柔性红外吸波材料的设计及制备

牛健宗,刘彦宁,周佩珩

(电子科技大学 电子科学与工程学院 国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心,四川 成都 610000)

目前红外吸波材料在红外热成像、红外探测、红外致冷等方面都有广泛的研究。例如,Liu等[1]利用红外吸波材料的选择发射特性成功实现了红外热成像。Liu等[2]利用红外吸波材料的等离子体光学特性成功实现了一种对介质环境敏感的等离子体探测器。Hossain等[3]利用红外吸波材料的选择发射特性成功实现了在白天阳光照射下,材料的表面温度比环境温度低9 K。同时随着红外吸波材料的发展、微细加工工艺的进步,人们越来越多地开始关注柔性红外吸波材料。例如,Zhao等[4]通过在柔性基底上光刻并沉积不同尺寸但中心重合的金属开口环结构,从而在187.5 μm处有良好的吸收效果。Jiang等[5]通过在PI这一柔性材料上设计十字形结构,从而在3.4 μm处有良好的吸收效果。

现在常用的柔性红外吸波材料制备工艺主要包含亚微米光刻以及剥离工艺,首先在硅片上制备一层有机物的牺牲层,其次在牺牲层表面制备柔性材料。以柔性材料为基材光刻出所需的图形结构,经过镀膜沉积技术获得所需结构后去除光刻胶以及牺牲层,然后以柔性材料作为介质层,在另一面做一层有图形的金属,最后得到柔性红外吸波材料[6-7]。此方法主要存在两个不足:其一是光刻的过程较多,由于制备两次光刻所以需要对准,制备流程复杂;其二是镀膜批次较多,使得制备周期加长。为了解决这一问题,本文提出了一种新的柔性红外吸波结构及其制备方法,简化了制备工艺,最终测得样品在9.4 μm处有吸收峰。

1 理论计算及仿真

目前已经有众多科研人员对电磁吸波结构的电、磁谐振吸波机理提出不同理论计算模型[8-9],本文采用Zhou等[10]提出的等效电路模型对红外吸波结构常用的磁谐振进行理论分析计算,磁谐振主要是通过上下平行的金属板图形在电磁波入射的情况下产生反向平行电流,使金属板图形在边缘处产生电荷的聚集,从而产生强电场,这一强电场与入射电场发生作用,在介质中产生一个强磁场,最终该强磁场与入射磁场发生谐振,产生电磁波的吸收作用。图1为一个典型的红外吸波材料的周期单元,其中上下两层为金属,中间为介质,L为结构的周期,D为结构的单元尺寸。当发生磁谐振时,上下两金属层边界处以及夹在中间的介质层形成两个对称的串联电容,同时上下两金属层可以看作两个串联电感,因此可以用等效电路计算谐振频点与结构尺寸之间的关系。

图1 红外吸波材料的周期单元Fig.1 The periodic unit of infrared absorbing material

图2为结构在磁谐振频点时的等效电路图,其中,Lm与Cm分别指电路的等效电感与等效电容。根据等效电路关系可得:

式中:fm是指谐振频率;μr为介质的相对磁导率;μ0为真空磁导率;εr为介质的相对介电常数;ε0为真空介电常数。若设计红外吸波材料单元结构的周期为10 μm及单元尺寸为4 μm,介质为Al2O3(相对介电常数εr为2.28,相对磁导率μr为1),C1为金属板有效长度取值0.25。最终带入公式计算得到,磁谐振频率在9 μm波长处。

图3为考虑制备工艺条件后设计的柔性红外吸波结构模型,与图1不同之处在于底层金属厚度增大,同时加入柔性基底。这是由于在制备工艺中,首先需要采用光刻工艺制备出所需图形;接着按照顶层金属、介质、底层金属的顺序镀膜;最后利用剥离工艺将结构从光刻胶上剥离下来。图3中顶层为金属Al,厚度为t1;介质为Al2O3,厚度为t2;底层为金属Al,厚度为t3。柔性基底为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)。

对图3的结构进行CST软件仿真。在高频条件下,金属Al使用Drude模型[11](等离子体频率2π×2895 THz,等离子体碰撞频率2π×15.5 THz),介质为Al2O3(相对介电常数为2.28,损耗角正切为0.04,相对磁导率为1),柔性基底为PDMS(相对介电常数为 2.78),顶层金属 Al的厚度t1为 0.1 μm, 介质 Al2O3的厚度t2为 0.2 μm, 底层金属Al的厚度t3为1.2 μm,其他参数同前。

图3 柔性红外吸波结构模型图Fig.3 The model of flexible infrared absorbing structure

图4为CST软件中结构在谐振频点的电磁场分布图,图4(a)为结构在谐振频点的电场图,可以看出此时电场集中在上下两金属层的边缘处,图4(b)为结构在谐振频点的磁场图,可以看出磁场主要集中在介质层中。这与磁谐振理论相吻合,说明此吸收效果是磁谐振引起。

图4 谐振频点结构的电磁场分布图Fig.4 The electromagnetic field of the structure at the resonant frequency point

其次对顶层金属厚度t1进行讨论。根据磁谐振原理,顶层金属的主要作用是产生等效电感以及与中间介质层结合产生等效电容。图6为CST软件中改变顶层金属厚度t1的结构吸收曲线,分析曲线得出:顶层金属厚度t1对吸收频点的影响较小;同时,该结构随着顶层金属厚度t1的增加,材料的吸收强度会先增大后减小,当金属层厚度t1为0.1 μm时,该结构在9.1 μm处有强烈的吸收峰。

图5 不同单元尺寸D下结构的吸收曲线Fig.5 The absorption curve of structure with different structure length

图6 不同顶层金属厚度t1下结构的吸收曲线Fig.6 The absorption curve of structure with different top metal thickness

最后对介质层厚度t2进行讨论,根据磁谐振原理,介质层的主要作用是产生等效电容。因此,介质厚度t2的改变将引起谐振频点以及吸收效果的改变。图7为CST软件中改变介质层厚度t2的结构吸收曲线,分析曲线得出:该结构随着介质厚度t2的增加吸收峰的位置会朝着短波方向移动;同时,该结构随着介质厚度t2的增加,材料的吸收强度会先增大后减小,当介质厚度t2为0.2 μm时,该结构在9.1 μm处有强烈的吸收峰。

图7 不同介质厚度t2下结构的吸收曲线Fig.7 The absorption curve of structure with different media thickness

2 样品制备与分析

本样品在制备的过程中主要包含光刻工艺、电子束镀膜工艺和剥离工艺。具体工艺流程如下:

第一步,对硅基片进行清洗,具体操作为:将硅基片依次放入丙酮、酒精、去离子水中,用超声机进行清洗,清洗完成后用氮气枪吹干表面,再用加热板对其进行烘干;第二步,使用甩胶机在清洗好的硅基片上旋涂一层均匀的光刻胶作为牺牲层;第三步,在牺牲层上用光刻工艺获得所需的结构周期单元;第四步,使用电子束蒸发镀膜仪,分别沉积所需的金属、介质、金属薄膜;第五步,配置PDMS,其中PDMS的基本组分、固化剂质量比为10∶1,用玻璃棒搅拌均匀后在真空下去除气泡;第六步,将步骤五中配置的PDMS倒在步骤四制备好的样品上,待PDMS自流平后放入80℃的烘箱中干燥5 h;第七步,将干燥好的样品放入丙酮中,用镊子将PDMS膜与硅基片分离,然后分别放入无水乙醇和去离子水中清洗吹干,得到柔性红外吸波材料。

在整个制作过程中,第三步在牺牲层上用光刻工艺获得所需的结构周期单元是非常关键的一步。因为光刻胶的截面做成倒梯形,才能使得顶层金属不连续,从而得到所设计的结构。这样当电磁波入射时才会在边界处聚集电荷,最终获得红外吸收效果。

图8为制作流程中第四步镀一层金属Al后在电子显微镜下观察到的截面图。可以看出由于光刻胶的截面为倒梯形,使得金属产生了断层,因此能够保证所需分层的结构制备成功。

图8 光刻胶上镀膜后的电镜图Fig.8 The electron micrograph after coating on photoresist

图9为柔性样品在光学显微镜下的表面形态图,从图中可以看出样品图形周期性明显。

图9 柔性红外吸波材料表面形态图Fig.9 Surface of flexible infrared absorbing material

图10为柔性样品使用仪器测试后的反射曲线图,从图中可以看出样品在9.4 μm处有吸收峰,与仿真结果吻合,其他峰可能是由样品表面的不平整等缺陷造成。

3 结论

本文通过磁谐振的基本理论设计了在9 μm处有吸收峰的柔性红外吸波结构,并使用CST软件分析结构尺寸对吸收效果的影响,最终发现:随着单元尺寸D增大,吸收峰向长波移动;随着金属层厚度t1增加,吸收峰向短波方向移动,且吸收效果先增大后减小;随着介质层厚度t2增加,吸收峰向短波方向移动,且吸收效果先增大后减小。之后结合光刻工艺、电子束蒸发镀膜工艺和剥离工艺制备了所设计的柔性红外吸波材料,最终通过测试在9.4 μm处有吸收峰,该结果与理论仿真能够吻合。

图10 柔性红外吸波材料吸收曲线Fig.10 Absorption curve of flexible infrared absorbing materials