专利摘要

本发明实施例提供了一种锑化铟薄膜太赫兹超表面及其热调谐方法、制备方法，通过将太赫兹超表面设置为矩形基板层，柱阵列结构层，以及锑化铟薄膜三层结构，能够实现在温度改变时，锑化铟薄膜的介电常数随之改变，从而使本发明实施例的太赫兹超表面的共振频率发生改变，因此，本发明实施例的太赫兹超表面能够通过改变温度改变共振频率，同时增加太赫兹波共振频率的调谐范围，并且，本发明实施例的太赫兹超表面制备方法简单，适合广泛地应用于光电制造领域，从而提高太赫兹超表面的应用范围。

权利要求

1.一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，其特征在于，包括：矩形基板层，柱阵列结构层，以及锑化铟薄膜，其中，所述柱阵列结构层中的各柱状阵列结构体排列于所述矩形基板层上，所述锑化铟薄膜覆盖于所述柱状阵列结构体的上表面以及所述矩形基板层的上表面。

2.根据权利要求1所述的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，其特征在于，所述矩形基板层的材料为聚二甲基硅氧烷，所述柱阵列结构层的材料为硅。

3.根据权利要求2所述的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，其特征在于，所述矩形基板层的厚度为6～10μm；所述柱状阵列结构体的半径为60～70μm，所述柱状阵列结构体的厚度为55～65μm；所述锑化铟薄膜的厚度为110～600nm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，其特征在于，所述太赫兹超表面的共振频率随温度升高而增加。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，其特征在于，所述太赫兹超表面的共振频率随所述锑化铟薄膜厚度的增加而增加。

6.一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的热调谐方法，应用于如权利要求1-5任一项所述的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，其特征在于，包括：

将所述太赫兹超表面加热至不同的温度；

利用太赫兹波照射处于不同温度下的所述太赫兹超表面，得到不同的共振频率；

基于所述不同的共振频率，确定所述太赫兹超表面的工作频率范围。

7.根据权利要求6所述的热调谐方法，其特征在于，所述太赫兹波的照射方法为垂直照射于所述太赫兹超表面的表面。

8.一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的制备方法，其特征在于，包括：

在矩形基板层上铺设硅层；

利用光刻法在所述硅层上刻蚀出柱状阵列结构体，得到柱阵列结构层；

在所述矩形基板层和所述柱阵列结构层的上表面镀锑化铟，形成锑化铟薄膜，得到所述基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述矩形基板层的厚度为6～10μm；所述柱状阵列结构体的半径为60～70μm，所述柱状阵列结构体的厚度为55～65μm；所述锑化铟薄膜的厚度为110～600nm。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述矩形基板层的材料为聚二甲基硅氧烷。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波技术领域，特别是涉及一种锑化铟薄膜太赫兹超表面及其热调谐方法、制备方法。

背景技术

太赫兹波又称THz射线，是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，太赫兹波在传感、成像、生物医学等领域都有着广泛的应用。然而，与红外线或者微波相比，太赫兹波的发展相对缓慢，这是因为在自然界中很难找到能够直接用于检测太赫兹的材料。不过，随着超材料的出现与发展，这个问题逐渐得到了解决。超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。其中，超表面便是一种二维等效超材料。超表面是一种周期性人工结构，其结构单元尺寸远小于工作波长。超表面能够通过改变其几何尺寸，而对不同频率的电磁波产生响应。更重要的是，超表面对于太赫兹波有着独特的响应，目前已经有多种超表面结构，例如：完美吸收体，磁镜，宽带反射器等。

现有的超表面通常利用弹性材料，石墨烯、液晶、钛酸锶、相变氧化物等材料来进行工作频率的调控，虽然现有的超表面能够实现对太赫兹波的检测与调谐，但是，由上述材料实现的超表面调控，其调谐原理为通过改变超表面的电压或机械压力等而改变太赫兹的共振频率。例如，通过电压调谐由液晶制成的超表面，通过机械压力调谐由弹性材料制成的超表面，但是，受限于液晶材料的电压可调范围，上述电压调谐方法存在调谐范围小的问题，并且，机械压力调谐方法存在容易使材料变形甚至损坏的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种锑化铟薄膜太赫兹超表面及其热调谐方法、制备方法，以实现增加太赫兹波共振频率的调谐范围，进而增加超表面的工作范围和应用场景。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，包括：矩形基板层，柱阵列结构层，以及锑化铟薄膜，其中，所述柱阵列结构层中的各柱状阵列结构体排列于所述矩形基板层上，所述锑化铟薄膜覆盖于所述柱状阵列结构体的上表面以及所述矩形基板层的上表面。

可选的，所述矩形基板层的材料为聚二甲基硅氧烷，所述柱阵列结构层的材料为硅。

可选的，所述矩形基板层的厚度为6～10μm；所述柱状阵列结构体的半径为60～70μm，所述柱状阵列结构体的厚度为55～65μm；所述锑化铟薄膜的厚度为110～600nm。

可选的，所述太赫兹超表面的共振频率随温度升高而增加。

可选的，所述太赫兹超表面的共振频率随所述锑化铟薄膜厚度的增加而增加。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的热调谐方法，应用于第一方面所述的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，包括：

将所述太赫兹超表面加热至不同的温度；

利用太赫兹波照射处于不同温度下的所述太赫兹超表面，得到不同的共振频率；

基于所述不同的共振频率，确定所述太赫兹超表面的工作频率范围。

可选的，所述太赫兹波的照射方法为垂直照射于所述太赫兹超表面的表面。

第三方面，本发明实施例还提供了一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的制备方法，包括：

在矩形基板层上铺设硅层；

利用光刻法在所述硅层上刻蚀出柱状阵列结构体，得到柱阵列结构层；

在所述矩形基板层和所述柱阵列结构层的上表面镀锑化铟，形成锑化铟薄膜，得到所述基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面。

可选的，所述矩形基板层的厚度为6～10μm；所述柱状阵列结构体的半径为60～70μm，所述柱状阵列结构体的厚度为55～65μm；所述锑化铟薄膜的厚度为110～600nm。

可选的，所述矩形基板层的材料为聚二甲基硅氧烷。

本发明实施例提供的一种锑化铟薄膜太赫兹超表面及其热调谐方法、制备方法，通过将太赫兹超表面设置为矩形基板层，柱阵列结构层，以及锑化铟薄膜三层结构，能够在温度改变时，锑化铟薄膜的介电常数随之改变，从而使本发明实施例的太赫兹超表面的共振频率发生改变，因此，本发明实施例的太赫兹超表面能够通过改变温度改变共振频率和工作频率，从而增加太赫兹波共振频率的调谐范围，并且，本发明实施例的太赫兹超表面制备方法简单，适合广泛地应用于光电器件制造领域，从而增加太赫兹超表面的应用范围。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的结构示意图；

图2为本发明实施例的太赫兹超表面中的一个单元结构的示意图；

图3a为本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面在不同温度下的吸收谱；

图3b为本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面对照射到表面的太赫兹波的吸收率随温度变化的示意图；

图4为本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面中锑化铟薄膜的厚度不同时，共振频率随温度变化的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，包括：

矩形基板层，柱阵列结构层，以及锑化铟薄膜，其中，柱阵列结构层中的各柱状阵列结构体排列于矩形基板层上。图1为本发明实施例基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的结构示意图，参考图1，三层结构分层显示，最下层为矩形基板层，中间层为柱阵列结构层，最上层为锑化铟(InSb)薄膜层。其中，矩形基板层可以通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)制得，柱阵列结构层可以通过硅制得，例如硅单质。太赫兹超表面的共振频率随温度升高而增加，赫兹超表面的共振频率随锑化铟薄膜厚度的增加而增加。

图2为本发明实施例的太赫兹超表面中的一个单元结构的示意图，参考图2，锑化铟薄膜(斜纹填充处)覆盖于柱状阵列结构体的上表面，同时锑化铟薄膜(斜纹填充处)也覆盖于矩形基板层的上表面。在进行实际应用的时候，太赫兹光源如图所示，可以垂直入射到超表面上。上述一个单元结构可以作为一个全介质吸收器的一个最小单元。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，矩形基板层的厚度范围(图1中以b表示)为6～10μm，优选为8μm；柱状阵列结构体的半径(图2中以r表示)范围为60～70μm，优选为64μm；柱状阵列结构体的厚度(图2中以h表示)范围为55～65μm，优选为60μm；锑化铟薄膜的厚度(图1中以a表示)范围为110～600nm，优选为110nm。本发明实施例的太赫兹超表面的晶格常数(图2中以p表示)为210um，即，一个单元结构的周期为210um。

本发明实施例中，太赫兹超表面是以全介质硅板为主要材料制成，选用硅作为超表面的介质，是因为硅具有较好的热光系数，其介电常数与环境温度密切相关，因此当介质温度发生变化时，超表面对于太赫兹的探测光谱中，相应的共振位置会发生偏移，因此能够通过改变温度，来使得超表面工作在不同的频率上。发明人考虑到当超表面只有硅制成时，对于热的敏感性，依旧有所不足，正是基于所发现的问题，因此发明人进一步在超表面上继续镀上一层锑化铟薄膜，作为一种具有热载流子效应的半导体，锑化铟的介电常数对于温度，有着更强的敏感性。当其温度发生改变之后，锑化铟薄膜的介电常数会发生非常大的改变，从而对介质硅产生进一步的影响，让超表面的共振具有更大的偏移，以实现宽带的热调谐。并且，发明人还发现，在本发明实施例之前，还没有其他学者或研究人员提出通过锑化铟薄膜的热载流子效应实现全介质超表面在太赫兹波段的调谐功能，与金属、基于石墨烯、或者液晶材料等各种超表面相比，本发明实施例的超表面结构简单，便于制造，从而能够更广泛地应用到实际中。

作为一种微米级结构，在超表面的制造过程中，一旦其几何参数确定下来，超表面相应的工作频率就完全确定，这在一定程度上限制了现有超表面的应用范围，因此开发具有动态控制太赫兹波能力的超表面显得尤为重要。虽然到目前为止，各种利用弹性材料，石墨烯、液晶、钛酸锶、相变氧化物等材料来实现超表面调谐是最常用的方法，但是这些超表面在实际制备过程中往往较为复杂，不利于大规模生成制造。

本发明实施例还提供了一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的热调谐方法，应用于上述实施例中的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，包括以下步骤：

将太赫兹超表面加热至不同的温度。

本发明实施例中，可以将太赫兹超表面加热至不同的温度，例如第一预设温度和第二预设温度。其中，第二预设温度大于第一预设温度，且第二预设温度和第一预设温度均低于太赫兹超表面中各材料的熔点，避免太赫兹超表面因高温受损。研究人员可以根据本发明实施例的太赫兹超表面，合理设置上述第一预设温度和第二预设温度。

利用太赫兹波照射处于不同温度下的太赫兹超表面，得到不同的共振频率。

本发明实施例中，可以在太赫兹超表面的温度达到第一预设温度时，将太赫兹光源产生的电磁波垂直照射于太赫兹超表面的表面，得到第一共振频率；然后继续加热太赫兹超表面直至第二预设温度；将太赫兹光源产生的电磁波垂直照射于太赫兹超表面的表面，得到第二共振频率。其中，第二共振频率大于第一共振频率。

基于不同的共振频率，确定太赫兹超表面的工作频率范围。

本发明实施例中，可以根据得到的第二共振频率和第一共振频率，得到太赫兹超表面的工作频率范围，从而制造出相应的光电器件，例如频率选择性光栅、相移器等。

对本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面进行热调谐仿真实验后，仿真结果如图3a和图3b所示，其中，图3a为基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面在不同温度下的吸收谱；图3b为基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面对照射到表面的太赫兹波的吸收率随温度变化的示意图。

参考图3a和图3b，当环境温度从300K上升至400K时，由上述太赫兹超表面制成的吸收器的共振频率从0.6585THz增加至0.6831THz，即吸收光谱发生明显的蓝移现象，有力地说明了随着超表面材料温度的改变，吸收器的工作频率也会发生改变，从而能够有效增加其工作范围。

并且，对本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，进行不同厚度锑化铟薄膜的热调谐仿真实验后，仿真结果如图4所示，图4为基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面中锑化铟薄膜的厚度不同时，共振频率随温度变化示意图，参考图4，随着锑化铟薄膜的厚度从110nm上升到600nm，不仅是在同一温度下时，超表面的吸收共振发生明显的偏移，而且当温度从300K上升到400K时，吸收谱的频率偏移范围也在增加。

通过上述仿真实验可知，本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的热调谐方法，能够实现太赫兹波段全介质超表面的热调谐，并且，热调谐能力随着锑化铟薄膜厚度的增加而增加，并且由于全介质材料柱状阵列结构体的耐高温性，能够通过不断地提升温度，从而实现足够宽频带的调谐目的。需要说明的是，本发明实施例中仅以超表面吸收体作为示例，用于说明锑化铟薄膜能够实现超表面的热调谐，也就是说，本发明实施例中的吸收体并非对单一结构的限定，也即，本发明实施例提供的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面，同样可以是频率选择性光栅，相移器等光电器件。

本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的热调谐方法，能够在温度改变时，锑化铟薄膜的介电常数随之改变，从而使本发明实施例的太赫兹超表面的共振频率发生改变，因此，本发明实施例的太赫兹超表面能够通过改变温度改变共振频率，从而增加太赫兹波共振频率的调谐范围，并且，本发明实施例的太赫兹超表面便于制备，该调谐方法能够广泛地应用于光电器件领域，从而提高太赫兹超表面的应用范围。

本发明实施例还提供了一种基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的制备方法，包括：

在矩形基板层上铺设硅层；

利用光刻法在硅层上刻蚀出柱状阵列结构体，得到柱阵列结构层；

在矩形基板层和柱阵列结构层的上表面镀锑化铟，形成锑化铟薄膜，得到基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面。

本发明实施例中，可以采用现有的光刻法对硅层进行刻蚀，从而刻蚀出柱状阵列结构体，可以采用现有的镀膜方法将锑化铟薄膜镀在矩形基板层和柱阵列结构层的上表面。

本发明实施例的基于锑化铟薄膜的太赫兹超表面的制备方法，具有制备工艺简单的优点，能够更好地应用于实际制造中，例如，制造频率选择性光栅、相移器等器件。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

锑化铟薄膜太赫兹超表面及其热调谐方法、制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。