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。
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摘要
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。
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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。
- 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。
- 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。
- 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 arm1”和“ERR arm2”的矩形Perfect Electrical Conductor (PEC)区域，定义 0.2 μm 厚的电环谐振器，两者中心坐标均为(0,0,3.3)，但跨度分别为(10,26,0.2)和(26,10,0.2)。
- 通过左键点击Simulation添加仿真区域，并按e键编辑属性。在general tab中设置仿真时间为 20 psec。在geometry选项卡中，将中心坐标设为(0,0,0)，跨度区域设为(30,30,200)。在mesh settings选项卡中选择网格精度为 3，其余默认设置保持不变。在boundary conditions选项卡中设置仿真边界条件：x min bc 和 x max bc 选择“Anti-symmetric”，y min bc 和 y max bc 选择“symmetric”，z min bc 和 z max bc 选择“PML”（必须勾选“allow symmetry on all boundaries”）。通过再次左键点击Simulation并按e键编辑，添加一个网格覆盖区域。在general选项卡中，dx 和 dy 覆盖设为 0.5 μm，dz 覆盖设为 0.05 μm。在geometry选项卡中输入中心坐标(0,0,1.7)，跨度区域为(30,30,3.8)。注意，更小的网格尺寸（例如 dx、dy 为 0.1 μm）将提高仿真精度，但会显著增加 CPU 内存占用和仿真时间。建议先使用较大网格尺寸进行仿真，待获得所需性能的结构后，再用较小网格尺寸重新仿真。
- 通过左键点击sources旁边的箭头并选择plane wave，定义光源类型。按e键编辑光源属性，在general选项卡中将传播方向改为 backward。在geometry选项卡中输入中心坐标(0,0,90)，跨度区域为(35,35,0)。注意，z 方向的跨度不可修改。在frequency/wavelength选项卡中设置仿真的最小和最大频率：最小频率设为 1 THz，最大频率设为 4 THz，并确保窗口右下角信号随时间变化图中的脉冲在 20 psec 前充分衰减至零。
- 左键点击Monitors旁边的箭头，选择frequency-domain field profile。按 e 键编辑监测器属性，在monitor name窗口中输入“r95”。在geometry tab中输入中心坐标(0,0,95)，跨度区域为(30,30,0)。重复操作，创建第二个名为“t95”的frequency-domain field profile监测器，中心坐标为(0,0,-95)，跨度为(30,30,0)。左键点击Monitors旁边的箭头，选择global properties。在frequency/power profile选项卡的频率点窗口中输入 100。图 2 显示了完成步骤 1.1–1.6 后 Lumerical 中显示的透视图。通过左键点击顶部工具栏中Check图标旁边的箭头并选择check simulation memory requirements，检查仿真内存需求是否与您的计算机兼容。将文件保存为适当名称，例如“Jove.sim”。
- 通过左键点击Run图标运行仿真。
- 仿真完成后，在script prompt窗口中输入以下内容。注意，您也可以在文本编辑器中输入以下文本，并将其保存为 .lsf 文件。然后通过左键点击Run旁边的箭头，选择script，再定位到您计算机上保存的脚本文件来运行该脚本。注意，# 符号表示注释。
load("Jove_sim"); # 加载仿真文件
f = getdata("r95","f"); # 从 r95 监测器获取反射数据和频率数据
R = transmission("r95"); # 将 R 定义为包含反射数据的矩阵
A = 1-R; # 计算吸收率
fthz=f/1e12; # 将频率转换为 THz
plot(fthz,A,R,"频率(THz)","吸收率","反射率"); # 在单个图中绘制数据
legend("吸收率","反射率");
filename = "Jove_sim.csv"; # 导出数据以供 Excel 导入
rm(filename); # 如果文件已存在，则删除该文件
lambda = c/f; # 将频率转换为波长
for(i=1:length(lambda)) {
write(filename,num2str(f(i)) + "," +
num2str(fthz(i)) + "," +
num2str(R(i)) + "," +
num2str(A(i)) + "," );
} # 以列格式输出包含频率、反射率和吸收率的 .csv 文件
2. 单频带太赫兹超材料吸收器的制备
图3展示了最重要的制备步骤。
- 将一块15 mm × 15 mm的硅片依次在50 °C的温热光学清洗剂、丙酮和异丙醇中进行清洗，每次清洗后使用超声波振荡；在开始处理前，先将盛有溶剂的烧杯加热10分钟。注意：该方案也可用于在直径为4英寸的晶圆上同时制备多个器件。
- 使用Plassys 450 MEB电子束蒸发仪在15 mm × 15 mm的硅片上蒸镀20 nm/100 nm的Ti/Au双层金属（图3，步骤1）。注意：金属层厚度必须大于器件工作频率下的趋肤深度。
- 按照第2.1节所述方法对样品进行清洗。
- 使用移液枪将VM651底涂剂滴加到样品表面，静置20秒使其流平。以4,000 rpm转速旋涂5秒，随后在接触式热板上120 °C烘烤60秒。
- 从冰箱中取出杜邦PI2545聚酰亚胺溶液，将瓶体静置20分钟至室温。此步骤至关重要，因为若从冰箱取出后立即打开瓶盖，会导致瓶内结露，从而影响聚酰亚胺薄膜性能。使用移液枪将PI2545滴加至样品表面，静置20秒使其流平。采用两步旋涂程序进行旋涂：(i) 最终转速500 rpm，加速度100 rpms-1，旋涂时间5秒；(ii) 最终转速6,000 rpm，加速度500 rpms-1，旋涂时间60秒。随后在接触式热板上140 °C烘烤5分钟（图3，步骤2）。若需更厚的聚酰亚胺薄膜，可旋涂多层或降低最终旋涂转速。为获得厚度约为3 μm且边缘凸起较小的聚酰亚胺薄膜，可按照上述工艺旋涂三层PI2545。
- 在接触式热板上220 °C条件下对聚酰亚胺进行固化10分钟。固化后，PI2545将对大多数溶剂和酸具有抗性，仅可通过氧等离子体去除。可将PI2545旋涂于一块假硅片上，按上述条件固化后，通过刮擦聚酰亚胺薄膜并使用DEKTAK表面轮廓仪测量台阶高度来确定薄膜厚度。
- 在样品表面旋涂15%的2010型聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。以5,000 rpm转速旋涂60秒，随后在对流烘箱中180 °C烘烤30分钟。烘烤前，使用丙酮去除样品背面爬升的多余光刻胶。从烘箱中取出样品，冷却至室温（约5分钟）。随后在样品表面旋涂4%的2041型PMMA，以5,000 rpm转速旋涂60秒，并在对流烘箱中180 °C烘烤60分钟（图3，步骤3）。烘烤前，使用丙酮去除样品背面爬升的多余光刻胶。
- 使用Vistec VB6电子束曝光系统进行图形曝光，剂量设定为450 μC/cm2。图形文件在Tanner L-Edit中设计，通过Layout Beamer软件分割为多边形，最终通过基于Java的BELLE软件提交至电子束曝光系统。
- 在23 °C条件下，将样品置于1:1比例的MIBK:IPA显影液中显影60秒（图3，步骤4）。随后在异丙醇烧杯中进行漂洗。在光学显微镜下检查图形保真度。若图形分辨率不佳，使用光学清洗剂、丙酮和异丙醇去除光刻胶，从步骤2.2重新开始。
- 使用Gala Plasmaprep5等离子清洗机，在0.1 mbar气压和50 W射频功率下，以O2等离子体去胶1分钟。随后使用Plassys 450 MEB电子束蒸发仪蒸镀20 nm Ti和150 nm Au（图3，步骤5）。
- 将样品放入盛有温热丙酮的烧杯中，并将烧杯置于50 °C的热水浴中。4小时后，将烧杯从水浴中取出，使用移液枪吸取部分温热丙酮，均匀喷洒于样品表面（图3，步骤6）。肉眼观察样品，确认金属是否已从PMMA存在的区域剥离。若剥离过程缓慢，可将烧杯放入超声水浴中处理2分钟。最后在光学显微镜下检查样品。
- 本方案描述了单频段太赫兹吸收器的制备流程，但通过重复步骤2.3–2.11，并在聚酰亚胺层上堆叠多个十字结构，可制备多层级双频段或宽带吸收器。
3. 单波段太赫兹超材料吸收器的表征
图 4 展示了基本的傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）仪器布局。
- 打开氮气供应至 IFS 66V/S 傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪。按下光谱仪控制单元前面的“FIR”按钮以开启 Hg 弧光灯。灯功率稳定约需 15 分钟。将 6 μm 多层分束器插入干涉仪单元的相应插槽中。
- 打开光谱仪的样品室，插入PIKE 30°反射单元。将4 mm孔径光阑置于反射单元的孔径上方，再将金镜放置于其上。4 mm孔径用于确定待测样品的检测区域，而金镜则用于进行背景测量。
- 抽空样品室，并等待压力降至5 mbar。光谱仪可在氮气吹扫环境中运行，但与真空条件相比，信号强度通常会下降至不足20%。
- 启动 OPUS 软件并加载配置文件（设备安装时设置），用于进行 30 cm 处的测量-1 至 300 cm-1 范围（1-9 THz）。该文件设置多个光谱仪参数，如扫描仪速度、光源孔径、光源类型、数据采集方法和傅里叶变换执行模式。确保探测器舱前端的LED灯呈绿色闪烁，表明扫描仪正在运行。检查干涉图的形状是否符合预期。
- 运行100次背景扫描以获得背景光谱。
- 打开样品室，取下镜片，将样品倒置并放置在光圈上，确保样品中心位于光圈中央。抽空样品室。
- 运行 1,000 次样品扫描以获取样品光谱。将样品光谱与背景参考光谱进行比较，得到样品的最终反射光谱。注意，如果到达检测器的信号较弱，可能需要增加样品扫描次数以降低噪声例如 10,000 次扫描）。应重复进行样品扫描，以确保所测数据可靠且一致。
- 扫描完成后，数据可转换为文本文件并进行离线分析。由于样品具有连续的接地平面，因此无透射，吸收谱可通过从1中减去反射率得到。
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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...
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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...
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
本工作由工程与物理科学研究委员会资助，资助编号为EP/I017461/1。我们还希望感谢詹姆斯·瓦特纳米制造中心技术人员所做出的贡献。
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材料
| 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 |
参考文献
- Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans. Microw. Theory. 47, 2075-2084 (1999).
- Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Microw Theory. 47, 2075-2084 (1999).
- Smith, D. R., Padilla, W. J., Vier, D. C., Nemat-Nasser, S. C., Schultz, S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys. Rev. Lett. 84, 4184-4187 (2000).
- Dolling, G., Wegener, M., Linden, S. Realization of a three-functional-layer negative-index photonic metamaterial. Opt. Lett. 32, 551-553 (2007).
- Zhang, S., et al. Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials. Phys. Rev. Lett. 95, 137404(2005).
- Linden, S., et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science. 306, 1351-1353 (2004).
- Landy, N. I., et al. Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging. Phys. Rev. B. 79, 125104-12 (2009).
- Gokkavas, M., et al. Experimental demonstration of a left-handed metamaterial operating at 100 GHz. Phys. Rev. B. 73, 193103(2006).
- Smith, D. R., Kroll, N. Negative refractive index in left-handed materials. Phys. Rev. Lett. 85, 2933-2936 (2000).
- Wiltshire, M. C. K., et al. Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging. Science. 291, 849-851 (2001).
- Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
- Kabashin, A. V., et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing. Nat. Mater. 8, 867-871 (2009).
- Dolling, G., Enkrich, C., Wegener, M., Soukoulis, C. M., Linden, S. Low-loss negative-index metamaterial at telecommunication wavelengths. Opt. Lett. 31, 1800-1802 (2006).
- Schurig, D., et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
- Chen, H. T., et al. Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials. Nat. Photonics. 2, 295-298 (2008).
- Ma, Y., Khalid, A., Saha, S. C., Grant, J. P., Cumming, D. R. S. THz band pass filter on plastic substrates and its application on biological sensing. IEEE Photonics Society Winter Topicals Meeting Series. , 50-51 (2010).
- Grant, J., et al. Polarization insensitive terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 1524-1526 (2011).
- Ma, Y., et al. A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 945-947 (2011).
- Grant, J., Ma, Y., Saha, S., Khalid, A., Cumming, D. R. S. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 3476-3478 (2011).
- Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photon. 1, 97-105 (2007).
- D. Schurig, J. J. M., Justice, B. J., Cummer, S. A., Pendry, J. B., Starr, A. F., Smith, D. R. Microwave Cloaking Realized. Science. 314, 889(2006).
- Padilla, W. J., et al. Electrically resonant terahertz metamaterials: Theoretical and experimental investigations. Phys. Rev. B. 75, 041102(2007).
- Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys. Rev. E. 71, (2005).
- Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R., Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 207402(2008).
- Hao, J. M., et al. High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial. Appl. Phys. Lett. 96, 251104(2010).
- Chen, H. T. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt. Express. 20, 7165-7172 (2012).
- Lee, A. W. M., Hu, Q. Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array. Optics Letters. 30, 2563-2565 (2005).
- Thermo Nicolet Corporation. An Introduction to Fourier Transform Infared Spectroscopy. , (2001).
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重印与许可
