一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纳米光学薄膜技术领域，具体涉及一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

光学各向异性材料由于结构上存在对称性破却而呈现出负折射率、强光学活性、双曲特性和圆二色性等性质，因而被广泛应用于光学波导、成像、超灵敏光学传感、电磁隐身和表面增强拉曼散射等重要领域。

因此研发大规模制备光学各向异性材料的简易方法是其能够广泛应用的前提条件。目前制备光学各向异性材料的方法主要包含模板辅助电镀、堆叠电子束光刻以及电化学电镀填充多孔氧化铝模板等。上述方法涉及较多工艺流程，存在工艺繁琐、成本高等缺点。除此以外，近些年开发的单步制备各项异性材料的方法，利用了氧化物与金属之间表面能差异，从而促使金属纳米柱与氧化物基底自组装生长，制备得到光学各项异性薄膜材料。然而上述方法仍然十分依赖氧化物基底材料，且不能制备具有纳米空隙的光学各向异性材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜，制得的光学各向异性纳米结构单晶薄膜具有优良的化学与热稳定性和半导体兼容性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜，所述光学各向异性纳米结构单晶薄膜为MN单晶薄膜，且包括共格外延层和岛状外延层，且所述共格外延层的厚度≤60nm，所述岛状外延层的厚度为20～300nm，所述岛状外延层的横向长度为5-150nm。

本发明光学各向异性纳米结构单晶薄膜的制备成本低，且具有优良的化学与热稳定性和半导体兼容性。

作为优选，所述M选自Ti、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Ti合金、V合金、Zr合金、Hf合金、Nb合金、Ta合金和Mo合金中的一种。

本发明的第二个目的在于提供一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：采用溅射方法，以M作为靶材、N

本发明采用的“单步”磁控溅射法方法简单，适应于实际工业的大规模生产制造。所制备薄膜具有单晶结构及典型各向异性纳米结构(包含纳米柱及纳米墙)，且各向异性纳米结构受生长温度、合金成分、衬底类别和晶体取向所调控，而不需要模板和光刻技术。

作为优选，所述单晶衬底进行溅射前依次经过丙酮和酒精超声清洗，清洗后用氮气枪吹干。

作为优选，所述溅射过程中，单晶衬底的温度为500-800℃；

作为优选，所述N

作为优选，溅射的功率为80-120w。

作为优选，所述单晶衬底选自MgO、SrTiO

作为优选，所述单晶衬底的取向为[001]，所述岛状外延层由规则排列的四边形纳米柱组成。

作为优选，所用单晶衬底的取向为[110]，所述岛状外延层由规则排列的纳米墙组成。

作为优选，所用单晶衬底的取向为[111]，所述岛状外延层由规则排列的三角形纳米柱组成。

本发明的第三个目的在于提供一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜在各向异性光学器件、传感器、探测器和纳米发光器件中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明制备光学各向异性纳米结构单晶薄膜的成本低，且制得的光学各向异性纳米结构单晶薄膜具有优良的化学与热稳定性和半导体兼容性；

2、本发明采用“单步”磁控溅射的方法简单，适应于实际工业的大规模生产制造；

3、本发明所制备薄膜具有单晶结构及典型各向异性纳米结构(包含纳米柱及纳米墙)，且各向异性纳米结构受生长温度、合金成分、衬底类别和晶体取向所调控，而不需要模板和光刻技术，且本发明制得的薄膜具有显著光学各向异性、光学双曲特性及表面增强拉曼散射效应；

4、本发明提供了一种不依赖模板与光刻技术、大规模制备具有各向异性纳米结构的光学各项异性薄膜材料的方法，且能将上述光学各向异性薄膜将用于各向异性光学器件、传感器、探测器和纳米发光器件等领域。

附图说明

图1为本申请光学各向异性纳米结构单晶薄膜的横截面结构示意图；

图2为本申请实施例1制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的俯视测试图；

图3为本申请实施例1制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的双曲特性测试图；

图4为本申请实施例2制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的俯视测试图；

图5为本申请实施例2制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的双曲特性测试图；

图6为本申请实施例3制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的结构测试图；

图7为本申请实施例3制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的俯视测试图；

图8为本申请实施例3制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜面内各向异性表面增强拉曼散射测试图；

图9为本申请实施例4制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的横截面测试图；

图10为本申请实施例4制备的光学各向异性纳米结构单晶薄膜的双曲特性测试图。

附图标记说明：单晶衬底-11；共格外延层-12；岛状外延层-13。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

如图1所示，本发明实施例提供一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜，光学各向异性纳米结构单晶薄膜为MN单晶薄膜，且包括共格外延层12和岛状外延层13，且共格外延层12的厚度≤60nm，岛状外延层13的厚度为20～300nm，岛状外延层13的横向长度为5-150nm；

其中，根据所选薄膜为具有面心立方NaCl结构的过渡金属氮化物材料，其晶格常数为

其中，M选自Ti、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Ti合金、V合金、Zr合金、Hf合金、Nb合金、Ta合金和Mo合金中的一种。

本发明光学各向异性纳米结构单晶薄膜的制备成本低，且制得的光学各向异性纳米结构单晶薄膜具有优良的化学与热稳定性和半导体兼容性。

本发明实施例的第二个目的在于提供一种光学各向异性纳米结构单晶薄膜的制备方法具体包括如下步骤：

S1，选取MgO、SrTiO

S2，将上述单晶衬底11装载到溅射系统加热台上，先将溅射腔内的真空度抽至小于等于1*10

步骤S2中，还包括对溅射腔进行洗气，将体积分数99.999％的超纯氮气冲入溅射腔，之后抽取溅射腔至真空度小于等于1*10

在本发明实施例中，当单晶衬底11的取向为[001]时，岛状外延层13由规则排列四边形纳米柱组成。

在其他实施例中，当单晶衬底11的取向为[110]时，岛状外延层13由规则排列纳米墙组成。

在其他实施例中，当单晶衬底11的取向为[111]时，岛状外延层13由规则排列三角形纳米柱组成。

本发明采用的“单步”磁控溅射法方法简单，适应于实际工业的大规模生产制造。所制备薄膜具有单晶结构及典型各向异性纳米结构(包含纳米柱及纳米墙)，且各向异性纳米结构受生长温度、合金成分、衬底类别和晶体取向所调控，而不需要模板和光刻技术。

以下结合具体实施例对本发明的技术效果进行说明。

实施例1

一种基于光学各向异性纳米结构单晶薄膜的制备方法，其制备过程如下：

S1、选取单晶MgO(001)作为衬底,以Ti金属作为靶材；

S2、对单晶衬底11依次使用分析纯的丙酮和酒精溶液超声清洗5min，并用氮气枪吹干；

S3、将清洗后的单晶衬底11装载到溅射腔中的加热台上，并抽取真空至真空度达到1*10

S4、向真空腔中通入超纯氮气，随后启动机械泵和涡轮分子泵抽真空至1*10

S5、控制超纯氮气的流量为3.2sccm，维持氮气气压在0.005Torr。设置加热台温度为600℃，然后开启靶枪的射频电源，设置溅射功率为60W，关闭加热台前挡板，预溅射15min，随后设置溅射功率为100W,溅射时间为3小时，制备得到具有纳米柱状结构TiN基各向异性薄膜材料。

从图2可以看出，当衬底为[001]取向的单晶MgO，且将Ti作为过渡金属靶材时，在较低温度(400-600℃)所生长的TiN薄膜具有由单晶Ti四方纳米柱构成的规则形貌，且上述四方纳米柱边长方向平行于[1-10]方向，从电镜图的对比度分析，纳米柱的高度较为一致，进而对该薄膜进行椭偏光谱测试，如图3中31区域面内介电常数ε

实施例2

一种基于光学各向异性薄膜的制备方法，其制备过程如下：

S1、选取单晶MgO(001)作为衬底,以Nb金属作为靶材；

S2、对单晶衬底11依次使用分析纯的丙酮和酒精溶液超声清洗5min，并用氮气枪吹干；

S3、将清洗后的衬底装载到溅射腔中的加热台上，并抽取真空至真空度达到1*10

S4、向真空腔中通入超纯氮气，随后启动机械泵和涡轮分子泵抽真空至1*10

S5、控制超纯氮气的流量为3.2sccm，维持氮气气压在0.005Torr，设置加热台温度为500℃，然后开启靶枪的射频电源，设置溅射功率为60W，关闭加热台前挡板，预溅射15min，随后设置溅射功率为120W,溅射时间为3小时，制备得到具有纳米柱状结构NbN基各向异性薄膜材料。

图4表明当靶材为Nb过渡金属且所选衬底为MgO(001)时，NbN薄膜具有与上述TiN薄膜类似的形貌结构，但是其纳米柱尺寸更大，且纳米柱之间的间隙更小，图5椭偏光谱分析表明，NbN各向异性薄膜的双曲区间较TiN薄膜发生了明显的红移。

实施例3

一种基于光学各向异性薄膜的制备方法，其制备过程如下：

S1、选取单晶MgO(110)作为衬底,以Nb

S2、对单晶衬底11依次使用分析纯的丙酮和酒精溶液超声清洗5min，并用氮气枪吹干；

S3、将清洗后的衬底装载到溅射腔中的加热台上，并抽取真空至真空度达到1*10

S4、向真空腔中通入超纯氮气，随后启动机械泵和涡轮分子泵抽真空至1*10

S5、控制超纯氮气的流量为3.2sccm，维持氮气气压在0.02Torr，设置加热台温度为500℃，然后开启靶枪的射频电源，设置溅射功率为60W，关闭加热台前挡板，预溅射15min，随后设置溅射功率为100W，溅射时间为4小时，制备得到具有纳米柱状结构Nb

图6为当选取Nb

如图8所示，当面内偏振方向相互垂直的激光作用于图7具有纳米墙结构的Nb

实施例4

S1、选取单晶SrTiO

S2、对单晶衬底11依次使用分析纯的丙酮和酒精溶液超声清洗5min，并用氮气枪吹干；

S3、将清洗后的衬底装载到溅射腔中的加热台上，并抽取真空至真空度达到1*10

S4、向真空腔中通入超纯氮气，随后启动机械泵和涡轮分子泵抽真空至1*10

S5、控制超纯氮气的流量为3.2sccm，维持氮气气压在0.02Torr，设置加热台温度为600℃，然后开启靶枪的射频电源，设置溅射功率为60W，关闭加热台前挡板，预溅射15min，随后设置溅射功率为100W,溅射时间为4小时，制备得到具有纳米柱状结构Nb

当衬底选择为SrTiO

从上述结果可以看出，一方面，利用过渡金属氮化物构建各向异性材料，可以减少贵金属的使用，降低成本。同时，过渡金属氮化物还具备优异的化学与热稳定性和良好的半导体兼容性，适合通过“单步”溅射直接制备法，大规模制备该光学各向异性薄膜材料。另外，该光学各项异性薄膜材料，可通过生长温度、靶材组分、衬底种类和晶向对薄膜纳米结构进行精确调控，获得需要的光学各项异性性能。更重要的是，本发明不依赖模板、光刻技术，且不限于金属/氧化物复合体系，是一种简单、直接、大规模、低成本制备光学各向异性薄膜材料的新方法，上述光学各向异性薄膜将用于各向异性光学器件、传感器、探测器和纳米发光器件等领域。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。