一种图案化SiC微细结构及其应用
阅读说明：本技术 一种图案化SiC微细结构及其应用 (Patterned SiC fine structure and application thereof ) 是由 王维 刘婉莎 谢春晓 杨为佑 孙振忠 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种图案化SiC微细结构及其应用。该图案化SiC微细结构为在6H-SiC晶片基板上的图案化金膜上生长的SiC纳米针阵列,纳米针垂直于金膜的表面,具有渐缩的竹节状几何形状以及尖锐的尖端。纳米针长为0.1-100μm,根部直径约为180nm,尖端直径约为10nm。该图案化SiC微细结构作为太赫兹吸波材料。本发明的图案化SiC微细结构太赫兹吸波材料具有增强的吸波性能,且对入射角度不敏感。(The invention relates to a patterned SiC microstructure and application thereof. The patterned SiC microstructure is a SiC nanoneedle array grown on a patterned gold film on a 6H-SiC wafer substrate, and nanoneedles are vertical to the surface of the gold film and have a tapered bamboo-like geometric shape and a sharp tip. The nanoneedle has a length of 0.1-100 μm, a root diameter of about 180nm, and a tip diameter of about 10 nm. The patterned SiC fine structure is used as a terahertz wave-absorbing material. The patterned terahertz wave-absorbing material with the SiC fine structure has enhanced wave-absorbing performance and is insensitive to an incident angle.)
技术领域
本发明涉及一种SiC太赫兹吸波材料及其应用，尤其涉及一种图案化SiC微细结构及其应用。
背景技术
太赫兹技术在无损检测、安全、通信、感应方面有着快速的发展和应用。该应用不仅需要高有效的太赫兹源和高度敏感性的滤波检测器，也需要高吸收效率、尺寸较小的宽带太赫兹吸波材料。近年来，超材料吸波器作为一种人工结构，具有高吸收效率、亚波长尺度的厚度和可调节的电磁共振响应等优点，成为研究的热点。目前，大多数超材料吸波器普遍采用金属-介质-金属的微结构阵列，虽然具有“完美吸收”，但是吸收带宽普遍较窄，大大限制了其吸波应用。
为了实现宽带吸波超材料器件，一种方法是在平面内中引入多个谐振单元，从而实现多个共振峰。然而平面内可以集成的谐振单元的数量有限，因此这种方法往往并不能显著拓展工作带宽。另一种方法是尺寸渐变的多个谐振单元垂直地叠加成金字塔形、台阶形或圆锥形的金属-介质多层膜堆叠结构，从而突破集成的谐振单元的数量，实现拓展工作带宽。然而，这类材料由于需要的膜结构多、结构复杂，显著增大了实际制备的难度。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供了一种具有制备简单特性和宽带太赫兹吸波性能的图案化SiC微细结构。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种图案化SiC微细结构，是在6H-SiC晶片基板上的图案化金膜表面垂直生长的SiC纳米针阵列。SiC纳米针阵列中的纳米针长0.1-100μm，根部直径约为200nm，尖端的直径约为10nm。
本发明SiC微细结构的SiC纳米针，具有渐缩的竹节状几何形状以及尖端，在形貌上与纳米带、纳米线等有明显差别。在这些形貌中，渐缩的类似竹节状或竹子形状的纳米针结构更有利于提高太赫兹波吸波性能。
在上述的SiC微细结构中，图案化金膜为n n周期排列的几何图案，几何图案与遮罩镂空部分一致。
在上述的SiC微细结构中，纳米针的相成分为3C-SiC。
在上述的SiC微细结构中，纳米针为单晶结构。
图案化SiC微细结构的制备方法包括以下步骤：：(1)将6H-SiC晶片基板在真空中用遮罩沉积得到50-200nm厚的图案化Au膜，Au膜用作生长SiC纳线阵列的催化剂；(2)将覆盖有金膜的SiC晶片放在聚脲硅氮烷粉末上并置于真空炉中，在10-4Pa量级的真空下，以20-40℃/min的速率将炉加热至1400℃-1500℃进行热解，然后随炉冷却至环境温度，得到图案化SiC微细结构。
在上述的SiC微细结构中，聚脲硅氮烷粉末还可以是其他包含Si和C元素的有机前躯体，以聚脲硅氮烷为最优选。
发明的另一个目的在于提供一种图案化SiC微细结构的应用，该图案化SiC微细结构作为太赫兹吸波材料。
在上述的一种图案化SiC微细结构的应用中，在图案化金膜与6H-SiC晶片基板构成的多谐振单元太赫兹吸波单元，其上的图案化SiC微细结构能有效展宽太赫兹波吸波的工作带宽，且对入射角度不敏感。
与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：
1、本发明实现了图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的制备。
2、本发明所制备的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料能有效展宽简单的多谐振单元太赫兹吸波单元的工作带宽，同时制备方法简单便利。
3、本发明所制备的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料对太赫兹波入射角度不敏感。
附图说明
图1是本发明的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的低倍扫描电镜(SEM)俯视图；
图2是本发明的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的单元结构立体示意图；
图3是本发明的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的纳米针的高倍电镜图；其中(A)为单个SiC纳米针的典型TEM图像，(B)为(A)中A区域TEM图像，显示SiC纳米针为渐缩的竹节状结构，(C)为SiC纳米针尖端的典型TEM图像，(D)为SiC纳米针阵列的典型SEM图像；
图4是本发明在正入射情况下不同结构的太赫兹波吸收谱图；实线表示整个结构的实测太赫兹吸收谱图，虚线表示没有SiC纳米针的结构的仿真太赫兹波吸收谱图；
图5是本发明TE偏振斜入射的太赫兹源入射角变化对太赫兹波实测吸收谱图；
图6是本发明TM偏振斜入射的太赫兹源入射角变化对太赫兹波实测吸收谱图；
图中：1、SiC纳米针阵列，2、图案化金膜，3、6H-SiC晶片基板。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1，
本实施例提供图案化SiC微细结构，所述SiC微细结构为垂直生长在图案化金膜2表面的SiC纳米针阵列1，SiC纳米针阵列中的纳米针具有渐缩的竹节状几何形状以及尖端，纳米针长0.1-100μm，直径为10-200nm，尖端的直径为10nm，所述SiC微细结构为单晶结构，相成分为3C-SiC，顶端没有催化剂颗粒，顶端没有(金)催化剂颗粒对太赫兹吸波有利；所述图案化金膜2为n n周期排列的几何图案，几何图案与遮罩镂空部分一致。
参见图2，所制得的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的单元结构立体示意图。
本实施例提供图案化SiC微细结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将6H-SiC晶片基板3在真空中用遮罩沉积得到50-200nm厚的图案化Au膜，Au膜用作生长SiC纳线阵列的催化剂；
(2)将覆盖有金膜的SiC晶片放在聚脲硅氮烷粉末上并置于真空炉中，在10-4Pa量级的真空下，以20-40℃/min的速率将炉加热至1400℃-1500℃，然后随炉冷却至环境温度，得到图案化SiC微细结构。
所述6H-SiC晶片基板3的厚度为3-50μm。
本实施例提供图案化SiC微细结构的应用，该图案化SiC微细结构作为太赫兹吸波材料。图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料能有效展宽简单的多谐振单元太赫兹吸波单元的工作带宽，图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料对太赫兹波入射角度不敏感。
实施例2，
本实施例提供图案化SiC微细结构制备方法，
(1)将5μm的6H-SiC晶片基板在真空中用遮罩沉积得到50nm厚的图案化Au膜，金膜图案为周期60μm的6H-SiC晶片基板上，沿45度轴对称均匀正交分布的圆形，圆的直径分别为28μm和20μm；
(2)在高纯度氧化铝坩埚中，将覆盖有金膜的SiC晶片放在聚脲硅氮烷粉末上并覆盖石墨纸，将坩锅置于真空炉中，在10-4Pa量级的真空下，以30℃/min的速率将炉加热至1500℃进行热解，然后随炉冷却至环境温度，得到图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料。
将实施例2制备得到的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料置于金属衬底上吸波性能的测试，测试结果如图所示。
图1为实施例1所制得的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的低倍扫描电镜(SEM)俯视图。表明SiC纳米针布满图案化Au膜表面并有较高的排列密度。
图3是实施例1所制得的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的纳米针的透射电镜(TEM)图。表明制备的SiC纳米针结构，长为10～60μm，呈现渐缩的类似竹子的新颖几何形状以及尖锐干净的尖端，纳米针根部直径约为180nm，针尖端的直径约为10nm。
将实施例2所制得的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料在太赫兹时域光谱仪上测量吸波图谱，并与去除SiC纳米针后的结构的仿真吸波图谱比较，表明所制得的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料具有优异的太赫兹宽带吸波性能。参见图4，为在正入射情况下不同结构的太赫兹波吸收谱图；实线表示整个结构的实测太赫兹吸收谱图，虚线表示没有SiC纳米针的结构的仿真太赫兹波吸收谱图；
将实施例2所制得的图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料在太赫兹时域光谱仪上测量不同极化和入射角度的吸波图谱，表明其对极化和入射角度不敏感。参见图5-图6，分别为TE偏振斜入射、TM偏振斜入射的太赫兹源入射角变化对太赫兹波实测吸收谱图的影响。
在上述的一种图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的制备实施例及其替换方案中，Au膜的图案还可以是其他多谐振金属-介质-金属的微结构阵列的顶层金属层，例如其它尺寸不同的圆片、其它尺寸不同的方片、其它尺寸不同的十字形片等。
在上述的一种图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的制备实施例及其替换方案中，6H-SiC晶片基板等厚度还可以为除了40μm外的3-50μm范围的其它尺寸，具体可以通过Au膜的图案进行谐振吸波性能的仿真优化设计得到。
在上述的一种图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的制备实施例及其替换方案中，热解温度还可以为1400℃、1410℃、1420℃、1430℃、1440℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃、1500℃。
在上述的一种图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的制备实施例及其替换方案中，
热解的升温速率还可以为20℃/min、22℃/min、23℃/min、24℃/min、25℃/min、26℃/min、27℃/min、28℃/min、29℃/min、31℃/min、32℃/min、33℃/min、34℃/min、35℃/min、36℃/min、37℃/min、38℃/min、39℃/min、40℃/min。
不同的热解温度和升温速率组合获得不同平均长度和排列密度的SiC纳米针阵列的微细结构，对相应频段的太赫兹波有较好的阻抗匹配和损耗性能，与不同图案化金膜及6H-SiC晶片基板组成的多谐振太赫兹窄带吸波超材料复合，均能通过优化调控SiC纳米针阵列的平均长度等微细结构，获得太赫兹宽带吸波性能。
鉴于本发明图案化SiC微细结构太赫兹波吸波材料的制备方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1作为代表说明本发明申请优异之处。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
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