复合调制红外人工超材料的制备及电磁特性研究

具有特殊电磁传播特性的人工超材料是当前物理学前沿研究最大的热点之一，其中，对于红外波段超材料的研究目前最有可能在实际应用方向上取得新的突破。本项目研究如何将传统的紫外、电子束曝光等传统微纳加工工艺与纳米压印、模版沉积剥离等新型纳米结构制备方法相结合，实现微、纳米尺度结构的精确加工并应用于具有复合调制功能的红外波段人工超材料的制作，研究其电磁特性的复合调制机制，并利用这种红外人工超材料实现相对应红外探测器件中的敏感元件。通过对基于复合调制红外人工超材料的制备工艺及调制特性进行探索，一方面，对纳米结构超材料微纳加工工艺的摸索，可以促进我国在纳米尺度的微纳加工能力的提高；另一方面，对复合调制红外人工超材料的电磁调制特性的研究以及基于该超材料作为传感探测元件的器件化研究，不仅可以加深我们对相关物理机制的理解，同时，这种新型传感器件在生物、医学以及安全监控等领域也具有巨大的应用潜力。

人工超材料(metamaterials)可以具备自然界材料中所不具备的超常的电磁特性，通过人工亚波长单元结构的组合，可以对电磁波传播实现可控性极高的调制，在新一代信息、传感、显示技术领域显示出了极大的研究价值与应用潜力。本项目将传统与新型微纳米结构制备方法相结合，实现微、纳米尺度高精度图案的高效加工并应用于红外波段人工超材料的制作，通过对所加工的红外超材料特异电磁特性进行测试，结合理论模拟研究其电磁特性的调制机制及传感探测机制，实现了新型的红外超材料探测器件，较好地完成了项目研究计划。主要成果包括：1）模版剥离法是一种廉价和简易的制备大面积平整金属纳米结构的方法。然而，传统的模版剥离法制备成功率较低，且对复杂并且中空纳米结构往往无能为力。我们发展了一种新的模版剥离法，利用SU-8光刻胶的高粘附力和凝固特性，通过紫外曝光/后烘工艺以及冷却辅助剥离，能够一次性在较大面积上完整地制备出具有超光滑表面的金属纳米结构，不仅能够更高效地实现红外超材料的制备，而且这种超光滑的平整表面还有利于表面等离基元的传播，能够大大增加表面等离基元的传播长度。2）开口谐振环（SRR）阵列是最著名的被广泛应用的超材料结构，而基于电磁学中的巴比涅原理所提出开口谐振环的互补结构（CSRR）同样是一种很好的电磁调控单元，然而，在近红外超材料中，巴比涅原理中金属屏无限薄和理想金属的条件不再满足，传统的利用巴比涅互补原理、通过SRR对电磁波的响应来解释CSRR的光学行为的办法已经失效，因此，我们系统地研究了纳米尺度CSRR的电磁响应机制，确认了在高频红外波段CSRR的电磁响应调制机制是表面等离基元与波导传输模式的共同作用，并基于此开发了新型的红外超材料介电环境传感器。3）红外波段是生物探测研究中非常值得关注的区域，因为许多生物分子的指纹区都位于红外区域。然而，由于制备工艺的限制，要制备尺寸为红外波长十分之一的亚波长结构还比较困难，尤其是为了获得较高的场增强，有必要将图形线宽缩小到100nm以下。我们利用电子束光刻与离子束刻蚀工艺相结合，制备了具有X形等离基元结构的红外超材料，并研究了这一结构光学特性和传感特性变化随对称性的改变，结果表明，该结构的红外超材料可以实现具有灵活调控特性的生物分子探测应用。