复合式声子晶体结构及其制备方法与流程

2021-01-28 17:01:28|

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本发明涉及声子晶体技术领域，具体涉及一种复合式声子晶体结构及其制备方法。

背景技术：

声子晶体是具有弹性波带隙特性，一种弹性常数及密度周期分布的材料或结构。在带隙频率范围内，声子晶体可以有效地抑制弹性波的传播。若只对单个传播方向上的弹性波产生抑制，带隙频率范围称为部分禁带；若对所有方向上的弹性波都产生抑制，则称为绝对禁带。声子晶体最初在1992年类比于光子晶体提出，并在随后几年得到实验上的证实。

声子晶体可以有效地抑制弹性波的传播，在减振、降噪、声功能器件、微/纳米科技、智能机器人和隐形技术等领域具有广阔的应用前景。声子晶体的尺寸达到纳米级时可以对thz的格波振动进行抑制，也就是可以对晶格的热振动进行隔离，这种声子晶体就是所谓的热声子晶体。

声子晶体根据其禁带频段分为声学声子晶体(khz)、特声波声子晶体(ghz)和热声子晶体(thz)；根据其在空间中周期性排布的维度数分为一维、二维和三维声子晶体；根据其材料组成情况分为一组元、二组元和多组元声子晶体。不同组元的声子晶体理论上可以进行不同维度上的组成，根据实际的模型和应用加以区分。

声子晶体的禁带与声子晶体的特征尺寸以及具体设计息息相关。声学声子晶体结构，其特征尺寸一般在厘米级别；特声波声子晶体结构，其特征尺寸一般在微米级别；热声子晶体结构，其特征尺寸一般在几十纳米级别。对于特定尺寸的声子晶体结构，一般只有呈现出其对应的声学禁带，无法同时具备两个或者多个跨尺度的声学禁带。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合式声子晶体结构及其加工工艺，该复合式的声子晶体结构由两种或者多种声子晶体结构组成，同时具备该两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种复合式声子晶体结构，其特征在于：由两种或者多种声子晶体结构组成，且同时具备该两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带；

当由两种声子晶体结构组成时，即所述复合式声子晶体结构由第一声子晶体结构构成；所述第一声子晶体结构内部包含有第二声子晶体结构；

当由多种声子晶体结构组成时，即所述复合式声子晶体结构由第一声子晶体结构构成；所述第一声子晶体结构内部包含有第二声子晶体结构；所述第二声子晶体结构内部包含有第三声子晶体结构和第四声子晶体结构。

作为优选方案，所述第一声子晶体结构由含有孔洞或者点柱结构的第一周期性单元组成，所述第一声子晶体结构的特征尺寸为a1,b1,c1,d1,e1；

所述第一周期性单元包含有第二声子晶体结构；

所述第二声子晶体结构由含有孔洞或者点柱结构的第二周期性单元组成，所述第二声子晶体结构的特征尺寸为a2,b2,c2,r2；

所述第二周期性单元或者包含有第三声子晶体结构和第四声子晶体结构；

所述第三声子晶体结构和第四声子晶体结构分别由含有孔洞或者点柱结构的第三周期性单元，第四周期性单元组成，所述第三声子晶体结构的特征尺寸为a3,b3,c3,r3,以及a4,b4,c4,r4。

进一步地，所述复合式声子晶体结构为沿着空间任意单一方向连续排列的一维声子晶体结构、沿着空间任意两个垂直方向连续排列的二维声子晶体结构或沿着空间任意三个互相垂直的方向连续排列的三维声子晶体结构中任一种，或者为上述三种晶体结构的自由组合。

更进一步地，所述复合式声子晶体结构的材料为半导体材料、金属材料或绝缘体材料中任一种。

更进一步地，所述第一声子晶体结构的特征尺寸为厘米到微米级别，所对应的声学禁带涵盖从khz到ghz频段；所述第二声子晶体结构的特征尺寸可为微米到纳米级别，所对应的声学禁带涵盖从ghz到thz频段。

更进一步地，所述复合式声子晶体结构中的孔洞为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种；所述点柱结构为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种。

第二方面，本发明提供一种如上述复合式声子晶体结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)准备一绝缘衬底上硅soi衬底，soi的器件层为p型重掺杂的单晶硅，电阻率≤5mohm·cm；通过热氧化或者低压化学气相沉积lpcvd工艺在soi衬底上生长30nm厚的氧化硅，再利用lpcvd工艺生长0.2-0.4μm厚的氮化硅层；

2)通过光刻工艺图形化声子晶体区域，并利用反应离子刻蚀rie或者湿法腐蚀工艺依次刻蚀soi器件层正面的氮化硅和氧化硅层，露出器件层的单晶硅；

3)利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为第二声子晶体结构的特征尺寸；

4)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化第一声子晶体结构，并利用深反应离子刻蚀drie工艺刻蚀soi器件层的多孔硅制备出第一声子晶体结构；

5)利用湿法腐蚀工艺去除soi衬底正反面的氮化硅和氧化硅，并去除soi埋层氧化硅，最后得到复合式声子晶体结构。

本发明还提供一种如上述复合式声子晶体结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)设计试样几何模型，绘制三维草图并且保存为stl格式；

2)将stl格式的模型文件导入repetierhost切片工具中对其进行切片处理，切片后会自动生成g-code文件；

3)将g-code文件导入3d打印机进行打印；若要得到更高精度，可使用微加工工艺和微组装/操控技术制备，具体制备过程为：

(1)采用微加工工艺方法，或者采用其它电化学腐蚀，可调控化学气相沉积，分子/原子操控技术，制备出含有次声子晶体结构的梁，块或者膜结构；

(2)通过微组装/操控技术将包含有次声子晶体结构的梁，块或膜结构进行组装、拼接，形成具有周期性的结构单元，最终制备出复合式声子晶体结构。

具体来说，本发明方案中的复合式声子晶体结构：

包括两种或者多种声子晶体结构：复合式声子晶体结构由主(第一)声子晶体结构构成；主(第一)声子晶体结构内部包含有次(第二)声子晶体结构；次(第二)声子晶体结构内部或包含有其它(第三，第四)声子晶体结构。

两种或者多种声子晶体结构组成一种复合式的声子晶体结构，同时具备该两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带。

主(第一)声子晶体结构由含有孔洞或者点柱等结构的主(第一)周期性单元组成，主(第一)声子晶体结构的特征尺寸为a1,b1,c1,d1,e1；a1＝b1,0.5a1≤c1≤a1，0.5a1≤d1≤0.9a1,0.5a1≤e1≤d1；

主(第一)周期性单元包含有次(第二)声子晶体结构；

次(第二)声子晶体结构由含有孔洞或者点柱等结构的次(第二)周期性单元组成，次(第二)声子晶体结构的特征尺寸为a2,b2,c2,r2；a2＝b2＝c2，0.4a2≤r2＜0.5a2；

次(第二)周期性单元包含有其它(第三，第四)声子晶体结构；

其它(第三，第四)声子晶体结构由含有孔洞或者点柱等结构的其它(第三，第四)周期性单元组成，其它(第三，第四)声子晶体结构的特征尺寸为a3,b3,c3,r3,a3＝b3＝c3，0.4a3≤r3＜0.5a3；以及a4,b4,c4,r4,a4＝b4＝c4，0.4a4≤r4＜0.5a4。

复合式声子晶体结构，其特征在于：复合式声子晶体结构可以是一维声子晶体结构、二维声子晶体结构，或者三维声子晶体结构，也可以是上述三种晶体结构的自由组合。

复合式声子晶体结构，其特征在于：复合式声子晶体结构中的孔洞可以是圆柱体、方柱体、棱柱体，球，也可以是十字柱体；点柱结构可以是圆柱体、方柱体、棱柱体，也可以是十字柱体。

复合式声子晶体结构，其特征在于：复合式声子晶体结构可以是半导体材料、金属材料，或者绝缘体材料。

复合式声子晶体结构包含有主(第一)声子晶体结构，主(第一)声子晶体结构的特征尺寸可以在厘米到微米级别，所对应的声学禁带可以涵盖从khz(声波)到ghz(特声波)频段；主(第一)声子晶体结构内部包含有次(第二)声子晶体结构，次(第二)声子晶体结构的特征尺寸可以在微米到纳米级别，所对应的声学禁带可以涵盖从ghz到thz(热)频段。因此，复合式声子晶体结构可以同时具备声波、特声波或者热频段声学禁带。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的复合式声子晶体结构，主要是利用复合式的结构设计来得到同时具备该复合式声子晶体结构所包含的两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带。该复合式声子晶体结构包含的多种声学禁带，可以同时实现减振、降噪以及隔热等应用。

特别是对于谐振式热红外传感器，复合式声子晶体既可以在谐振器工作频率段产生声子禁带降低谐振器的锚点损耗，提高谐振器的品质因子(q)，又可以在热声子频段产生热声子禁带，减小热损耗，提高谐振式热红外传感器的灵敏度和分辨率。

附图说明

图1-1：本发明中的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构示意图。

图1-2：图1-1中的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构的第一声子晶体结构单元示意图。

图1-3：图1-1中的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构的第二声子晶体结构单元示意图。

图1-1至1-3是一种典型的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构。该复合式声子晶体结构的主声子晶体结构单元是立方-方孔状。主声子晶体结构单元的立方结构的长为a1,宽为b1,高为c1，内部方孔边长为d1。主声子晶体结构的这些特征尺寸满足产生禁带的相关条件。该复合式声子晶体结构的次声子晶体结构单元是立方-球状。次声子晶体结构单元的立方结构的长为a2,宽为b2,高为c2，内部球的半径为r2。次声子晶体结构的特征尺寸满足产生禁带的相关条件。该复合式声子晶体结构的主声子晶体结构为一维声子晶体结构，次声子晶体结构为三维声子晶体结构。

图2：本发明中的二维立方-方孔状复合式声子晶体结构示意图(其主(第一)声子晶体结构单元和次(第二)声子晶体结构单元与图1-2和1-3所述的示意图相同)。

图2为一种典型的二维立方-方孔状复合式声子晶体结构。该复合式声子晶体结构的主声子晶体单元和次声子晶体单元结构与图1所述的复合式声子晶体结构的主声子晶体单元和次声子晶体单元结构相同。

图3-1：本发明中的三维立方-立方状复合式声子晶体结构示意图。

图3-2：图3-1中的一种三维立方-立方状复合式声子晶体结构的主(第一)声子晶体结构单元示意图。

图3-3：图3-1中的一种三维立方-立方状复合式声子晶体结构的次(第二)声子晶体结构单元示意图。

图3-1至3-3是本发明中的典型的三维立方-方孔状复合式声子晶体结构。该复合式声子晶体结构的主声子晶体结构单元是立方-方孔状。主声子晶体结构单元的立方结构的长为a1,宽为b1,高为c1，内部方孔边长为d1。主声子晶体结构的这些特征尺寸满足产生禁带的相关条件。该复合式声子晶体结构的次声子晶体结构单元是立方-球状。次声子晶体结构单元的立方结构的长为a2,宽为b2,高为c2，内部球的半径为r2。次声子晶体结构的特征尺寸满足产生禁带的相关条件。该复合式声子晶体结构的主声子晶体结构和次声子晶体结构均为三维声子晶体结构。

图4-1：本发明中的三维立方-十字柱孔状复合式声子晶体结构示意图。

图4-2：图4-1中的一种三维立方-十字柱孔状复合式声子晶体结构的主(第一)声子晶体结构单元示意图。

图4-3：图4-1中的一种三维立方-十字柱孔状复合式声子晶体结构的次(第二)声子晶体结构单元示意图。

图4-1至4-3为本发明中的典型的三维立方-十字柱孔状复合式声子晶体结构。

图5：实施例1的复合式声子晶体结构的具体加工工艺流程。

图5-1：热氧化或化学气相沉积方法制备氧化硅层，再利用lpcvd工艺生长氮化硅层。

图5-2：刻蚀氮化硅和氧化硅层，露出器件层的单晶硅。

图5-3：电化学腐蚀制备出三维多孔硅结构。

图5-4：刻蚀soi器件层的多孔硅制备出主(第一)声子晶体结构。

图5-5：腐蚀掉soi衬底正反面的氮化硅和氧化硅，并去除soi埋层氧化硅，最后得到复合式声子晶体结构。

图中：1-衬底硅，2-埋氧层，3-器件层硅，4-氧化硅，5-氮化硅，6-声子晶体区域。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。

实施例1：

针对图1-1中的复合式声子晶体结构，使用微加工工艺制作。实施例1中的主(第一)声子晶体结构为立方-方孔状复合式声子晶体结构，具体结构示意图如图1-1所示。整个加工过程包括：

1)准备一绝缘衬底上硅(silicon-oninsulator，soi)衬底，soi的器件层为p型重掺杂(电阻率≤5mohm·cm)的单晶硅。通过热氧化或者低压化学气相沉积(lowpressurechemicalvapordeposition，lpcvd)工艺在soi衬底上生长30nm厚的氧化硅，再利用lpcvd工艺生长0.2-0.4μm厚的氮化硅层(图5-1)。

2)通过光刻工艺图形化声子晶体区域，并利用反应离子刻蚀(reactive-ionetching，rie)或者湿法腐蚀工艺依次刻蚀soi器件层正面的氮化硅和氧化硅层，露出器件层的单晶硅(图5-2)。

3)利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为次(第二)声子晶体结构的特征尺寸(图5-3)。

4)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化主(第一)声子晶体结构，并利用深反应离子刻蚀(deepreactive-ionetching，drie)工艺刻蚀soi器件层的多孔硅制备出主(第一)声子晶体结构(图5-4)。

5)利用湿法腐蚀工艺去除soi衬底正反面的氮化硅和氧化硅，并去除soi埋层氧化硅，最后得到复合式声子晶体结构(图5-5)。

实施例2：

针对图2-1中的复合式声子晶体结构，使用微加工工艺制作。实施例2中的主(第一)声子晶体结构为立方-方孔状复合式声子晶体结构，具体结构示意图如图2-1所示。整个加工过程和实施例1相同。

实施例3：

针对图3-1中的复合式声子晶体结构，可使用激光增材制造(3d打印)制备。具体制备过程为：

1)设计试样几何模型，绘制三维草图并且保存为stl格式。

2)将stl格式的模型文件导入repetierhost切片工具中对其进行切片处理，切片后会自动生成g-code文件。

3)将g-code文件导入3d打印机进行打印。

4)针对图3-1的复合式声子晶体结构，若要得到更高精度,可使用微加工工艺和微组装/操控技术制备。具体制备过程为：