一种基于金属覆盖层的负折射人工材料的制作方法

专利名称：一种基于金属覆盖层的负折射人工材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光栅上的金属覆盖层的电磁特性，实现可见光频段的负折射以及 近零折射特性的人工复合结构材料的设计和制作。
背景技术：
有效折射率是材料同外部电磁场相互作用的一个重要参数，而有效负折射或者零折射率 的实现的一个要求就是需要在设计的波段或者频点处出现负的有效磁导率，目前，现有的办 法是近红外尤其是可见光波段的负磁导率人工复合材料利用周期排布的纳米量级的非磁性 的单元结构，同外部激励电磁波形成共振，可以实现对材料的有效磁导率的调整，甚至得到 负的有效磁导率。具备负磁导率的人工复合材料在电磁领域具有广阔应用前景，例如，金属 在近红外以及可见光波段具有负的介电常数的特性，当负的磁导率以及负的介电常数结合时， 材料能对入射光实现负折射；这种材料的负折射特性可以应用在超分辨成像，隐身材料等方 面。
目前普遍用来实现非磁性材料的磁共振的单元结构主要是开口环结构以及金属断线对结 构，当外部激励磁场垂直穿过开口环或者金属断线对所在平面时，能够激发出最大的磁共振 效应，但目前的由开口环结构构成的磁共振材料都属于平面结构类型，入射电磁波必须与材 料所在平面保持一定的夹角，才能形成足够强的磁共振来调节材料的有效磁导率，不能使用 正入射是这种类型的材料的一大缺点；而由金属断线对结构构成的磁共振材料虽然能够采用 正入射，但是其共振单元采用的是金属一电介质一金属的三层结构，这种三层结构需要三次 沉积过程，制作起来比较复杂。

发明内容
本发明要解决的问题是针对现有实现磁共振的人工复合材料的不足之处，提出一种利 用光栅上的金属覆盖层的电磁特性，实现可见光频段的负折射以及近零折射的方法。 本发明解决其技术问题所釆用的技术方案是
一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于包括以下步骤
(1) 选择石英基片，并将其表面抛光；然后在其表面蒸镀一层高纯Si02膜；
(2) 在高纯Si02膜表面再次蒸镀铬膜，然后均匀涂覆电子束光刻胶；(3) 采用电子束光刻的方法，在光刻胶上制备出介质光栅结构；
(4) 采用湿法腐蚀技术，将光刻胶作为掩模，腐蚀掉裸露在外的铬膜；
(5) 采用干法腐蚀技术，将铬膜作为掩模，在高纯Si02膜上刻蚀出介质光栅结构，去 除铬膜；
(6) 采用真空蒸镀技术，在Si02光栅结构上蒸镀厚度为h的金属层，负折射金属光栅 制作完成。
所述步骤(1)中的高纯Si02膜的厚度为70纳米到80纳米。 所述的步骤(2)中的铬膜厚度为25纳米至30纳米。
所述步骤(2)中的光刻胶为用于电子束刻蚀的PMMA光刻胶，其厚度为40纳米至60 纳米。
所述的步骤(3)中的介质光栅结构的周期为255纳米到265纳米，占空比为1.35:1.2 ~ 1.45:1.2。
所述步骤(5)中的干法腐蚀技术可以为等离子辅助刻蚀技术，刻蚀气体可选CF3。 所述步骤(6)中的金属为同一种金属，为金、或银。 所述步骤(6)中的沉积厚度h为28纳米至32纳米。
本发明与同传统的实现磁共振的人工材料相比所具有的优点本发明采用湿法腐蚀和
干法腐蚀结合将Si02介质光栅制作在抛光石英基片上，利用正向沉积技术，实现了在Si02
介质光栅上制作出具有特异电磁特性的形金属覆盖层结构。本发明制作简便，单层损耗 小，单层正入射的特性，在磁共振、近场光学、隐身材料等领域，具有启示的意义以及 很大的应用前景。


图1是基于金属覆盖层的负折射人工材料的第一步的制作示意图； 图2是基于金属覆盖层的负折射人工材料的第二步的制作示意图； 图3是基于金属覆盖层的负折射人工材料的第三步的制作示意图； 图4是基于金属覆盖层的负折射人工材料的第四步的制作示意图； 图5是基于金属覆盖层的负折射人工材料的第五步的制作示意图； 图6是基于金属覆盖层的负折射人工材料的第六步的制作示意图； 图7是制作的基于金属覆盖层的负折射人工材料的结构示意图中1为表面抛光的石英基片;2为蒸镀的Si02膜;3为蒸镀的铬膜；4为旋涂的PMMA 电子束光刻胶；5为沉积的金属。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本 发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可 以实现本发明权利要求的全部内容。
如图1所示，本实施例第一步的制作示意图，首先选择石英基片1，并将其表面抛光； 然后在其表面蒸镀一层厚度为70纳米的高纯Si02膜2;
如图2所示，本实施例第二步的制作示意图，在高纯SiO2膜表面再次蒸镀厚度为30纳 米铬膜3，然后均匀涂覆厚度为50纳米的PMMA光刻胶4;
如图3所示，本实施例第三步的制作示意图，采用电子束光刻的方法，在光刻胶4上制 备出周期260纳米，占空比为1.2:1.4的介质光栅结构；
如图4所示，本实施例第四步的制作示意图，采用湿法腐蚀技术，将光刻胶作为掩模， 腐蚀掉裸露在外的络膜；
如图5所示，本实施例第五步的制作示意图，采用等离子辅助刻蚀技术，将铬膜作为掩 模，以CHF3为刻蚀气体，在高纯Si02膜上刻蚀出厚度为70纳米的介质光栅结构，利用去 铬液去除铬膜；
如图6所示，本实施例第六步的制作示意图，采用真空蒸镀技术，在Si02光栅结构上蒸 镀厚度为30纳米的金属层，负折射金属光栅制作完成；所得的人工结构复合材料的主视图， 如图7所示。
通过以上方法所制作的基于金属覆盖层的负折射人工材料，通过正向蒸镀，将金属层 覆盖在介质光栅上，利用光栅上的金属层的电磁特性，实现在可见光频段对材料的电磁 参数进行调节，进而调节有效折射率。仿真结果表明通过对材料的有效磁导率以及有效 介电常数进行调节，可以实现负折射率以及近零折射率；同传统的实现负折射的人工材 料相比，该负折射金属光栅是目前具有最短波长的负折射特性的人工材料，同时具有制 作简便，单层损耗小，单层正入射的特性，在磁共振、近场光学、隐身材料等领域，具 有启示的意义以及很大的应用前景。
权利要求
1、一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征包括以下步骤(1)选择石英基片，并将其表面抛光；然后在其表面蒸镀一层高纯SiO2膜；(2)在高纯SiO2膜表面蒸镀一层铬膜，然后在铬膜上均匀涂覆一层光刻胶；(3)采用电子束光刻的方法，在光刻胶上制备出介质光栅结构；(4)采用湿法腐蚀技术，将光刻胶作为掩模，腐蚀掉裸露在外的铬膜；(5)采用干法腐蚀技术，将铬膜作为掩模，在高纯SiO2膜上刻蚀出介质光栅结构，去除铬膜；(6)采用真空蒸镀技术，在SiO2光栅结构上蒸镀厚度为h的金属层，一种基于金属覆盖层的负折射人工材料制作完成。
2、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述步 骤(1)中的高纯Si02膜的厚度为70纳米到80纳米。
3、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述的步骤(2)中的铬膜厚度为25纳米至30纳米。
4、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述步 骤(2)中的光刻胶为用于电子束刻蚀的PMMA光刻胶，其厚度为40纳米至.60纳米。
5、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述的 步骤(3)中的介质光栅结构的周期为255纳米到265纳米，占空比为1.35:1.2 1.45:1.2。
6、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述步 骤(5)中的干法腐蚀技术可以为等离子辅助刻蚀技术，刻蚀气体可选CF3。
7、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述步 骤(6)中的金属为同一种金属，为金、或银。
8、 根据权利要求1所述的一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征在于所述步 骤(6)中的沉积厚度h为28纳米至32纳米。
全文摘要
一种基于金属覆盖层的负折射人工材料，其特征包括以下步骤(1)选择石英基片，并将其表面抛光；然后在其表面蒸镀一层高纯SiO₂膜；(2)在高纯SiO₂膜表面蒸镀一层铬膜，并在其上均匀涂覆一层光刻胶；(3)采用电子束光刻的方法，在光刻胶上制备出介质光栅结构；(4)采用湿法腐蚀技术，将光刻胶作为掩模，腐蚀掉裸露在外的铬膜；(5)采用干法腐蚀技术，将铬膜作为掩模，在高纯SiO₂膜上刻蚀出介质光栅结构，去除铬膜；(6)采用真空蒸镀技术，在SiO₂光栅结构上蒸镀厚度为h的金属层，基于金属覆盖层的负折射人工材料制作完成。本发明具有制作简便，单层损耗小，单层正入射的特性，在磁共振、近场光学、隐身材料等领域具有很大的应用前景。
文档编号G02B1/10GK101424758SQ200810227029
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者罗先刚, 胡承刚, 赵泽宇, 陈旭南 申请人:中国科学院光电技术研究所