉积技术、原子层薄膜沉积技术和自组装技术等。
去除所述第一图案501和位于所述第一图案501上的第一金属材料层，得到第一金属层1。
其中，可以通过蚀刻技术将所述第一图案501和位于所述第一图案501上的第一金属材料层进行去除。在一些实施例中可以采用多种配方的蚀刻液进行蚀刻，此处不做具体限定；再利用丙酮或氧气等离子体去除第一聚合物材料层5的残余部分，最终得到由第一纳米单元结构101阵列组成的第一金属层1。
S2，在所述第一金属层1上制备介质层2。
一个实施例中，可以利用包括但不限于薄膜沉积技术在第一金属层1上沉积一层纳米级厚度的透明介质层2，所述介质层2的材料为二氧化硅。在另外的一个实施例中，所述介质层2也可以是三氧化二铝。在其他的一些实施例中，所述介质层2的材料也可以选自其他透明材料，在此不再一一列举。
S3，在所述介质层2上制备第二金属层3，所述第二金属层3包括多个阵列排布的第二纳米单元结构301，请参照图6，具体包括：
在所述介质层2上形成第二聚合物材料层6。
图案化所述第二聚合物材料层6，以得第二图案601，所述第二图案601之间具有第二纳米间隙602。
在所述第二图案601和所述第二纳米间隙602上形成第二金属材料层。
去除所述第二图案601和位于所述第二图案601上的第二金属材料层得到第二金属层3。
其中，第二聚合物材料层6的具体材料、其图案化的工艺和第二金属层3的制备，具体可以参考步骤S1中对于第一聚合物材料层5的处理方式。
在一个实施例中，在上述电磁超表面制备完成之后还可以执行第一衬底4的剥离步骤。在另外的一个实施例中，所述第一衬底4可以不执行剥离步骤，可以通过直接在所述超表面上制作其他结构，进而形成例如纳米宽带陷波滤波器等元件。
需要进行说明的是，在电磁超表面的制备方法的相关实施例中未提及的关于电磁超表面的其他结构特征、有益效果及功能，具体可以参见前述电磁超表面的相关实施例，在此不再赘述。
本申请方案详细阐述了一种纳米宽带陷波滤波器，包括电磁超表面，所述电磁超表面及其制备过程具体可以参见前述电磁超表面的相关说明，此处为行文简洁不再累述。请参见图7，图7是数值模拟的表面等离激元经过滤波器后的强度(电场平方)透射谱，横坐标是入射的真空波长。在563nm到664nm的波段内，透射率小于0.01，即实现了宽带陷波滤波。其阻带宽度(半宽)为150nm。此外，在实际的应用过程中，还可以通过调制第一纳米单元结构101和/或第二纳米单元结构301的尺寸进而实现对其他波段进行滤波，此处就不一一进行列举。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。