專利名稱：增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納結(jié)構(gòu)研究及等離子體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
貴金屬納米單元制作的亞波長(zhǎng)超材料結(jié)構(gòu)吸引了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，由于這些納米單元結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振耦合作用，電磁場(chǎng)被強(qiáng)烈的限制在結(jié)構(gòu)周圍，這些結(jié)構(gòu)甚至可以克服衍射極限尺度，在集成光學(xué)中擁有應(yīng)用的潛在可能性。在磁性共振頻率附近，有如文獻(xiàn) 1 :“ν·Μ· Shalaev，W. Cai，U. K. Chettiar，et al，OPTICS LETTERS, 2005 (30) :3356，， 報(bào)道的該類納米結(jié)構(gòu)超材料的磁導(dǎo)率以及介電常數(shù)均可實(shí)現(xiàn)負(fù)值，這為在光學(xué)波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度負(fù)折射材料提供了可能性。目前為止研究人員引入了多種新型超材料結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性共振，例如魚(yú)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、 納米柱狀對(duì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)、納米三明治結(jié)構(gòu)等。研究表明，負(fù)的磁導(dǎo)率甚至負(fù)的折射率可在魚(yú)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和納米三明治結(jié)構(gòu)中得以實(shí)現(xiàn)。其中基于單個(gè)開(kāi)口環(huán)的諧振器結(jié)構(gòu)以及單個(gè)納米三明治結(jié)構(gòu)中激勵(lì)的磁性等離子體已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)，以磁性等離子體方式進(jìn)行能量振蕩的優(yōu)勢(shì)在于低的輻射損耗和更長(zhǎng)的傳播長(zhǎng)度。有如文獻(xiàn) 2 :"J. Zhou, Th. Koschny, Μ. Kafesaki, et al, PHTSICAL REVIEW LETTERS, 2005 (95) =223902"報(bào)道的單個(gè)開(kāi)口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)將會(huì)出現(xiàn)磁性響應(yīng)飽和，同時(shí)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開(kāi)口環(huán)開(kāi)口尺寸微小的制作工藝難題，相比之下納米三明治結(jié)構(gòu)可工作在更高頻段、實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單，因而成為關(guān)注的焦點(diǎn)?；诩{米三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)磁性等離子體振蕩模式的優(yōu)勢(shì)，有如文獻(xiàn)3 :‘‘Z. H. Zhu， H. Liu, S. Μ. Wang, et al, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2009 (94) : 103106” 報(bào)道了基于納米三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)兩種磁性等離子體模式的納米激光器的設(shè)計(jì)方案。有如文獻(xiàn)4 :"S. Μ. Wang， Ζ. H. Zhu, J. Χ. Cao, et al, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2010 (96) :113103” 報(bào)道了基于納米三明治結(jié)構(gòu)磁性等離子體模式的鏈狀波導(dǎo)設(shè)計(jì)方案。但該類設(shè)計(jì)中都未提出抑制金屬吸收損耗的方法，未給出增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)等離子體模式品質(zhì)因子Q的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，該新型納米三明治結(jié)構(gòu)是在上下金屬與介質(zhì)層之間加入新的低折射率介質(zhì)層，通過(guò)抑制納米三明治腔體非輻射損耗的途徑，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子。利用本發(fā)明，能夠有效地提高納米三明治腔內(nèi)磁性等離子體模式品質(zhì)因子，改良等離子體模式損耗狀況，為基于納米三明治結(jié)構(gòu)以及同類結(jié)構(gòu)的新型器件的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)和依據(jù)。本發(fā)明提供一種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，包括一下金屬層；一介質(zhì)層，該介質(zhì)層制作在下金屬層上；
一上金屬層，該上金屬層制作在介質(zhì)層上；其是通過(guò)降低納米三明治腔體的非輻射損耗的途徑，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子。其中所述介質(zhì)層包括一下低折射率介質(zhì)層；一中心層，該中心層制作在下低折射率介質(zhì)層上；一上低折射率介質(zhì)層，該上低折射率介質(zhì)層制作在中心層上。其中所述下金屬層和上金屬層的材料是金、銀、鉛或者是銅。其中所述中心層的材料是硅、砷化鎵或磷化銦。其中所述下低折射率介質(zhì)層和上低折射率介質(zhì)層的折射率小于中心層的折射率。其中所述下低折射率介質(zhì)層和上低折射率介質(zhì)層的材料是玻璃或者是二氧化硅。其中所述下、上金屬層及介質(zhì)層的形狀是圓形、橢圓形、正方形或者是矩形。其中所述納米三明治結(jié)構(gòu)的工作波長(zhǎng)，覆蓋紅外到遠(yuǎn)紅外波段。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明提供的這種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其基本思想是在上下金屬與介質(zhì)層之間加入新的低折射率介質(zhì)層，通過(guò)抑制納米三明治腔體非輻射損耗的途徑，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子。這種新型的納米三明治結(jié)構(gòu)能夠有效地提高納米三明治腔內(nèi)磁性等離子體模式品質(zhì)因子，改良等離子體模式損耗狀況。2、本發(fā)明提供的這種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，金屬介質(zhì)層間加入的低折射率材料層對(duì)金屬吸收損耗的抑制能夠有效平衡由于低折射率材料層加入導(dǎo)致的納米三明治結(jié)構(gòu)輻射損耗的增加，在整體上改善納米三明治結(jié)構(gòu)損耗狀況，提高等離子體模式Q值。3、本發(fā)明提供的這種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，金屬介質(zhì)層間加入的低折射率材料層能夠有效地降低金屬材料同介質(zhì)材料分子界面的非輻射淬火效應(yīng)，進(jìn)而有效地抑制由金屬材料帶來(lái)的吸收損耗，提高納米三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)磁性等離子體模式Q值，特定結(jié)構(gòu)下可實(shí)現(xiàn)Q值高達(dá)34%的提高。4、本發(fā)明提供的這種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，金屬介質(zhì)層間加入低折射率材料層的思路，適用范圍廣，可用于同類等離子體器件的性能改善。5、本發(fā)明提供的這種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，采用普遍的各類薄膜生長(zhǎng)、半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)方法加工制作，可重復(fù)性好，器件制作工藝簡(jiǎn)單。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下傳統(tǒng)金屬-介質(zhì)-金屬納米三明治結(jié)構(gòu)示意圖以及產(chǎn)生磁性等離子體諧振的激勵(lì)源電磁場(chǎng)偏振方式，xyz坐標(biāo)中心原點(diǎn)位于納米三明治結(jié)構(gòu)幾何中心。圖2(a)為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)示意圖，圖 2(b)為本發(fā)明提供的納米三明治結(jié)構(gòu)參數(shù)，a為金屬層厚度、b為介質(zhì)層厚度、d為低折射率介質(zhì)層厚度，C為X = 0剖面邊長(zhǎng)，xyz坐標(biāo)中心原點(diǎn)位于納米三明治結(jié)構(gòu)幾何中心。圖3為本發(fā)明提供的納米三明治內(nèi)磁性等離子體模式品質(zhì)因子Q隨低折射率介質(zhì)層厚度d的變化情況。圖4為本發(fā)明提供的新型與傳統(tǒng)納米三明治內(nèi)磁性等離子體模式品質(zhì)因子Q隨介質(zhì)層總厚度變化的比較情況。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了這種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，是通過(guò)在納米三明治結(jié)構(gòu)是在上下金屬與中心層之間加入新的上、下低折射率介質(zhì)層，進(jìn)而抑制納米三明治腔體非輻射損耗，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子如圖1所示，本發(fā)明提供一種增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，包括一下金屬層10，金屬層10可以是金、銀等各類金屬材料；一介質(zhì)層11，該介質(zhì)層11制作在下金屬層10上，所述介質(zhì)層11包括—下低折射率介質(zhì)層111，下低折射率介質(zhì)層可以是相比中心層折射率較低的各類介質(zhì)材料；一中心層112，該中心層112制作在下低折射率介質(zhì)層111上，所述中心層112的材料是硅、砷化鎵或磷化銦等各類材料；一上低折射率介質(zhì)層113，該上折射率介質(zhì)層113制作在中心層112上，上低折射率介質(zhì)層可以是相比中心層折射率較低的各類介質(zhì)材料；其中所述下低折射率介質(zhì)層111和上低折射率介質(zhì)層113的折射率小于中心層 112的折射率；其中所述下低折射率介質(zhì)層111和上低折射率介質(zhì)層113的材料是玻璃或者是二氧化硅；一上金屬層12，該上金屬層12制作在介質(zhì)層11上，金屬層可以是金、銀等各類金屬材料；其中所述下、上金屬層10、12及介質(zhì)層11的形狀是圓形、橢圓形、正方形或者是矩形等各類圖形；其中所述納米三明治結(jié)構(gòu)的各層厚度、長(zhǎng)度在幾十到幾百納米范圍內(nèi)；其是通過(guò)降低納米三明治腔體的非輻射損耗的途徑，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子；其中所述納米三明治結(jié)構(gòu)的工作波長(zhǎng)，覆蓋紅外到遠(yuǎn)紅外波段；該類新型納米三明治結(jié)構(gòu)，可用于克服衍射極限的極小尺度激光器、波導(dǎo)以及高度集成化的光學(xué)集成芯片的制作；其中所述增強(qiáng)金屬_介質(zhì)-金屬類的納米三明治品質(zhì)因子的新型結(jié)構(gòu)，所述設(shè)計(jì)方案可適用于各種形狀及材料的該類金屬_介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)。實(shí)施例請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下傳統(tǒng)的增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)示意圖，xyz坐標(biāo)中心原點(diǎn)位于納米三明治結(jié)構(gòu)幾何中心，金屬層材料為金，服從德魯?shù)律㈥P(guān)系，色散參數(shù)等離子體頻率ωρ= 1.37X1016rad/S、阻尼衰減頻率ωτ =40. 69X1012rad/so納米三明治結(jié)構(gòu)介質(zhì)層材料折射率為3. 4(可選用磷化銦等各類半導(dǎo)體材料)，外部環(huán)境為空氣。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)示意圖，xyz坐標(biāo)中心原點(diǎn)位于納米三明治結(jié)構(gòu)幾何中心，金屬層材料為金，服從德魯?shù)律㈥P(guān)系。納米三明治結(jié)構(gòu)介質(zhì)層材料折射率為3. 4，低折射率介質(zhì)層材料折射率為1. 5(可選用二氧化硅等材料)，外部環(huán)境為空氣。a為金屬層厚度，b為介質(zhì)層厚度，d為低折射率介質(zhì)層厚度，c為χ = 0剖面邊長(zhǎng)。如圖3所示，圖3為本發(fā)明提供的納米三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生磁性等離子振蕩的激勵(lì)方式以及磁性等離子體模式特性。磁性等離子體振蕩產(chǎn)生后，兩金屬層將會(huì)產(chǎn)生感生電流， 磁場(chǎng)主要集中在兩金屬層中間的介質(zhì)層中。本實(shí)例的計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示，圖4為本發(fā)明提供的新型納米三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)磁性等離子體模式品質(zhì)因子Q隨低折射率介質(zhì)層厚d的變化情況，其中a = 50nm, b = 50nm, c = 200nm(該圖為時(shí)域有限差分方法模擬結(jié)果)，如圖所示當(dāng)d小于5nm時(shí)，低折射率介質(zhì)層厚度還不能有效抑制金屬吸收損耗，隨著d的增加，等離子體模式Q值增加；當(dāng)d大于 5nm后，低折射率層厚度已經(jīng)足夠抑制金屬吸收損耗，而更大的增加層厚d將增加等離子體模式的輻射損耗，進(jìn)而使模式Q值降低。兩類損耗機(jī)制之間的平衡決定了特定的納米三明治結(jié)構(gòu)需要特定的低折射率介質(zhì)層厚來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的Q值增強(qiáng)。如圖5所示，圖5為本發(fā)明提供的新型與傳統(tǒng)納米三明治內(nèi)磁性等離子體模式品質(zhì)因子Q隨介質(zhì)層總厚度變化的比較情況，其中a = 50nm, c = 200nm，低折射率介質(zhì)層厚度d = 5nm,介質(zhì)層厚度b由30變化到70nm，(該圖為時(shí)域有限差分方法模擬結(jié)果)。低折射介質(zhì)層加入后，納米三明治結(jié)構(gòu)Q值得到了較大提升，例如當(dāng)介質(zhì)層總厚度為40nm時(shí)，新型結(jié)構(gòu)的Q值為45. 2，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)Q值33. 7高出34%，而介質(zhì)層總厚度由50增加到80nm 的所有的新型結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)擁有更高的Q值。由本實(shí)例可知，該類新型納米三明治結(jié)構(gòu)能夠有效改良等離子體模式損耗狀況，提高模式品質(zhì)因子Q。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，包括一下金屬層；一介質(zhì)層，該介質(zhì)層制作在下金屬層上； 一上金屬層，該上金屬層制作在介質(zhì)層上；其是通過(guò)降低納米三明治腔體的非輻射損耗的途徑，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述介質(zhì)層包括一下低折射率介質(zhì)層；一中心層，該中心層制作在下低折射率介質(zhì)層上； 一上低折射率介質(zhì)層，該上低折射率介質(zhì)層制作在中心層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述下金屬層和上金屬層的材料是金、銀、鉛或者是銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述中心層的材料是硅、砷化鎵或磷化銦。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述下低折射率介質(zhì)層和上低折射率介質(zhì)層的折射率小于中心層的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述下低折射率介質(zhì)層和上低折射率介質(zhì)層的材料是玻璃或者是二氧化硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述下、上金屬層及介質(zhì)層的形狀是圓形、橢圓形、正方形或者是矩形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)納米三明治結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，其中所述納米三明治結(jié)構(gòu)的工作波長(zhǎng)，覆蓋紅外到遠(yuǎn)紅外波段。
全文摘要
一種增強(qiáng)納米三明治品質(zhì)因子的結(jié)構(gòu)，包括一下金屬層；一介質(zhì)層，該介質(zhì)層制作在下金屬層上；一上金屬層，該上金屬層制作在介質(zhì)層上；其是通過(guò)降低納米三明治腔體的非輻射損耗的途徑，提高納米三明治腔體品質(zhì)因子。
文檔編號(hào)B32B15/04GK102166845SQ201110022
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者付非亞, 劉安金, 周文君, 晏新宇, 王宇飛, 鄭婉華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所