本發(fā)明屬于紅外吸波體領域，更具體地，涉及一種基于介質微柱陣列的紅外吸波體及制備方法。

背景技術：

高性能的紅外吸波體是紅外探測器的關鍵材料。長期以來，科研人員一直在尋求通過更好的紅外吸波體來改善紅外探測器的性能。近年來，超表面作為一種全新的電磁材料進入了人們的視野，并迅速被應用到紅外吸波體的設計和制作當中。

超表面的特點是其電磁特性基本與其組分材料的性質無關，而與其內部的微結構有關。當入射光與這層微結構相互作用時，會產(chǎn)生表面等離激元，可以實現(xiàn)納米尺寸下光場的聚焦和增強。借助這一性質，許多基于超表面的微納光學設備被制作出來，比如完美吸波體，完美透鏡，復折射率材料等。

在紅外吸波體中，窄帶吸波體是重要的一部分。根據(jù)上文提到的微結構與入射光相互作用的特性，超表面很容易就能實現(xiàn)在單一頻段的高吸收，這就使得研究人員十分重視它在窄帶吸波體上的應用，也促使人們修改超表面的微結構組成，以達到最好的效果。

過去幾年里，大量的納米結構被應用到紅外吸波體的設計上。一種具有代表性的結構是基于金屬納米結構-介質層-金屬背板的結構。但是，這種結構吸收峰的品質因數(shù)(即吸收峰中心波長與其半高全寬之比值)很低，只有約15-20；另一種結構是由多層介質/金屬薄膜堆疊而成的dbr式干涉吸波結構，這種結構固然可以在正入射時實現(xiàn)高q值的窄帶吸收，但是一旦入射角度變化，其吸收峰峰位立即變化，不具有角度穩(wěn)定性，綜合吸收峰的品質因數(shù)也較低。并且，結構中的薄膜厚度難以精確控制，制備工藝困難。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種基于介質微柱陣列的紅外吸波體，旨在解決現(xiàn)有的吸波體品質因數(shù)低和在入射角度變化時吸收峰波長不穩(wěn)定的技術問題。本發(fā)明目的在于縮減吸收峰的帶寬，提高品質因數(shù)，對具有吸收峰波長的紅外光的高吸收，同時保持入射角變化情況下吸收峰波長的穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于介質微柱陣列的紅外吸波體，包括：

介質微柱陣列，其為多個呈陣列排布的柱體，用于對入射激光的波長進行篩選處理輸出篩選后激光；

介質層，位于介質微柱陣列的下方，用于使篩選后激光諧振產(chǎn)生電磁波；以及

金屬層，位于介質層的下方，用于將電磁波轉化為熱能吸收。

優(yōu)選地，柱體高度為630nm～1210nm，柱體直徑為809nm～1980nm，兩個相鄰柱體中心距離為1300nm～3600nm；介質層的厚度為1030nm～2310nm。

優(yōu)選地，柱體高度為630nm～890nm，柱體直徑為809nm～1430nm，相鄰兩個柱體中心距離為1300nm～2640nm，介質層的厚度為1030nm～1690nm。

優(yōu)選地，柱體在平面上的排布方式為六邊形排列。

優(yōu)選地，柱體的材料為硅。

按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種紅外窄帶吸波體的制備方法，包括如下步驟：

s1在襯底上附著金屬層獲得第一中間產(chǎn)物；

s2在第一中間產(chǎn)物上附著介質層獲得第二中間產(chǎn)物；

s3采用圖形轉移工藝在第二中間產(chǎn)物的介質層上形成具有介質微柱陣列的反結構的曝光膠層，獲得第三中間產(chǎn)物；

s4在第三中間產(chǎn)物的曝光膠層上附著介質層獲得第四中間產(chǎn)物；

s5通過對第四中間產(chǎn)物采用濕化學法進行去除曝光膠處理，獲得紅外吸波體。

優(yōu)選地，步驟s3中獲得第三中間產(chǎn)物包括如下步驟：

s31采用旋涂方法在第二中間產(chǎn)物的介質層上形成第一曝光層，獲得第五中間產(chǎn)物；

s32通過對第五中間產(chǎn)物根據(jù)介質微柱陣列進行電子束曝光處理，獲得第六中間產(chǎn)物；

s33通過對第六中間產(chǎn)物進行顯影處理，在第二中間產(chǎn)物上形成具有介質微柱陣列的反結構的曝光膠層，獲得第三中間產(chǎn)物。

優(yōu)選地，步驟s1中采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射在襯底上附著金屬層。

優(yōu)選地，步驟s2中采用磁控濺射方式或化學氣相沉積在第一中間產(chǎn)物的金屬層上附著介質層。

優(yōu)選地，步驟s4中采用磁控濺射方式或化學氣相沉積在第三中間產(chǎn)物的曝光層上附著介質層。

通過本發(fā)明構思的以上技術方案，相較于現(xiàn)有的技術，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明提出的紅外吸波體，由“金屬層-介質層-介質微柱陣列”組成，介質微柱陣列、介質層以及金屬層構成一個諧振腔，介質微柱陣列所起到的作用相當于一個波長選擇性的光柵，本身不吸收光，而只允許特定波長的光通過介質微柱陣列，從而被金屬層吸收，因此可以保證吸收峰具有高的品質因數(shù)，也就保證了窄帶吸收，進而實現(xiàn)對吸收波長紅外光的高吸收。

2、本發(fā)明提出的紅外吸波體，當柱體高度為630nm～1210nm，柱體直徑為809nm～1980nm，兩個相鄰柱體中心距離為1300nm～3600nm；以及介質層其厚度為1030nm～2310nm時，入射光斜入射進介質微柱陣列，在介質微柱陣列中會產(chǎn)生一個與入射光的玻印亭矢量在介質微柱陣列平面內的投影分量方向相反的玻印亭矢量，且由介質微柱陣列表面產(chǎn)生的玻印亭矢量與入射光的玻印亭矢量在介質微柱陣列平面內的投影分量相同，抵消了入射光的玻印亭矢量在陣列平面內的投影分量，從而使得陣列平面內的凈能量流動為0。此時，不論入射角如何變化，吸收峰的位置都不會發(fā)生改變，實現(xiàn)在不同的入射角度下吸收波長高穩(wěn)定性；該紅外吸波體，吸收峰峰值可達到85％以上，品質因數(shù)不少于100，吸收峰帶寬達到幾十納米。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于介質微柱陣列的紅外吸波體的主視圖；

圖2為本發(fā)明提供的基于介質微柱陣列的紅外吸波體的俯視圖；

圖3為本發(fā)明提供的基于介質微柱陣列的紅外吸波體的工作原理圖；

圖4為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第一實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖5為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第二實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖6為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第三實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖7為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第四實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖8為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第五實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖9為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第六實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖10為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第七實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖11為本發(fā)明中基于介質微柱陣列的紅外吸波體的制備方法的第八實施例所獲得紅外吸波體的紅外吸收光譜圖；

圖12為本發(fā)明提供的第三實施例性能與對比實施例性能的對比圖，其中，圖(a)為本發(fā)明提供的第三實施例所獲得吸波體在不同角度入射光下的吸收波長的示意圖，圖(b)為本發(fā)明提供的第三實施例獲得的紅外吸波體在不同角度下的紅外吸收光譜圖，圖(c)為本發(fā)明提供的對比實施例所獲得吸波體在不同角度入射光下的吸收波長的示意圖，圖(d)為本發(fā)明提供的對比實施例獲得的紅外吸波體在不同角度下的紅外吸收光譜圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1為襯底，2為金屬層，3為介質層，4為介質微柱陣列，a為入射光的玻印亭矢量，b為入射光的玻印亭矢量在介質微柱陣列平面內的投影分量，c為介質微柱陣列中產(chǎn)生的玻印亭矢量。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施例中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明提出的基于介質微柱陣列的紅外吸波體的主視圖，圖2為該紅外吸波體的俯視圖，該紅外吸波體包括介質微柱陣列1、介質層2、金屬層3以及襯底4，介質微柱陣列1為多個呈六角形陣列排列的柱體，介質層2位于介質微柱陣列1的下方，金屬層3位于介質層2的下方，襯底4位于金屬層3的下方。介質微柱陣列1、介質層2以及金屬層3構成諧振腔，入射光射入介質微柱陣列1，經(jīng)過介質微柱陣列1篩選后，進入介質層2，經(jīng)過篩選后的入射光在介質層2中諧振，并被金屬層3吸收。由于介質微柱陣列1僅對入射光進行篩選，并不吸收入射光，金屬層僅吸收經(jīng)過篩選后的入射光，因此該紅外吸波體具有高品質因數(shù)，進而實現(xiàn)吸收峰帶寬變小。

本發(fā)明提供的基于介質微柱陣列的紅外吸波體的第二實施例中，介質微柱陣列的每個柱體高度為630nm～1210nm，每個柱體直徑為809nm～1980nm，兩個相鄰柱體中心距離為1300nm～3600nm，介質層為厚度是1030nm～2310nm的二氧化硅層。

如圖3所示，在第二實施例中，當入射光射入介質微柱陣列時，在介質微柱陣列表面產(chǎn)生一個玻印亭矢量，該玻印亭矢量與入射光的玻印亭矢量在介質微柱陣列平面內的投影分量方向相反，且由介質微柱陣列表面產(chǎn)生的玻印亭矢量與入射光的玻印亭矢量在介質微柱陣列平面內的投影分量相同，抵消了入射光的玻印亭矢量在陣列平面內的投影分量，從而使得陣列平面內的凈能量流動為0。在這種情況下，不論入射角如何變化，紅外光吸波體吸收峰的位置不會發(fā)生改變，即吸收峰不隨著入射角變化。另外，當入射光射入介質微柱陣列時，由于介質微柱陣列1僅對入射光進行篩選，并不吸收入射光，金屬層僅吸收經(jīng)過篩選后的入射光，因此該紅外吸波體具有高品質因數(shù)，進而實現(xiàn)吸收峰帶寬變小。

本發(fā)明提供的制備基于介質微柱陣列的紅外吸波體的方法的第一實施例，包括如下步驟：

s1選取厚度為1000μm的單晶硅作為襯底，首先用丙酮溶液對單晶硅進行超聲波清潔3分鐘；然后用無水乙醇溶液對單晶硅進行超聲波清潔3分鐘；最后在去離子水中對單晶硅進行超聲波清潔2分鐘，通過電子束蒸發(fā)設備對金粉體進行氣化并冷凝，從而在襯底表面形成200nm是鍍金層，得到第一中間產(chǎn)物。

s2在第一中間產(chǎn)物的鍍金層表面通過磁控濺射設備生長厚度為1030nm的二氧化硅層，得到第二中間產(chǎn)物。

s3在第二中間產(chǎn)物的二氧化硅層利用勻膠機旋涂pmma曝光膠，涂抹時間60秒，勻膠機轉速為2000轉/分鐘，涂抹厚度400nm。接著，在170℃下烘烤3.5分鐘，在二氧化硅層上獲得第一曝光膠層，進而得到第五中間產(chǎn)物。設計介質微柱陣列，介質微柱陣列的柱體呈六邊形分布，柱體的直徑809nm，兩個相鄰柱體中心之間的距離為1300nm，柱體高度為630nm。再使用電子束曝光設備以3na的曝光電流，根據(jù)所設計的介質微柱陣列對第五中間產(chǎn)物上曝光層進行曝光，實現(xiàn)將所設計的介質微柱陣列轉移至第五中間產(chǎn)物上，獲得第六中間產(chǎn)物。通過化學顯影方式對第六中間產(chǎn)物進行顯影，在第二中間產(chǎn)物上形成具有介質微柱陣列的反結構的曝光膠層，獲得第三中間產(chǎn)物。

s4以第三中間產(chǎn)物上的曝光膠層為掩膜對硅材料進行化學氣相沉積，生長厚度為630nm的硅，獲得第四中間產(chǎn)物。

s5用化學方法除去第四中間產(chǎn)物中的曝光膠，獲得紅外吸波體。

圖4為本發(fā)明提供的第一實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外吸波體的吸收峰的波長位于2.64微米處，吸收帶寬約為6.6納米，品質因數(shù)約為400。

第二實施例：步驟s2二氧化硅層的厚度為1290nm。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1100nm，柱體高度為680nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為2000nm。步驟s4所生長厚度為680nm的硅。

圖5為本發(fā)明提供的第二實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外光吸收譜的吸收峰的波長位于3.27微米處，吸收帶寬約為10.9納米，品質因數(shù)約為300。

第三實施例：步驟s2二氧化硅層的厚度為1690nm。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1430nm，柱體高度為890nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為2640nm。步驟s4所生長的硅厚度為890nm。

圖6為本發(fā)明提供的第三實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外吸波體的吸收峰的波長位于4.26微米處，吸收帶寬約為21.3納米，品質因數(shù)約為200。

第四實施例：步驟s2二氧化硅層的厚度為2310nm。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1980nm，柱體高度為1210nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為3600nm。步驟s4所生長厚度為1210nm的硅。

圖7為本發(fā)明提供的第四實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外吸波體的吸收峰的波長位于5.73微米處，吸收帶寬約為57.3納米，品質因數(shù)約為100。

第五實施例：步驟s1通過磁控濺射設備讓金粉體濺射在襯底表面，從而在襯底表面形成200nm是鍍金層，得到第一中間產(chǎn)物。步驟s2中在第一中間產(chǎn)物的鍍金層表面通過化學氣相沉積形成厚度為1548nm的二氧化硅層。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1320nm，柱體高度為816nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為2400nm。步驟s4以第三中間產(chǎn)物上的曝光膠層為掩膜對硅材料進行磁控濺射方法沉積，生長的硅厚度為816nm，獲得第四中間產(chǎn)物。

圖8為本發(fā)明提供的第五實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該結構的吸收峰的波長位于3.9微米處，吸收帶寬約為19.5納米，品質因數(shù)約為200。

第六實施例：步驟s1通過磁控濺射設備讓金粉體濺射在襯底表面，從而在襯底表面形成200nm是鍍金層，得到第一中間產(chǎn)物。步驟s2中在第一中間產(chǎn)物的鍍金層表面通過化學氣相沉積形成厚度為1806nm的二氧化硅層。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1540nm，柱體高度為952nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為2800nm。步驟s4以第三中間產(chǎn)物上的曝光膠層為掩膜對硅材料進行磁控濺射方法沉積，生長的硅厚度為952nm，獲得第四中間產(chǎn)物。

圖9為本發(fā)明提供的第六實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外吸波體的吸收峰的波長位于4.53微米處，吸收帶寬約為25.2納米，品質因數(shù)約為180。

第七實施例：步驟s1通過磁控濺射設備讓金粉體濺射在襯底表面，從而在襯底表面形成200nm是鍍金層，得到第一中間產(chǎn)物。步驟s2中在第一中間產(chǎn)物的鍍金層表面通過化學氣相沉積形成厚度為2064nm的二氧化硅層。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1760nm，柱體高度為1088nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為3200nm。步驟s4以第三中間產(chǎn)物上的曝光膠層為掩膜對硅材料進行磁控濺射方法沉積，生長的硅厚度為1088nm，獲得第四中間產(chǎn)物。

圖10為本發(fā)明提供的第七實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外吸波體的吸收峰的波長位于5.14微米處，吸收帶寬約為42.8納米，品質因數(shù)約為120。

第八實施例：步驟s1通過磁控濺射設備讓金粉體濺射在襯底表面，從而在襯底表面形成200nm是鍍金層，得到第一中間產(chǎn)物。步驟s2中在第一中間產(chǎn)物的鍍金層表面通過化學氣相沉積形成厚度為2193nm的二氧化硅層。步驟s3中介質微柱陣列中柱體直徑為1870nm，柱體高度為1156nm，兩個相鄰柱體中心之間的間距為3400nm。步驟s4以第三中間產(chǎn)物上的曝光膠層為掩膜對硅材料進行磁控濺射方法沉積，生長的硅厚度為1156nm，獲得第四中間產(chǎn)物。

圖11為本發(fā)明提供的第八實施例最終獲得的紅外吸波體的紅外光吸收譜，激光入射角為0°時，該紅外吸波體的吸收峰的波長位于5.44微米處，吸收帶寬約為54.4納米，品質因數(shù)約為100。

本發(fā)明提供的對比實施例，包括如下步驟：

首先，選取厚度為1000微米的單晶硅襯底1，第一步用丙酮溶液對單晶硅襯底進行超聲波清潔3分鐘；第二步用無水乙醇溶液對單晶硅襯底進行超聲波清潔3分鐘；最后一步在去離子水中對單晶硅襯底進行超聲波清潔2分鐘，將表面清洗干凈以便于后續(xù)蒸鍍。然后，用電子束蒸發(fā)鍍膜機在潔凈的襯底表明蒸鍍200nm厚的金。然后，用磁控濺射設備或化學氣相沉積設備生長一層1050nm厚的二氧化硅介質層。接著，設計微柱陣列，柱體高度530nm，柱體直徑880nm，兩最近鄰柱體中心間距為1600nm，并制成版圖。接著，第一步在介質層上均勻涂抹一層pmma曝光膠，涂抹時間60秒，勻膠機轉速2000轉/分鐘，涂抹厚度約為400nm；第二步在170℃下烘烤3.5分鐘；第三步使用電子束曝光設備將版圖的圖案轉移至已經(jīng)旋涂pmma曝光膠的襯底上，曝光電流3na；最后一步通過化學顯影方式，對已曝光的pmma膠進行顯影。接著，以顯影后的pmma膠作為掩膜進行化學氣相沉積，生長530nm厚的硅。最后通過化學方法去掉pmma膠，獲得對比用的紅外吸波體。

圖12(a)為本發(fā)明提供的第三實施例所獲得吸波體在不同角度入射光下的吸收波長的示意圖，其中，橫坐標表示入射光角度，縱坐標表示被吸收波的波長；由圖12(a)可知，當入射光的入射角度變化時，被吸收波的波長變化緩慢。圖12(b)為本發(fā)明提供的第三實施例獲得的紅外吸波體在不同角度下的紅外吸收光譜圖，橫坐標為被吸收波的波長，縱坐標為吸波體的吸收率，圖12(b)展示了在入射角分別為0°、5°、10°以及15°下由第三實施例獲得的紅外吸波體的吸收光譜。由圖12(b)可知，第三實施例獲得的紅外吸波體，在入射光的入射角度為0°時，吸收波峰波長為2640微米，在入射光的入射角度為5°時，吸收波峰波長為2638微米，在入射光的入射角度為10°時，吸收波峰波長為2636微米，在入射光的入射角度為15°時，吸收波峰波長為2635微米。

圖12(c)為本發(fā)明提供的對比實施例所獲得吸波體在不同角度入射光下的吸收波長的示意圖，其中，橫坐標表示入射光角度，縱坐標表示被吸收波的波長，由圖12(c)可知，當入射光的入射角度變化時，被吸收波的波長變化急劇。圖12(d)為本發(fā)明提供的對比實施例獲得的紅外吸波體在不同角度下的紅外吸收光譜圖；圖12(d)展示了在入射角分別為0°、5°、10°以及15°下由對比實施例獲得的紅外吸波體的吸收光譜。由圖12(d)可知，第三實施例獲得的紅外吸波體，在入射光的入射角度為0°時，吸收波峰波長為2638微米，在入射光的入射角度為5°時，吸收波峰波長為2641微米，在入射光的入射角度為10°時，吸收波峰波長為2651微米，在入射光的入射角度為15°時，吸收波峰波長為2671微米。

由圖12可知，相比于對比實施例，第三實施例的吸波體在相同的入射角下，吸收峰峰值波長的偏移量要更小，因此，本發(fā)明所提供的吸波體具有一定的角度穩(wěn)定性。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。