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1 ist. Simulation eines Single Band THz Metamaterial Absorber
Eine 3D-Ansicht der Simulation Set-up wird in gezeigt, Abbildung 2.
- Lumerical FDTD wird verwendet, um die Transmission, Reflexion und Absorptionseigenschaften des Absorbers THz Metamaterial optimieren. Alle Einheiten sind in &mgr; m.
- Legen Sie die THz Polyimid Materialeigenschaften durch Linksklick Materialien, Add (n, k) Material 1,68 und Eingeben der n und 0,06 als k ist. Doppel-Linksklick auf "neues Material 1" und benennen Sie sie als "Polyimid". Beachten Sie, dass, wenn theoretische oder experimentelle Brechungsindex Daten verfügbar sind kann man " Add abgetasteten Daten ", Um die Materialeigenschaften definieren.
- Zeichnen Sie die Geometrie der Vorrichtung, beginnend mit dem 0,2 um dicke metallische Grundfläche. Im Strukturen Registerkarte wählen Rectangle Und bearbeiten Sie die Eigenschaften, indem Sie die E Taste. Input "Groundplane" in der Name Fenster (0,0,0.1) als Zentrum der Struktur-Koordinaten und (31,31,0.2) als Spannbereich. Wechseln Sie in die Material Registerkarte, und wählen Sie Perfect elektrischen Leiter (PEC). Wiederholen Sie die Definition von 3 um dicke Polyimid dielektrischen Schicht typing "Polyimid" im Namen Fenster (0,0,1.7) als Zentrum koordiniert und (31,31,3) als der Spanne. Schließlich definieren die 0,2 um dicke elektrische Ringresonator, indem zwei rechteckige Perfect elektrischen Leiter (PEC) Regionen genannt "ERR arm1" und "ERR ARM2" mit dem gleichen Mittelpunkt-Koordinaten (0,0,3.3) aber unterschiedliche Spanne Regionen (10,26,0.2) und (26,10,0.2) jeweils.
- In der Simulation Region durch Linksklick auf Simulation, Und drücken Sie E, Um die Eigenschaften zu bearbeiten. Im Registerkarte Allgemein Eingang 20 ps, wie die Simulation Zeit. Im Geometrie Registerkarte auszuwählen (0,0,0) als Zentrum koordiniert und (30,30,200) als Spanne Regionen. Im Netzeinstellungen Registerkarte wählen Sie ein Netz Genauigkeit von 3 und halten Sie die anderen Standardeinstellungen wie sie sind. Stellen Sie die Simulation Randbedingungen in der Randbedingungen Registerkarte wählen Sie "Anti-symmetrische" für x min bc und x max bc, "symmetrisch" für y min bc und y max bc und "PML" für z min bc und z max bc (die "ermöglichen Symmetrie aller Grenzen" Muss werden angekreuzt). Fügen Sie eine Mesh override Region mit der linken Maustaste erneut auf Simulation Und bearbeiten, indem Sie E. Im Allgemein Registerkarte Typ 0,5 um für die dx und dy override und 0,05 um für die dz Überschreibung. Im Geometrie Registerkarte geben Sie die Mitte-Koordinaten (0,0,1.7) und Spanne Regionen (30,30,3.8). Beachten Sie, daß eine kleinere Maschengröße ZB Dx, dy 0,1 um, steigt Simulationsgenauigkeit wenn dies auf Kosten der deutlich erhöhten CPU-Speicher und Simulation Zeit kommen wird. Es ist am besten zu simulieren Verwendung einer großen Maschenweite bis eine Struktur mit den gewünschten Eigenschaften erhalten wird und dann erneut simuliert unter Verwendung der kleineren Maschenweite.
- Legen Sie die Quell-Typ mit der linken Maustaste auf den Pfeil neben dem Quellen Und wählen Sie Ebene Welle. Drücken E Zum Bearbeiten der Quelle Eigenschaften und in der Allgemein Registerkarte ändern Sie die Richtung nach hinten. In der Geometrie Register geben die Mitte Koordinaten (0,0,90) und (35,35,0) für die Spanne Region. Beachten Sie, dass Sie nicht ändern können die z Spanne. Stellen Sie die minimale und maximale Frequenz der Simulation in der Frequenz / Wellenlänge Registerkarte. Wählen Sie ein Minimum von 1 THz und einem Maximum von 4 THz und sorgen für den Puls im Signal-Zeit-Diagramm in der unteren rechten Ecke des Fensters zerfällt zu weit vor 20 ps auf Null gesetzt.
- Linksklick auf den Pfeil neben dem Monitore Und wählen Sie Frequenzbereich Feldprofil. Drücken Sie e, um den Monitor zu bearbeiten und geben Sie "r95" in der Monitor Namen Fenster. Im Geometrie Registerkarte Geben Sie den Mittelpunkt-Koordinaten (0,0,95) und Spanne Region (30,30,0). Wiederholen Sie und erstellen Sie einen zweiten Frequenzbereich Feldprofil Monitor namens "t95" mit Zentrum Koordinaten (0,0, -95) und Spannweiten (30,30,0). Linksklick auf den Pfeil neben dem Monitore Und wählen Sie Globale Eigenschaften. Im Frequenz / Leistungsprofil Registerkarte geben Sie 100 in der Frequenz Punkten Fenster. Abbildung 2 Zeigt die perspektivische Ansicht in Lumerical nach Abschluss der Schritte 1,1-1,6 angezeigt. Überprüfen Sie die Speicheranforderungen sind kompatibel mit Ihrem Computer per Linksklick auf den Pfeil neben dem Überprüfen Sie Symbol in der oberen Symbolleiste und wählen Sie Überprüfen Simulation Speicherbedarf. Speichern Sie die Datei geben Sie einen passenden Namen wie "Jove.sim".
- Starten Sie die Simulation durch Linksklick auf die Ausführen Symbol.
- Nach Beendigung der Simulation geben Sie den folgenden in den Script-Prompt Fenster. Beachten Sie, dass man auch den folgenden Text in einem Texteditor und speichern Sie die Datei als. Lsf Datei. Das Skript kann dann durch Linksklick auf den Pfeil neben ausgeführt werden Ausführen, Auswählen Script Und dann Auffinden der Script-Datei auf Ihrem Computer gespeichert. Beachten Sie, dass die # Symbol kennzeichnet einen Kommentar.
Load ("Jove_sim"); # Lasten der Simulation-Datei F = getdata ("r95", "f"); # Bekommt die Reflexion Daten und Frequenz Daten aus dem R95-Monitor R = Übertragung ("r95"); # Defines R als Matrix, die die Reflexion von Daten A = 1-R; # Berechnet die Absorption Fthz = f/1e12; # Wandelt Frequenz THz Plot (fthz, A, R, "Frequency (THz)", "Absorption", "Reflection"); # Plot-Daten auf einer einzigen Grafik Legend ("Absorption", "Reflection");
Filename = "Jove_sim.csv"; # Export von Daten für Excel-Import Rm (filename); # Datei löschen, wenn sie bereits vorhanden ist Lambda = c / f; # Wandelt Frequenz Wellenlänge For (i = 1: length (Lambda)) {
Schreiben (filename, num2str (f (i)) + "," + num2str (fthz (i)) + "," + num2str (R (i)) + "," + num2str (A (i)) + " , ");
} # Gibt eine. Csv-Datei in der Spalte Format der Frequenz, Reflexion und Absorption
2. Herstellung eines Single Band THz Metamaterial Absorber
Abbildung 3 Zeigt die wichtigsten Fertigungsschritte.
- Reinigen einer 15 mm × 15 mm Stück Silizium in sequentieller Lösungen von warmem (50 ° C) OptiClear, Aceton und ispopropanol mit Ultraschallbewegung nach anfänglich Erwärmen der Becher mit dem Lösungsmittel für 10 min. Beachten Sie, dass dieses Protokoll auch verwendet werden, um mehrere Geräte auf einen Durchmesser von 4 Inch-Wafer herzustellen.
- Dampft ein Metall Bi-Schicht von 20 nm/100 nm Ti / Au auf der 15 mm mal 15 mm mit einer 450 Plassys MEB Elektronenstrahlverdampfer ( Abbildung 3, Stufe 1). Beachten Sie, dass die Metalldicke muss größer als die Eindringtiefe bei der gewünschten Betriebsfrequenz.
- Reinigen Sie die Probe wie zuvor in Abschnitt 2.1 beschrieben
- Dispense VM651 Primer auf die Probe mit einer Pipette und lassen für 20 sec entspannen. Spin Probe bei 4.000 rpm für 5 Sekunden und dann backen Sie auf einen Kontakt Heizplatte bei 120 ° C für 60 sek.
- Entfernen Dupont PI2545 Polyimid aus dem Gefrierfach. Erlauben 20 min für die Flasche auf Raumtemperatur kommen. Dies ist wesentlich, da beim Öffnen der Flasche direkt nach der Entnahme aus dem Tiefkühlschrank wird in Feuchtigkeit Kondensationsmittel Inneren der Flasche und Abbauen des Polyimidfilms Eigenschaften führen. Dispense PI2545 auf die Probe mit einer Pipette und ermöglichen 20 sec für sie zu entspannen. Spin Probe mit einem 2-Stufen-Spin Prozedur mit den folgenden Einstellungen - (i) Endschleuderdrehzahl 500 rpm, Beschleunigung 100 rpms -1, Endschleudern 5 Sek. (ii) Endschleuderdrehzahl 6.000 rpm, Beschleunigung 500 rpms -1, Endschleudern 60 Sekunden. Bake Probe auf einem Kontakt Heizplatte bei 140 ° C für 5 min ( Abbildung 3, Schritt 2). Wenn eine dickere Polyimidfolie erforderlich ist dann entweder Spin mehreren Schichten oder reduzieren Sie die Endschleuderdrehzahl. Ein Polyimidfilm erhalten Dicke von 3 um mit minimalem Randwulst drei Schichten PI2545 gesponnen werden unter Verwendung des obigen Protokolls.
- Cure das Polyimid auf einen Kontakt Heizplatte bei 220 ° C für 10 min. Nach dieser Kur Verfahren die PI2545 werden unempfindlich gegen die meisten Lösungsmittel und Säuren und kann nur entfernt werden, unter Verwendung von Sauerstoffplasma werden. PI2545 kann auf einen Dummy-Stück Silizium gesponnen werden, gehärtet, wie oben, und die Dicke des Films durch Kratzen der Polyimid und mit einem Dektak Oberflächenprofilometer um die Stufenhöhe gemessen gemessen.
- 15% 2010 Deposit aus Poly (methylmethacrylat), wie PMMA bekannt, auf die Probe. Spin bei 5.000 rpm für 60 sec und backen in einem Umluftofen bei 180 ° C für 30 min. Vor dem Backen zu entfernen überschüssiges Resist, hat auf der Rückseite der Probe mit Aceton eingeschlichen. Entfernen Probe aus dem Ofen nehmen und auf Raumtemperatur (~ 5 min) zu kühlen. Deposit 4% 2041 PMMA auf die Probe, drehen sich mit 5.000 rpm für 60 sec und backen in einem Umluftofen bei 180 ° C für 60 min ( Abbildung 3, Schritt 3). Entfernen Sie überschüssiges Resist, hat auf der Rückseite der Probe unter Verwendung von Aceton vor dem Backen eingeschlichen.
- Schreiben Sie den gewünschten Job auf einem Vistec VB6 Elektronenstrahlschreiber mit einer Dosis von 450 uC / cm 2. Die Job-Datei wird in Tanner L-Korrektur ausgelegt, gebrochen in Polygone nach Sitzanordnung Beamer und schließlich zu dem Strahl Drehbuch unter Verwendung der Java-basierten BELLE Software verifiziert.
- Entwickeln Sie die Probe in einer Lösung von 1:1 MIBK: IPA bei einer Temperatur von 23 ° C für 60 sec ( Abbildung 3, Schritt 4). Spülen in ein Becherglas mit Isopropanol. Untersuchen Muster Wiedergabetreue auf einem optischen Mikroskop. Wenn Funktionen sind schlecht gelöst Streifen der Widerstand in OptiClear, Aceton und Isopropanol und beginnen erneut bei 2,2.
- Descum die Probe mit O 2 Mit einem Gala Plasmaprep 5 Barrel asher für 1 min bei 0,1 mbar und 50 W RF-Leistung. Verdunsten 20 nm Ti und 150 nm Au mit einem Plassys 450 MEB Elektronenstrahlverdampfer ( Abbildung 3, Schritt 5).
- Legen Sie die Probe in ein Becherglas mit warmem Aceton und das Becherglas in ein heißes Wasserbad bei 50 ° C gehalten Nach 4 Stunden entfernen Sie die Probe aus dem Wasserbad und mit einer Pipette saugen einige der warmen Aceton und Spray großzügig auf die Probe ( Abbildung 3, Schritt 6). Untersuchen Probe mit dem Auge zu überprüfen, ob Metall Abheben von den Bereichen, wo PMMA vorhanden war. Wenn lift-off wird langsam voran stellen Becher in der Ultraschall-Wasserbad für 2 min. Untersuchen Probe unter dem Lichtmikroskop.
- Der Protokoll beschreibt die Herstellung einer einzelnen Bande THz Absorber jedoch mehrstufige Dualband-und Breitband-Absorber können durch Wiederholen der Schritte 2,3-2,11 und Stapeln mehrere Kreuze auf der Oberseite herstellen Polyimidschichten.
3. Charakterisierung eines Single Band THz Metamaterial Absorber
Abbildung 4 Zeigt die grundlegenden FTIR Instrument Layout.
- Schalten Sie die Stickstoffversorgung der IFS 66V / S Fourier Transform Infrarot (FTIR)-Spektrometer. Die Taste "FIR"-Taste auf der Vorderseite des Spektrometers Steuereinheit auf der Hg-Bogenlampe einzuschalten. Es dauert etwa 15 min für die Lampenleistung zu stabilisieren. Legen Sie die 6 um mehrschichtige Strahlteiler in den entsprechenden Steckplatz im Interferometer Einheit.
- Entlüften Probenraum des Spektrometers und legen Sie die PIKE 30 ° Reflexionseinheit. Legen Sie die 4 mm Apertur auf der Oberseite des Reflexionseinheit Blende und am Anfang dieser eine goldene Spiegel. Das 4 mm Öffnung bestimmt die Fläche der Probe, während die abgefragten Goldspiegel ist notwendig, eine Hintergrundmessung machen wird.
- Evakuieren die Probe ein und warten Sie, bis der Druck sich auf 5 mbar. Das Spektrometer kann in einer Stickstoff gespült Umgebung ausgeführt werden, jedoch wird das Signal typischerweise eine Größe auf weniger als 20% gegenüber Vakuum.
- Starten Sie die OPUS-Software und laden Sie die Konfigurationsdatei (set-up bei der Installation des Geräts) für Messungen in den 30 cm -1 Bis 300 cm -1 Bereich (1-9THz). Diese Datei enthält zahlreiche Spektrometer Parameter wie Geschwindigkeit des Scanners, Quellenöffnung, Quell-Typ, Datenerfassungsmethode und Fourier-Transformations-Ausführungsmodus. Sicherstellen, dass die auf der Vorderseite des Detektors Fach-LED blinkt grün und zeigt, dass der Scanner in Betrieb ist. Überprüfen, dass die Form des Interferogramms als erwartet.
- Run 100 Hintergrund-Scans, um den Hintergrund Spektrum zu erhalten.
- Vent Probenraum, entfernen Spiegel und Wägegut Gesicht nach unten auf die Öffnung. Sicherstellen, dass die Mitte der Probe ist in der Mitte der Öffnung. Evakuieren der Probenraum.
- Ausführen 1.000 Probe-Scans, um die Probe Spektrum zu erhalten. Die Probe wird dem Spektrum Hintergrund Referenzspektrum und dem endgültigen Reflexionsspektrum der Probe verglichen werden. Beachten Sie, dass, wenn das Signal den Detektor erreicht niedrig ist, eine größere Anzahl von Abtastungen Probe erforderlich sein, um das Rauschen zu reduzieren ( ZB 10.000 Scans). Wiederholen Probe Scans werden sollten, um sicherzustellen, dass die gemessenen Daten zuverlässig und konsistent sein.
- Daten aus der abgeschlossenen Scan kann in eine Textdatei umgewandelt und offline analysiert. Die kontinuierliche Masseebene der Probe bedeutet, dass es keine Übertragung ergo das Absorptionsspektrum durch Subtrahieren der Reflexion von 1 zu finden sind.