太赫兹超材料吸收体的仿真、制备与表征

摘要

本方案概述了太赫兹超材料吸收器的模拟、制备与表征。此类吸收器若与适当的传感器结合，可应用于太赫兹成像与光谱学。

摘要

超材料（Metamaterials, MM）是一类人工设计的材料，具有自然界中可能不存在的特殊性质，自其独特性质首次被理论¹和实验²证实以来，已得到广泛研究。超材料可提供高度可控的电磁响应，迄今为止，已在所有具有技术意义的光谱范围内实现，包括可见光³、近红外⁴、中红外⁵、太赫兹⁶、毫米波⁷、微波⁸和无线电波⁹波段。其应用涵盖完美透镜¹⁰、传感器¹¹、通信技术¹²、隐身斗篷¹³以及滤波器^14,15等。我们近期开发了单频带¹⁶、双频带¹⁷和宽带¹⁸太赫兹超材料吸收器器件，在共振峰处吸收率可超过80%。在太赫兹频段，强频率选择性吸收器难以获得，因此超材料吸收器的概念尤为重要¹⁹。在我们的超材料吸收器中，太赫兹辐射在约λ/20的厚度内被吸收，突破了传统四分之一波长吸收器的厚度限制。超材料吸收器天然适用于太赫兹探测应用，例如热传感器；若与合适的太赫兹源（e.g. 量子级联激光器QCLs）集成，有望实现紧凑型、高灵敏度、低成本、实时的太赫兹成像系统。

引言

本方案描述了单频带和宽带太赫兹超材料吸收器的仿真、制备与表征。如图1所示，该器件由一个金属十字结构和一层位于金属接地平面顶部的介质层组成。十字形结构是电环谐振器（ERR）的一个示例^20,21，它能强烈耦合均匀电场，但对磁场的耦合可忽略不计。通过将ERR与接地平面配对，入射太赫兹波的磁场分量会在ERR中与电场方向平行的部分感应出电流。随后，可通过调节ERR的几何形状以及两个金属元件之间的距离，独立调控该结构的电响应和磁响应，并使其阻抗与自由空间相匹配。如图1(d)所示，该结构的对称性使其吸收响应不依赖于入射光的偏振方向。

....

方案

1. 单波段太赫兹超材料吸收器的仿真

模拟设置的三维视图如图2所示。

1. 使用 Lumerical FDTD 优化太赫兹超材料吸收器的透射、反射和吸收特性。所有单位均以 μm 给出。
2. 通过左键点击Materials, Add (n,k) material，输入 n 值为 1.68，k 值为 0.06，定义太赫兹聚酰亚胺材料的属性。双击“new material 1”并将其重命名为“polyimide”。注意，如果有理论或实验测得的折射率数据，可使用“add sampled data”功能来定义材料属性。
3. 绘制器件几何结构，首先绘制 0.2 μm 厚的金属接地层。在structures选项卡中选择rectangle，按e键编辑属性。在name窗口中输入“groundplane”，结构中心坐标设为(0,0,0.1)，跨度区域设为(31,31,0.2)。切换到material选项卡，选择Perfect Electrical Conductor (PEC)。重复操作以定义 3 μm 厚的聚酰亚胺介质层：在名称窗口中输入“polyimide”，中心坐标为(0,0,1.7)，跨度为(31,31,3)。最后，通过绘制两个名为“ERR....

结果

图5(a)展示了具有3.1 μm厚聚酰亚胺介电间隔层的超材料（MM）吸收体的实验测得与模拟吸收光谱。该MM结构的重复周期为27 μm，尺寸参数为K = 26 μm、L = 20 μm、M = 10 μm和N = 5 μm。还对不含ERR层的样品进行了实验测量，以确认吸收特性源于MM结构本身，而非介电材料。在所关注的频率范围内，无ERR结构的7.5 μm厚聚酰亚胺样品最大吸收率仅为5%，见图5(a)，从而验证了在共振频率处的吸收是由MM结构引起的。实验数据在2.12 THz处显示出一个吸收强度达77%的共振峰，该结果与模拟得到的在2.12 THz处81%的最大吸收值高度一致。图5(b)展示了具有相同ERR几何结构但聚酰亚胺厚度在1–7.5 μm范围内变化的MM吸收体的实验数据，以及介电层为3 μm厚SiO₂的吸收体的实验结果。当聚酰亚胺厚度从1 μm增加至3.1 μm时，峰值吸收增强；但当聚酰亚胺厚度超过3.1 μm后，峰值吸收略有下降。随着聚酰亚胺厚度从1 μm增至7.5 μm，观察到明显的0.25 THz红移。此.......

讨论

本方案描述了太赫兹超材料吸收体的模拟、制备与表征方法。在投入成本较高的制备流程之前，对这类亚波长结构进行精确模拟至关重要。Lumerical FDTD 模拟能够提供超材料吸收谱的信息，同时揭示吸收发生的位置，这些信息对于传感器的合理布置并获得最大响应至关重要。此外，Lumerical 中的优化算法可用于快速确定满足预设优值指标的合适吸收体结构。例如 频率位置、吸收峰、吸收谷、带宽等。单频段超材料吸收体的仿真、制备与表征可在24小时内完成，从而实现任意设计的快速原型开发。我们的多层宽带吸收体包含三次独立的电子束光刻步骤（其中两次为对准步骤），可在不到4天的时间内完成。我们还制备了含有SiO₂的吸收体₂ 和 Si₃N₄ ERR 与接地平面之间的绝缘区域。这些层通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积而成，厚度在 0.6 到 3 之间 μm. 吸收强度与采用聚酰亚胺介电层的器件相似，但相同厚度的吸收体在频率位置上出现了红移。

超材料的精妙之处在于其固有的可扩展性——吸收器结构已在毫米波段得.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Lumerical FDTD	Lumerical
单面抛光硅片	IDB technologies		单面抛光
Plassys 450 MEB 蒸发仪	Plassys Bestek
VM651 引发剂	Dupont
PI2545	Dupont
甲基异丁基酮	Sigma-Aldrich
异丙醇	Sigma-Aldrich
Plasmaprep5 反应室灰化仪	Gala Instrumente
VB6 UHR EWF 电子束光刻系统	Vistec
Tanner L-Edit	Tanner Inc.
Layout Beamer	GenISys Inc.
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）	Sigma-Aldrich	293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v/s FTIR	Bruker
Pike 30spec 反射单元	Pike Technologies
Hg 弧光灯	Bruker
Au 反射镜	Thor Labs	PF05-03-M01
Leica INM20 光学显微镜	Leica microsystems
6 mm 聚酯薄膜分束器	Bruker