方法文章

模拟，太赫兹超材料吸收器的制备与表征

DOI：

10.3791/50114

⸱

2012年12月27日

 ,  , 
1School of Engineering, University of Glasgow

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

该协议概述了模拟，太赫兹超材料吸收器的制备和表征。这样的吸收剂，再加上适当的传感器时，在太赫兹成像和光谱学的应用程序。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

超材料（MM），设计的特性，可能无法在自然界中发现的人工材料，已广泛地探讨，因为其独特的性能第一的理论和实验示范2。庄家可以提供一个高度可控的电磁响应，迄今已体现在每一个技术相关的光谱范围包括光学 ，近红外，中红外，太赫兹6，毫米波，微波8和电台9个波段。应用范围包括完美的镜头，传感器11，电信12，隐形斗篷13和过滤器14,15。最近，我们已开发的单一条带16，双频段17和宽带18太赫兹超材料的吸收体的设备，能够在共振峰的吸收率大于80％。一个MM吸收的概念，是特别是包含Ÿ在太赫兹频率，它是很难找到强大的频率选择性的太赫兹吸收剂19。在我们的MM吸收剂的THz辐射被吸收在〜λ/20的厚度，克服传统的四分之一波长的吸收剂的厚度限制。 MM吸收剂自然本身太赫兹检测应用，如热传感器，如果集成了合适的太赫兹源，（ 例如量子级联激光器），可能会导致结构紧凑，高度敏感，成本低，实时太赫兹成像系统。

引言

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该协议描述了模拟，单波段和宽带太赫兹MM的吸收剂的制备与表征。的装置， 如图1中所示，由一个金属十字和一个介电层上的金属接地平面的顶部。十字形的结构的一个例子的电动环形谐振器（ERR）20,21和耦合强烈均匀电场，但可以忽略不计磁场。通过配对的ERR有一个接地平面，入射THz波的磁性组分的诱导电流的部分中的ERR是平行的方向的电场E。然后，电场和磁场的响应可以被调谐独立和自由空间匹配的阻抗的结构，通过改变ERR和两个金属元素之间的距离的几何形状。正如图1（d）中所示的结构的对称性的查询结果中的偏振不敏感吸收响应。

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方案

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1。模拟一个单波段的太赫兹超材料吸收器

。

  1. Lumerical软件FDTD用于优化传输，反射和吸收特性的太赫兹超材料吸收器。所有单位都以微米为单位。
  2. 定义的太赫兹聚酰亚胺材料的性能，通过点击来添加采样数据"定义的材料特性。
  3. 绘制的几何形状的装置，开始的0.2微米厚的金属接地平面。在结构选项卡中选择矩形 E键。输入"接地面"中的名称窗口，（0,0,0.1）结构的中心坐标（31,31,0.2）的跨度区域。移动到材料标签并选择。重复定义的3微米厚的聚酰亚胺介电层输入"聚酰亚胺"的名义窗口，（0,0,1.7）为中心坐标为（31,31,3）的跨度。最后确定的0.2微米厚电环谐振器通过绘制两个矩形区域称为"ERR ARM1"和"ERR ARM2"具有相同的中心坐标为（0,0,3.3），但不同跨度区域（10,26,0.2），和（26,10,0.2）。
  4. 添加模拟区域左键单击模拟，然后按 E编辑属性。在"常规"选项卡几何选项卡中选择（0,0,0）为中心坐标（30,30,200）的跨度地区。在网格设置"选项卡中选择一个网格精度为3，并保留其他默认设置，因为它们。在设置模拟的边界条件边界条件选项卡中选择"反对称的"X分钟bc和公元前x最大，为y分钟BC和y最大bc和"PML"（"让所有的边界"必须对称分钟BC为z和z最大BC"对称"被选中）。包括网格覆盖地区的离开再次点击模拟，然后按编辑。 E。在一般"选项卡型0.5微米的dx和dy覆盖，DZ的覆盖和0.05μm。在几何选项卡中输入的中心坐标为（0,0,1.7）和跨度地区（30,30,3.8）。需要注意的是一个较小的网眼大小例如，
  5. 定义的源类型左键单击旁边的箭头，来源，并选择平面波。按 E一般标签改变方向向后。在的几何形状"选项卡中输入的中心坐标为（0,0,90）和（35,35,0）的跨度区域。请注意，您无法修改的z范围。设置模拟中的最小和最大频率频率/波长选项卡。选择一个最小的1 THz和最多4 THz的，并确保脉冲中的信号随时间变化的曲线图在右下角窗口衰减到零之前20皮秒。
    6. 显示器，并选择。按e编辑显示器的特性，并进入"R95"监视器名称窗口。在几何"选项卡进入中心坐标（0,0,95），跨度区域（30,30,0）。重复创建第二个显示器被称为"T95"的中心坐标（0,0，-95）和跨度（30,30,0）。左键点击旁边的箭头，显示器，并选择全局属性。在频率/功率曲线选项卡中输入100个频点窗口。表示在Lumerical软件显示的透视图，在完成步骤1.1-1.6。检查内存的要求都与您的计算机兼容，通过左键单击箭头旁边的检查图标顶部的工具栏并选择检查模拟内存的要求。保存该文件，给它一个适当的名称，例如为"Jove.sim"。
  6. 运行仿真左边点击"运行图标。
    7. 脚本提示窗口。请注意，也可以在文本编辑器中输入以下文字，并保存。LSF文件的文件。然后运行该脚本可以通过点击来旁边的箭头，"运行选择脚本＃符号表示注释。

的负载（Jove_sim"）; F = getdata的（"R95"，"F"）; R =传输（"R95"）; A = 1-R; fthz J = f/1e12。文件名="Jove_sim.csv"; RM（文件名）;删除文件，如果它已经存在λ= C / F;为（i = 1:长度（λ））{
}

2。制作一个单波段的太赫兹超材料吸收器

  1. 清除一个15毫米×15毫米长的顺序解的硅在温水（50°C）OPTICLEAR，丙酮和ispopropanol的的最初加热烧杯中含有溶剂的10分钟后，用超声波搅拌。请注意，此协议也可以被用来制作几个设备到一个4英寸直径的晶片。
    2. 图3，步骤1）。请注意，所述金属的厚度必须大于在所需的工作频率的趋肤深度。
  2. 第2.1节所述清洁样品
  3. 点胶VM651底漆到样品用吸管和离开放松，持续20秒。附带样品在4,000 rpm下，持续5秒，然后在120℃下，进行60秒的接触烤盘上烤。
  4. 删除杜邦PI2545聚酰亚胺从冰箱中。允许20分钟的瓶子，以达到室温。这是至关重要的，因为开瓶直接从冰箱中取出后，会导致水分凝结在瓶子里和有辱人格的聚酰亚胺薄膜的性能。免除PI2545到样品用吸管和允许放松20秒。旋转样品使用以下设置，使用2级旋转过程 - （I），最后脱水转速500转，加速100 rpm的 -1 -1，最后脱水时间为60秒。烘烤上的接触热板在140℃下5分钟的样品（图3，步骤2）。如果需要较厚的聚酰亚胺膜，然后旋转多层或减少最终的纺丝速度。以得到聚酰亚胺膜厚度为3μm与最小的边缘珠粒三层PI2545纺丝使用上述协议。
  5. 固化的聚酰亚胺在220℃下10分钟的接触烤盘。该固化过程后的PI2545将不透水的大部分的溶剂和酸，并且只能使用氧等离子体除去。 PI2545可以纺丝到一个空片的硅，作为上述固化，和由刮伤聚酰亚胺和使用一个DEKTAK表面轮廓测量的步骤的高度测得的膜的厚度。
  6. 存款2010年15％的聚（甲基丙烯酸甲酯），被称为PMMA，在样品上。在5,000 rpm进行60秒和烘烤30分钟，在180℃下的对流烘箱中的自旋。在烘焙之前，除去任何过量的抗​​蚀剂，尽管已经对用丙酮样品的背侧。从烘箱中取出样品，并离开冷却至室温（〜5分钟）。存款4％2041 PMMA在样品上，在5,000 rpm下旋转60秒和烘烤60分钟，在180℃的对流烘箱（图3，步骤3）。除去任何过量的抗​​蚀剂，尽管已经在烘焙之前的样品的背面，用丙酮。
  7. 写入所需的作业在Vistec VB6的电子束写入使用剂量为450μC/厘米 2。工作文件的目的是在坦纳L-编辑，破碎成多边形的布局投影仪，最后提交束写入使用基于Java的BELLE软件。
  8. 发展1:1 MIBK:IPA的溶液中的样品在23℃的温度下为60秒（图3，步骤4）。在烧杯中的异丙醇冲洗。用光学显微镜检查图案逼真。如果功能很差解决剥离抗蚀剂OPTICLEAR，丙酮，异丙醇，再从2.2开始。
    9. 2桶抛光机在0.1毫巴，射频功率50 W，持续1分钟。使用PLASSYS 450 MEB电子束蒸发器，蒸发20nm的Ti和150 nm的Au（图3，步骤5）。
  9. 入温暖的丙酮的烧杯中，将样品放置到保持在50℃的热水浴中的烧杯中4小时后，从水浴中取出样品，并用移液管吸一些温暖的丙酮和喷雾宽松到样品（图3中，第6步）。用肉眼检查金属升空的地方PMMA是目前检查样品。如果剥离进展缓慢，将烧杯中的超声波水浴，持续2分钟。在光学显微镜下检查样本。
  10. 协议描述的单一条带THz的吸收体的制造，但是多级双频带和宽带吸收剂可以通过重复步骤2.3-2.11和堆叠的顶部的几个杂交产生的聚酰亚胺层。

3。表征的单波段的太赫兹超材料吸收器

图4中

  1. 打开IFS 66V / S傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪在氮气供应。按下开启汞弧灯的光谱仪控制单元的前部的"FIR"按钮。大约需要15分钟，灯的功率稳定。在干涉装置插入相应的插槽，插入多层膜分束镜的6微米。
  2. 发泄的光谱仪的样品室，并插入PIKE 30°反射单元。放置4 mm孔径的反射单元的孔的顶部，并在此之上把金镜。 4毫米的孔径确定的样品区域，将被询问，而金镜是必要的，以使背景测量。
    3. -1到300厘米 -1范围（1 9THz）。该文件将众多谱仪参数，如扫描仪的速度，源孔，源类型，数据收集方法和傅里叶变换执行方式。在前面的检测室确保LED呈绿色闪烁，表明扫描仪操作。入住的干涉图的形状，如预期的那样。
  3. "运行"背景扫描，以获得背景光谱。
  4. 排气样品室，取出镜和地方样本面朝下到光圈。确保样品的中心是在中间的开口。疏散样品室。
  5. 运行1000个样品扫描得到的样品的光谱。将被比较的样品光谱的背景参考光谱和最终得到的样品的反射光谱。请注意，如果到达检测器的信号是低的，更大数量的样品扫描可能需要，以减少噪音（例如， 10,000扫描）。重复样品扫描，以确保所测得的数据是可靠的和一致的。
  6. 从已完成的扫描的数据可以被转换成文本文件，并进行离线分析。样品的装置的连续的接地平面的吸收光谱，可以通过从1中减去反射发现没有传输麦角。

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结果

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图5（a）示出了实验获得的和模拟的吸收光谱为MM吸收剂，具有3.1微米厚的聚酰亚胺电介质隔板。这MM结构具有重复周期为27μm和尺寸K = 26微米，L = 20微米，M = 10微米和N = 5微米。还对样品进行实验测量没有ERR层确认吸收是一个后果的MM的结构，而不是在电介质。的7.5微米厚的聚酰亚胺样品与没有ERR结构5％感兴趣的整个频率范围内具有最大吸收，请参阅图5（a），从而证实，在共振频率吸收的MM的结构是一个结果。实验数据显示，吸收77％的幅度为2.12赫兹的共振峰。此结果是在良好的协议与模拟的81％的最大吸收为2.12 THz的图5（b）示出的实验数据。MM吸收剂具有相同的ERR为不同的聚酰亚胺从1-7.5微米的厚度范围为3μm的SiO 2的吸收体，其中的介电的几何。作为聚酰亚胺从1微米至3.1微米的峰值吸收的增加的厚度的增加，但在聚酰亚胺的厚度大于3.1微米，有一个轻微的减少的峰的吸收值。作为聚酰亚胺从1微米至7.5微米的厚度的增加，一个明显的红色移0.25 THz的观察。吸收剂有SiO

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讨论

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该协议描述了模拟，太赫兹超材料吸收器的制备和表征。这是必要的这样的亚波长结构准确地模拟之前的任何努力致力于昂贵的制造过程。 Lumerical软件时域有限差分模拟提供不仅MM吸收光谱上的信息，而且还吸收的位置，必要的知识，以帮助放置的换能器，并获得最大的响应。此外，该优化算法在Lumerical软件可以被实现为一个预先定义的品质因数（ 例如，频率位置，最大吸收，吸收最小，带宽等）的迅速建立一个适当的吸收体结构。在不到24小时的任何设计，从而实现快速的原型设计，仿真，制造和特性，就可以完成一个单一的带MM吸收。我们的多层宽带吸波材料由三个独立的电子束写入步骤（两个注册小号TEPS），并且可以实现在少于4天。此外，我们已制作有SiO 2和Si 3 N 4的绝缘区域之间的ERR和接地平面的吸收剂。通过PECVD淀积这些层之间的厚度范围在0.6和3微米。的吸收程度的类似设备，与聚酰亚胺然而，介电层相同的厚度的吸收体中的频率位置有一个红移位。

美的超材料是其固有的可扩展性-吸收结构已被证明毫米23区，通过红外...

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披露

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没有利益冲突的声明。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项工作是由工程和物理科学研究理事会授予数量EP/I017461/1的支持。我们也希望所扮演的詹姆斯·瓦特纳米加工中心的技术人员做出的贡献。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
的试剂/材料名称 公司 目录编号 评论
Lumerical软件FDTD Lumerical软件
硅晶片 IDB技术单面抛光
PLASSYS 450 MEB蒸发器 PLASSYS BESTEK
VM651底漆杜邦
PI2545 杜邦
甲基异丁基酮 Sigma-Aldrich公司
异丙醇 Sigma-Aldrich公司
Plasmaprep5桶灰粉晚会INSTRUMENTE
VB6 UHR EWF电子束作家 Vistec
坦纳L-编辑坦纳公司
布局投影仪 GenISys公司
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的 Sigma-Aldrich公司 293261 Sigma-Aldrich公司
IFV 66V / s的FTIR 布鲁克
派克30spec反射单元派克科技
汞弧灯布鲁克
金镜雷神实验室 PF05-03-M01
徕卡INM20光学显微镜徕卡显微系统
6毫米聚酯薄膜分束镜布鲁克

参考文献

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