太赫兹超材料吸收体的仿真、制备与表征

本实验的总体目标是模拟、制备并表征一种太赫兹超材料吸收器结构。首先，通过仿真确定最优的超材料吸收器设计，然后制备该优化后的结构。

接下来，使用傅里叶变换红外光谱法评估吸收体的实验性能。所制备的单波段、双波段和宽带太赫兹超材料吸收器器件在共振峰处可实现超过80%的吸收率。当与适当的传感器结合时，可用于太赫兹成像和光谱学应用。

我们正在研发的技术将能够制造小型便携式太赫兹成像系统，该系统采用超材料技术，可实现手持操作。我们希望将此类系统与气压计等传感器集成，从而实现高速、高灵敏度的设备。该技术的意义在于推动太赫兹超材料器件原型的快速设计、仿真、制备与表征。该方法不仅展示了如何制备远程医疗用超材料吸收器，还可应用于其他超材料器件与组件的设计与制备，例如滤波器、调制器、完美透镜以及隐身斗篷。

按照期刊文章方案中的模拟部分，设计具有所需吸收光谱特性的超材料吸收器。依次使用光学级丙酮和异丙醇溶液清洗硅片。首先在50摄氏度的溶剂中浸泡10分钟，然后进行超声波震荡处理。

接下来，使用电子束蒸发仪将钛和金的双层金属蒸发沉积到硅片上。需要注意的是，金属厚度必须大于目标工作频率下的趋肤深度。按照前述方法用溶剂清洗后，用移液器将 VM 651 引物滴加到样品上，并静置 20 秒。

然后以 4,000 RPM 的转速离心样品 5 秒，并在接触式加热板上于 120 摄氏度烘烤 60 秒。用移液器将聚酰胺滴加到样品上，静置 20 秒使其松弛。从冷冻箱取出后，请务必让聚酰胺恢复至室温。

这是为了保持随时间推移的填充性能。首先以500 RPM转速离心5秒，加速度为100 RPM/s，然后以500 RPM/s的加速度梯度升至6,000 RPM，持续离心60秒。随后将样品置于接触式加热板上，在140°C下烘烤5分钟。

若需制备更厚的聚酰胺薄膜，可旋涂多层或降低最终的旋涂速度。将聚酰胺在接触式加热板上于 220 摄氏度下固化 10 分钟。接着，在样品上沉积 15% 2010 型 PMMA，以 5,000 RPM 的转速旋涂 60 秒。

使用丙酮去除样品背面渗上的多余光刻胶。然后在对流烘箱中以 180 摄氏度烘烤 30 分钟。待样品冷却至室温后，将 4% 2041 PMMA 沉积到样品上，旋涂并烘烤，步骤如前所述。

现在，在 Tanner L-Edit 中设计作业文件，通过 Layout Beamer 将版图分割为多边形，最后使用基于 Java 的 Bell 软件将作业提交至电子束曝光机。在 VB6 电子束光刻系统上，以 450 micro curies per centimeter squared 的剂量编写所需的作业。

接下来，在23摄氏度下，使用体积比为1:1的甲基异丁基酮（MIBK）与异丙醇（IPA）混合溶液显影60秒。用异丙醇冲洗。然后在光学显微镜下检查图形保真度。

如果特征分辨不清，需用抗性光学级丙酮和异丙醇剥离，并重新开始。使用辉光放电等离子体清洗仪对样品进行氧等离子体清洗，随后使用电子束蒸发仪沉积20纳米的钛和150纳米的金。将样品放入盛有温热丙酮的烧杯中，置于水浴中加热至50摄氏度，持续四小时，使用移液管操作。

用温热的丙酮充分清洗样品。然后用肉眼检查样品，观察金属是否从 PMMA 存在的区域剥离。如果剥离进程较慢，将烧杯放入超声水浴中处理两分钟。

最后，在光学显微镜下检查样品。打开傅里叶变换红外光谱仪的氮气供应。按下光谱仪控制单元前面的 FIR 按钮，以开启汞弧灯。

将六微米多层分束器插入干涉仪单元的相应插槽中。接着，对光谱仪的样品室进行放气，并插入Pike 30度反射单元。将七毫米孔径光阑置于反射单元的孔径上方，并在其上方放置一块金镜。

现在将样品室抽真空至5毫巴的压力。启动opus软件，并加载用于采集30至300厘米⁻¹范围内测量数据的配置文件。确保检测器室前面的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。进行100次背景扫描以获得背景光谱。打开样品室，取出反射镜，将样品倒置放置在孔径上。

确保样品中心位于光阑中央，然后抽空样品室。接着，进行1000次样品扫描以获得样品光谱。软件会自动将样品光谱与背景光谱进行比较，样品的真实反射光谱将显示在屏幕上。

这些图展示了具有不同介电层间隔厚度的超材料吸收器的吸收光谱。厚度为7.5微米且无电环谐振结构的聚酰胺样品，在目标频率范围内最大吸收率为5%。实验数据显示，在2.12太赫兹处出现吸收峰值，吸收强度达到77%。

该结果与模拟的吸收峰值在 2.12 太赫兹处达到 81% 高度一致。此处数据来自具有相同 ERR 几何结构的 MM 吸收体，针对聚酰胺厚度从 1 到 7.5 微米的不同情况，以及介电层为 3 微米二氧化硅的吸收体。当聚酰胺厚度从 1 微米增加至 3.1 微米时，峰值吸收随之增加。

但当聚酰胺厚度超过 3.1 微米时，峰值吸收值略有下降。当聚酰胺厚度从 1 微米增加到 7.5 微米时，观察到 0.25 太赫兹的明显红移。有效介电常数和磁导率可通过 S 参数的反演从模拟数据中提取，此处所示为具有 3.1 微米厚聚酰胺间隔层的模拟超材料吸收器的结果。

在最大吸收频率处，光学常数的实部接近于零，这是实现零反射所需的条件。磁导率的虚部出现峰值，表明具有高吸收特性。FDTD 还可用于确定吸收在超材料结构内的具体位置。

这些图谱清楚地表明，大部分能量作为欧姆损耗在 ERR 层中耗散，并作为介电损耗在聚酰胺的前 500 纳米层中耗散。在此层以下，许多应用（如太赫兹光谱）需要表现出宽带太赫兹吸收的传感器。我们已开发出两种策略来实现这种宽带吸收。

第一种策略是在连续的接地平面上方的不同层中，交替堆叠金属RR层和介质层，通过不同长度的十字结构，在吸收光谱中实现多个紧密相邻的共振模式。通过调节介质层的厚度，可使多层结构在每个共振频率处与自由空间实现阻抗匹配，从而获得宽带吸收。随后，在第二种策略中，采用标准的电子束曝光对准工艺，将各层辐射结构（RS）依次精确对齐堆叠。

将四种Rs设计到单个介电层上的四色超像素中。这种器件的制备比多层吸收器简单得多。该图显示了具有指定尺寸的多层毫米吸收器的吸收光谱及模拟数据。

单层结构在5.42太赫兹处有一个单一的共振峰，此时78%的电磁辐射被吸收。相比之下，三层器件在4.08太赫兹至5.94太赫兹的宽频带范围内具有三个紧密排列的共振峰，且在此频段内吸收率高于60%。为理解该光谱特性的来源，绘制了三个共振模式在XZ平面内模拟吸收分布的谱图。这些分布清晰地表明，每个电磁谐振器（ERR）均对宽带吸收有所贡献，一旦掌握即可实现有效调控。

如果操作得当，该技术可在不到四到八小时内完成。在进行此实验流程时，重要的是要牢记在执行 fabrication 步骤时应保持系统性和一致性。观看本视频后，您将对微纳加工技术有非常全面的了解，这些技术使我们能够制造一系列电子器件和组件，包括超材料吸收器。