1 引言

频率选择表面(FSS)可分为被动FSS和主动FSS^[1]。相比被动FSS,主动FSS能实现可调控谐振,可灵活适应复杂多变的电磁环境。目前,常用的主动式FSS是在被动FSS结构中加入有源器件、使用电磁特性可变的介质材料、控制不同层间的耦合方式等方法实现的。如Gu等^[2]提出了一种基于圆柱形有源FSS的电子束切换天线,通过控制PIN二极管的直流偏置电压来实现FSS的有源控制;Huang等^[3]通过机械扩展或缩小开环谐振器阵列实现可调谐有源FSS;韩鹏等^[4]研究了基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调FSS,利用电磁特性可变的铁氧体材料实现谐振可调。上述方案的优点是可通过控制开关、外加磁场、增加层数或加载电感元件等来实现FSS的主动控制。其缺点是:每个器件需单独集成,工艺十分复杂,且为集成有源器件,FSS线条需较粗,基片材料只能选用在毫米波段及小于毫米的波段上透射的有机材料,故其只能应用于大型雷达天线罩、飞机蒙皮等场合,而无法用于光学窗口上。因此,本文提出一种光控式主动FSS,利用光电导薄膜的光照导电特性控制FSS结构尺寸的变化,从而改变其中心谐振频率,实现FSS的主动调控。

光电导薄膜光电导性能的好坏取决于制作工艺。目前,常见的制备光电导薄膜的方法主要有电子束蒸发^[5]、离子束溅射^[6]、磁控溅射^[7]、脉冲激光沉积法^[8]等。针对该光控主动FSS可用于光学窗口的特点,采用真空镀膜法辅以离子浸润掺杂工艺,用电子束蒸发技术制备光电导薄膜FSS,测试并分析工艺过程中掺杂成分、退火温度及退火时间对光电导薄膜性能的影响。研究光电导薄膜FSS与金属FSS复合制作工艺,分析光照频率、光照功率对光控FSS的影响,从而完成光控主动FSS制作及其在谐振频率调控方面的研究。

2 原理分析

电磁波照射FSS时,其各个单元结构上都会产生感应电流,该感应电流的大小与FSS单元和入射电磁波耦合能量的大小有关,当FSS单元结构尺寸刚好为谐振尺寸时,感应电流具有最大值^[9]。由Munk理论^[10]可知,单元振子的谐振尺寸为入射电磁波半波长或半波长的整数倍,此时的谐振频率即为中心谐振频率。因此,当改变FSS的单元结构尺寸时,结构尺寸与入射电磁波波长的关系发生变化,则谐振点发生变化,即FSS的中心谐振频率会发生改变。

以贴片型十字交叉单元为例,具体分析不同尺寸下FSS谐振特性的变化,如图1(a)所示,十字交叉振子的长为L,宽为W,周期为P,设置W=0.5 mm,P=60 mm,介质介电常数为1,介质厚度为0.5 mm,得到长度分别为50,52,54,56,58 mm时的谐振曲线,如图1(b)所示。可以看出,FSS的中心谐振频率随单元长度的变化逐渐变化,且其他谐振特性变化均不明显。由此可知,FSS单元结构尺寸的变化可直接引起其中心谐振频率的变化。因此,通过改变FSS的单元结构尺寸来实现中心谐振频率的变化,理论上是可行的。

图 1. 贴片型十字交叉单元。 (a)单元排布方式(b)不同尺寸的谐振曲线

Fig. 1. Patch element of crossed dipoles. (a) Arrangement of elements; (b) transmission curves with different sizes

下载图片 查看所有图片

3 结构设计及仿真

以十字带通型光控主动FSS为例分析其结构特点。图2为其一个周期单元的结构示意图,a为金属膜,b为光电导薄膜,c为通光孔径。当没有光照时,镀有光电导薄膜的b区域载流子极少,趋近于绝缘状态,不对电磁波起屏蔽作用,因此此时FSS的电磁屏蔽结构等同于图2中b和c都为通光区;当有光照射时,镀有光电导薄膜的b区域载流子激增,与金属区域a形成连通导体,与金属共同起到屏蔽电磁波的作用,此时FSS的结构可等同于图2中c为通光区,即该FSS单元结构的十字形振子的长度发生了改变,从而实现了光调控FSS的中心谐振频率。

图 2. 十字带通型光控主动FSS结构

Fig. 2. Optically controlled active FSS structure of cross dipole slot-element

下载图片 查看所有图片

本文设计的光控主动FSS单元结构尺寸如图3(a)所示,单元尺寸及排布方式如图3(b)所示。

图 3. 十字带通型光控主动FSS。 (a)单元结构尺寸;(b)单元尺寸及排布方式

Fig. 3. Optically controlled active FSS of cross dipole slot-element. (a)Structure size; (b)size and arrangement of elements

下载图片 查看所有图片

采用CST电磁仿真软件,分别仿真该光控主动FSS光照前后的结构。光照前的结构长度为5 mm,光照后光电导薄膜导电,其屏蔽性质可等同或接近金属,因此在仿真时等效为金属薄膜,长度为4 mm。图4为光控主动FSS光照前后的频谱图,无光照时中心谐振频率约为23 GHz,有光照时约为28 GHz,中心谐振频率改变了近5 GHz。仿真结果表明,单元结构尺寸变化后中心谐振频率发生了明显变化,说明采用光电方法调控FSS单元结构尺寸可以实现中心谐振频率的可调节性。

图 4. 光控主动FSS光照前后的频谱图

Fig. 4. Spectra of optically controlled active FSS before and after illumination

下载图片 查看所有图片

4 光控主动FSS制作

制作光控主动FSS结构的总工艺流程(a为光电导薄膜;b为石英基片;d为金属膜)如图5所示。1)在预处理后的基片上采用电子束蒸发技术镀制适当材料配比的光电导薄膜;2)采用刻蚀技术在上述镀制好的光电导薄膜上制备所需的光电导FSS图案;3)采用光刻技术在该光电导FSS图案上制备金属FSS图案,使之与光电导FSS共同构成光控主动FSS结构,并高温处理,使光电导FSS与金属FSS形成良好的欧姆接触。

图 5. 制备光控主动FSS的工艺流程

Fig. 5. Technological process of preparing optically controlled active FSS

下载图片 查看所有图片

4.1 光电导FSS的制作

4.1.1 光电导薄膜原理

光电导薄膜的原理是光电导效应。能够发生光电导效应的半导体薄膜,在无光照时,具有极少量的热激发载流子,因而有极小的暗电导率,在电磁屏蔽领域可忽略不计;有光照时,因吸收光子而产生的光生载流子浓度较大,光照稳定情况下的光电导率^[11]为

Δσ=σ-σ0=q(ΔNnμn+ΔNpμp)=qμp(bΔn+Δp),(1)

式中:q表示电子电荷;ΔN_n表示光生电子浓度;ΔN_p表示光生空穴浓度;μ_n表示电子迁移率;μ_p表示空穴迁移率;b =μ_n/μ_p。在恒定光照下,光生载流子的产生与复合相继发生,稳定情况下的载流子浓度为

ΔNp0=gτ,(2)

式中:g为载流子产生率;τ为载流子寿命。

若入射光功率恒为P_i,V为材料体积,η为量子效率,则载流子产生率与入射光功率关系为

g=Piη/(hνV),(3)

式中:h为普朗克常数; ν为光子的频率。于是,(2)式可写为

ΔNp0=Piητ/(hνV)。(4)

可见,入射光功率P_i与恒定光照情况下光生载流子浓度ΔN_p0呈线性关系,也与光电导率Δσ呈线性关系。

4.1.2 光电导FSS制备工艺

光电导薄膜组成材料包含CdS、CdSe、CdCl₂、InCl₃、CuCl₂5种成分,通过调节CdS、CdSe的分子数比(1∶1~5∶1)可改变敏感波长,调节CdCl₂、InCl₃、CuCl₂的分子数比可改变光照与非光照条件下的方块电阻。按照材料组分配比先将高纯基材球磨混合,然后将膜料烧结,将CdS、CdSe膜料的混合均匀度提高到99%以上。采用Angstrom公司生产的EvoVac型镀膜机,用真空镀膜法辅以离子浸润掺杂工艺、电子束蒸发技术制备光电导薄膜,利用电子束将水冷坩埚中的膜料由固态加热蒸发至气态,继而蒸镀到石英基片上。然后采用离子浸润方法在薄膜内进行掺杂,即采用CdCl₂、InCl₃、CuCl₂化合物溶液对薄膜进行离子浸润,溶液的配比按照元素掺杂的物理模型进行配置。离子浸润采用超声雾化方法使溶液雾化成微小液滴,微小液滴以一定速度附着于CdS/CdSe薄膜表面发生浸润,浸润过程即是溶液中的Cl^-、In⁺、Cu²⁺向薄膜附着及内部扩散的过程。以上工艺可实现光电导薄膜制备及元素的粗掺杂,此时掺杂均匀度较差。镀制完毕,后续采用高温后处理实现元素在CdS/CdSe内部的均匀扩散掺杂。至此完成图5所示工艺过程的第一步。之后,利用有掩模光刻法进行匀胶、曝光、显影、烘烤、腐蚀后,去除表面保护胶后得到所需的光电导膜FSS,工艺流程如图6(a)所示(a为光电导薄膜;b为石英基片;c为光刻胶),样件实物如图6(b)所示(白色十字部分为背景桌面)。

图 6. 制备光电导FSS。(a)镀光导膜; (b)涂胶; (c)曝光和显影; (d)腐蚀; (e)去除保护胶; (f)样件实物图

Fig. 6. Preparation of photoconductive FSS. (a) Coating photoconductive film; (b) spin coating; (c) exposure and development; (d) corrosion; (e) cleaning the photoresist; (f) photo of sample

下载图片 查看所有图片

4.1.3 组成元素对薄膜光电性能的影响

1)CdSe含量对光电导性能的影响

CdS和CdSe两种材料的感光光谱不同,CdS材料对波长500 nm附近的绿光最敏感,而CdSe对波长700 nm附近的红光最敏感,CdS和CdSe的比例将影响光电导薄膜的感光光谱。对不同比例(分子数比)的CdS和CdSe进行光谱实验,对比结果如图7所示,对数据点拟合得到的曲线如图中红线所示。从曲线可以看出,随CdSe含量增多,感光波长呈线性增长趋势。

图 7. CdSe掺杂量对光谱响应的影响

Fig. 7. Effect of doping amount of CdSe on spectral response

下载图片 查看所有图片

2)Cu掺杂对光电导性能的影响

Cu掺杂量(指Cu的摩尔分数)对光电导性能的影响如表1所示,Cu的加入可改变光电导薄膜的亮暗方块电阻比。根据数据描绘的曲线如图8所示。可见,随Cu含量的增多,亮方块电阻增大,变化趋势较慢,但暗方块电阻持续增加,亮暗方块电阻比逐渐增大,这种趋势对于其应用较有利。

图 8. Cu掺杂量对CdS薄膜的方块电阻的影响

Fig. 8. Effect of doping mole fraction of Cu on square resistance

下载图片 查看所有图片

4.2 光电导FSS与金属FSS的复合制作

采用光刻技术在光电导薄膜相应位置上制备不同尺寸的金属FSS图案,工艺流程如图9(a)~(d)所示(a为光电导薄膜;b为石英基片;c为光刻胶;d为金属膜)。1)在预处理后的基片上用Smartcoater100匀胶机以3500 r/min的速度均匀旋涂正性光刻胶;2)采用TS-VPF32HSF-1型曝光机,在光刻胶表面根据上述十字带通型金属FSS图案进行曝光,这一步涉及光电导薄膜与金属FSS掩膜版的对准问题,利用衍射光栅同轴对准光学原理完成对准^[12]并曝光;3)将显影、烘烤后的器件放在Angstrom公司生产的EvoVac型镀膜机内镀制金属膜(根据需要选用金、银、铜、铝等导电性能较好的金属,为防止高温氧化本实验采用金属金);4)用有机溶剂(酒精、丙酮等)去除镀制在胶面上的金属膜,而镀制在基片上的金属膜得到保留,这些保留的金属膜构成FSS图案,与光电导FSS共同构成光控主动FSS,所制样件如图9(e)所示。

图 9. 制备金属FSS。(a)旋涂光刻胶; (b)曝光和显影; (c)镀金属膜; (d)去除光刻胶;(e)光控主动FSS样件实物图

Fig. 9. Preparation of metal FSS. (a)Spin coating; (b) exposure and development; (c) metal plating; (d) cleaning the photoresist; (e)sample of optically controlled active FSS

下载图片 查看所有图片

4.3 高温处理实现光电导性能

由于光电导薄膜的光电导性能和光电导薄膜与金属薄膜之间的接触性能在高温处理后方能产生,因此处理温度及退火过程不仅对光电导性能产生影响,同时也会对金属和光电导材料的欧姆接触性能产生影响。分别在JQF1100型高温实验电炉里N₂保护下进行退火,退火温度分别为725,750,775,800 ℃,退火时间为300 s,然后自然冷却并在相同光照条件下测试,得到电流I和电压V的关系如图10所示。

如图10(a)所示,未经退火的情况下,其电流只有10^-12量级,说明此时光电导膜方块电阻极大,此时材料光电导性能不佳,金属与光电材料之间未实现欧姆接触。经过退火的光电导薄膜方块电阻急剧下降,欧姆接触效果良好,在温度为750 ℃进行退火时效果最佳,最接近理想的欧姆接触。

根据以上实验也可获得退火温度与薄膜接触方块电阻的关系,如图10(b)所示。从图中可看出,随退火温度的升高,方块电阻先降低后升高,在温度为750 ℃时得到最佳接触方块电阻为5×10^-2 Ω·cm²。

图 10. 退火温度对光电导薄膜的影响。 (a)不同退火温度下的I-V对数曲线; (b)退火温度与薄膜接触方块电阻的关系

Fig. 10. Effect of annealing temperature on photoconductive thin film. (a) I-V logarithmic curves at different annealing temperatures; (b) relationship between annealing temperature and film contact square resistance

下载图片 查看所有图片

另外,退火时间对欧姆接触的效果也有较大影响。当温度为750 ℃时,分别选取退火时间为10,15,30,60 s的接触方块电阻进行测试,结果如图11(a)、(b)所示。由图可知,温度为750 ℃、退火时间为30 s时欧姆接触效果最好,合金化程度较高;退火时间短会导致合金程度有限,影响欧姆接触;退火时间长合金化过量,会向光电导薄膜内部扩散,影响光电导性能。

图 11. (a)不同退火时间的I-V曲线; (b)退火时间与薄膜接触方块电阻的关系

Fig. 11. (a) I-V curves at different annealing time; (b) relationship between annealing time and film contact square resistance

下载图片 查看所有图片

因此,将上述所制光控主动FSS在750 ℃下退火30 s,实现光电导薄膜与金属膜之间良好的欧姆接触,从而实现其良好的光电导性能。

5 性能分析与测试

5.1 轮廓测试

采用ZTM-700型精密数显测量显微镜对上述所制光控主动FSS样件的结构尺寸进行轮廓测试,结构尺寸测试结果与设计值分别为:金属FSS结构的设计尺寸长度L₁=5 mm,宽度W=1 mm,测试结果长度L'₁=5.005 mm,宽度W'=1.004 mm;光电导FSS结构的设计尺寸长度L₂=4 mm,宽度W=1 mm,测试结果长度L'₂=4.009 mm,宽度W'=1.004 mm。可见,样件的实际尺寸与设计的理论值相比误差极小,对屏蔽效果的影响可以忽略。

5.2 光照频率测试

对上述所制光控主动FSS样件进行光照频率测试,分别采用0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 μm 5种不同波长的LED对样件进行照射,用RTS-8型四探针测试仪测得样件表面亮方块电阻值,结果如图12所示。可见,采用上述材料配比制得的光电导薄膜的最佳敏感波长约为0.6 μm,与前述CdSe掺杂实验结果相匹配。

5.3 光照功率测试

实验中采用光照波长0.6 μm、光照功率平均密度分别为50,100,150,200,250,300 mW/cm²的LED测试样件中光电导薄膜的暗方块电阻和亮方块电阻,测试仪器为RTS-8型四探针测试仪,测试结果如表2所示。将亮方块电阻数据绘成曲线如图13所示。由曲线图可知,随光功率的增大,150 mW/cm²之前亮方块电阻急剧减小,150 mW/cm²之后趋于平缓。

图 12. 不同频率光照射下光电导薄膜的亮方块电阻

Fig. 12. Bright square resistance of photoconductive thin film irradiated with different frequencies light

下载图片 查看所有图片

图 13. 不同光功率下光电导薄膜的亮方块电阻

Fig. 13. Bright square resistance of photoconductive thin film irradiated with different optical powers

下载图片 查看所有图片

5.4 屏蔽效果测试

将光控主动FSS样件置于微波暗室进行测试,实验仪器有VectorStar矢量网络分析仪、南京理工大学微波实验室生产的毫米波测试仪、喇叭天线和光照功率平均密度为200 mW/cm²、波长为0.6 μm的 LED光源等,测试装置示意图如图14所示。实验变量为有、无光照的控制,测试光源采用四角照射的方式。

图 14. 测试原理图

Fig. 14. Schematic diagram of the measurement

下载图片 查看所有图片

首先在无光照条件下,由毫米波测试仪的信号发生器产生10~40 GHz的电磁波,通过发射天线输出,在自由空间中传播并经过样件,由接收天线接收信号,矢量分析仪处理数据得到无光照时的测试曲线;从上下左右4个位置均匀照射样件,示波器显示的数值发生变化,调整测试仪后,得到有光照时的测试曲线。图15为十字带通型光控主动FSS样件的测试谐振曲线。光照前中心谐振频率仿真值与测试值分别为23 GHz和23.8 GHz,光照后中心谐振频率仿真值与测试值分别为27.6 GHz和28 GHz,故测试得到的中心谐振频率及趋势与仿真基本一致,证明利用光电导薄膜实现光主动控制FSS的中心谐振频率的方法是可行的。

图 15. 测试曲线图

Fig. 15. Curves of measurement

下载图片 查看所有图片

为验证光照功率对屏蔽效果的影响,采用波长为0.6 μm、光照功率平均密度分别为50,100,150,200,250 mW/cm²的LED照射样件,测得该光控主动FSS样件的谐振曲线如图16所示。在光频率不变的情况下,随着光照功率的增加,薄膜的导电率增强,屏蔽效率增加并逐渐趋于稳定,因此对中心频率没有影响。

图 16. 光照功率对屏蔽效果的影响

Fig. 16. Effect of optical power on shielding

下载图片 查看所有图片

6 结论

提出并制作了光控主动FSS,重点研究了制作方法以及制作过程中影响其光电性能的因素。以十字带通型光控主动FSS为例,从理论上阐述了利用光电导薄膜的光照导电特性控制FSS结构尺寸变化的规律,实现了FSS结构的中心谐振频率可调。研究采用真空镀膜、电子束蒸发及光刻等技术制作光控主动FSS,结果表明:调节CdS、CdSe的分子数比(1∶1~5∶1)可改变敏感波长;调节CdCl₂、InCl₃、CuCl₂的比例可改变亮暗方块电阻比;工艺过程中退火温度为750 ℃、退火时间为30 s时欧姆接触效果最佳。分析了光照频率、光照功率等因素对其光电导性能的影响,最终选用光功率平均密度为200 mW/cm²、中心波长为0.6 μm的LED作为测试光源,测试结果表明:光照前后该光控主动FSS的中心谐振频率从23.8 GHz变为28 GHz,与仿真变化趋势基本一致。将光电导薄膜与金属FSS有效结合,通过控制光照即可对FSS谐振频率进行有效调控,与其他主动FSS相比,本器件结构简单、工艺难度小、控制方便。因此在**及工业领域将有更为广阔的应用前景。