Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz Metamaterial Absorber

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine Terahertz-Metamaterial-Absorberstruktur zu simulieren, herzustellen und zu charakterisieren. Führen Sie zunächst Simulationen durch, um das optimale Metamaterial-Absorberdesign zu ermitteln. Stellen Sie dann dieses optimierte Design her.

Als nächstes bewerten Sie die experimentelle Leistung des Absorbers mit Hilfe der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie. Die resultierenden Singleband-, Dualband- und Breitband-Ertz-Metamaterial-Absorberbauelemente sind in der Lage, eine Absorption von mehr als 80 % an der Resonanzspitze zu erreichen. Und wenn sie mit einem geeigneten Sensor gekoppelt sind, haben sie Anwendungen in der ertz-Bildgebung und -Spektroskopie.

Die Technologie, an der wir arbeiten, wird es uns ermöglichen, kleine, tragbare Terahertz-Bildgebungssysteme herzustellen, die durch die Arbeit an Metamaterial-Technologien, die wir mit Sensoren wie Barometern integrieren wollen, in der Hand gehalten werden. Die Auswirkungen dieser Technik erstrecken sich auf die schnelle Simulation, Herstellung und Charakterisierung von Prototypen von Terahertz-Metamaterial-Bauelementen. Diese Methode zeigt nicht nur, wie ein Metamaterial-Absorber für die Telemedizin hergestellt werden kann, sondern kann auch auf das Design und die Herstellung anderer Metamaterial-Geräte und -Komponenten wie Filter, Modulatoren, perfekte Linsen und Tarnkappen angewendet werden.

Befolgen Sie den Simulationsabschnitt im Zeitschriftenartikelprotokoll, um einen Metamaterialabsorber mit den gewünschten Absorptionsspektrumeigenschaften zu entwerfen. Reinigen Sie das Silikon in sequentiellen Lösungen aus optisch klarem Aceton und Isopropanol. Tauchen Sie das Lösungsmittel zunächst 10 Minuten lang bei 50 Grad Celsius ein und setzen Sie es dann einem Ultraschallrührwerk aus.

Als nächstes verdampfen Sie mit einem Elektronenstrahlverdampfer eine metallische Doppelschicht aus Titan und Gold auf das Silizium. Beachten Sie, dass die Metalldicke bei der gewünschten Betriebsfrequenz größer sein muss als die Hauttiefe. Nach der Reinigung mit Lösungsmitteln, wie zuvor beschrieben, den Primer VM 651 auf die Probe pipettieren und 20 Sekunden lang entspannen lassen.

Schleudern Sie dann die Probe fünf Sekunden lang bei 4.000 U/min und backen Sie sie 60 Sekunden lang auf einer Kontaktkochplatte bei 120 Grad Celsius. Pipettieren Sie das Polyamid auf die Probe und lassen Sie es 20 Sekunden lang entspannen. Denken Sie daran, das Polyamid nach der Entnahme aus dem Gefrierschrank auf Raumtemperatur kommen zu lassen.

Dies geschieht, um die Fülleigenschaften im Laufe der Zeit zu erhalten. Schleudern Sie die Probe zuerst fünf Sekunden lang bei 500 U/min mit einer Beschleunigung von 100 U/min auf die negative Stufe und fahren Sie 60 Sekunden lang auf 6.000 U/min mit einer Beschleunigung von 500 U/min auf die negative Geschwindigkeit. Anschließend die Probe auf einer Kontaktkochplatte bei 140 Grad Celsius fünf Minuten backen.

Für einen dickeren Polyamidfilm schleudern Sie mehrere Schichten oder reduzieren Sie die endgültige Schleuderdrehzahl. Härten Sie das Polyamid auf einer Kontaktheizplatte bei 220 Grad Celsius 10 Minuten lang aus. Als nächstes geben Sie 15%2010 PMMA auf den Probenspin bei 5.000 U/min für 60 Sekunden.

Entfernen Sie überschüssigen Lack, der sich auf die Rückseite der Probe eingeschlichen hat, mit Aceton. Dann im Heißluftofen bei 180 Grad Celsius 30 Minuten backen. Sobald die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt ist, 4%2041 PMMA auf die Probe geben, schleudern und wie zuvor gezeigt backen.

Gestalten Sie nun die Job-Datei in Tanner L.Bearbeiten Sie die Zerlegung in Polygone durch das Layout Beamer. Und schließlich senden Sie es mit der Java-basierten Glockensoftware an den Balkenschreiber. Schreiben Sie den gewünschten Auftrag mit einer Dosis von 450 Mikrocurie Zentimeter im Quadrat auf den VB Sechs-Elektronenstrahl-Rider.

Als nächstes entwickeln Sie die Probe in einer Eins-zu-Eins-Lösung von MIBK zu IPA bei 23 Grad Celsius für 60 Sekunden. In Isopropanol abspülen. Überprüfen Sie dann die Mustertreue mit einem optischen Mikroskop.

Wenn Merkmale schlecht aufgelöst sind, entfernen Sie das resistente optische Aceton und Isopropanol und beginnen Sie erneut. Des scumt die Probe mit Sauerstoff unter Verwendung eines Gala-, Plasmavorbereitungs-Fasslaschers und verdampft dann 20 Nanometer Titan und 150 Nanometer Gold mit einem Elektronenstrahlverdampfer. Die Probe wird in ein Becherglas mit warmem Aceton gegeben und mit einer Pipette vier Stunden lang in einem Wasserbad auf 50 Grad Celsius erhitzt.

Waschen Sie die Probe großzügig mit dem warmen Aceton. Untersuchen Sie nun die Probe mit dem Auge auf Metall, das sich von den Bereichen abhebt, in denen das PMMA vorhanden war. Wenn das Abheben langsam voranschreitet, stellen Sie das Becherglas für zwei Minuten in das Ultraschall-Wasserbad.

Untersuchen Sie abschließend die Probe unter dem optischen Mikroskop. Schalten Sie die Stickstoffzufuhr zum Fourier-Transformationsinfrarot-Spektrometer ein. Drücken Sie die FIR-Taste an der Vorderseite des Spektrometer-Steuergeräts, um die Quecksilberbogenlampe einzuschalten.

Setzen Sie den sechs Mikrometer großen Mehrschicht-Strahlteiler in den entsprechenden Schlitz in der Interferometereinheit ein. Entlüften Sie anschließend den Probenraum des Spektrometers und setzen Sie die 30-Grad-Reflexionseinheit des Pikators ein. Setzen Sie die Sieben-Millimeter-Öffnung auf die Blende der Reflexionseinheit und setzen Sie einen goldenen Spiegel darauf.

Evakuieren Sie nun das Probenfach auf einen Druck von fünf Millibar. Starten Sie die opus-Software und laden Sie die Konfigurationsdatei für Messungen im Bereich von 30 bis 300 inversen Zentimetern. Vergewissern Sie sich, dass die LED an der Vorderseite des Detektorfachs grün blinkt, um anzuzeigen, dass der Scanner in Betrieb ist.

Überprüfen Sie, ob die Form des Interferogramms den Erwartungen entspricht. Führen Sie 100 Hintergrundscans durch, um das Hintergrundspektrum zu erhalten. Entlüften Sie den Probenraum, entfernen Sie den Spiegel und legen Sie die Probe mit der Vorderseite nach unten auf die Öffnung.

Stellen Sie sicher, dass sich die Mitte der Probe in der Mitte der Öffnung befindet, und evakuieren Sie dann den Probenraum. Führen Sie als Nächstes 1000 Stichprobenscans durch, um das Stichprobenspektrum zu erhalten. Die Software vergleicht automatisch das Probenspektrum mit dem Hintergrund und das wahre Reflexionsspektrum der Probe wird auf dem Bildschirm angezeigt.

Diese Abbildungen zeigen Absorptionsspektren für Metamaterial-Absorber mit unterschiedlichen dielektrischen Spacerdicken. Die 7,5 Mikrometer dicke Polyamidprobe ohne elektrische Ringresonatorstruktur hat eine maximale Absorption von 5 % über den interessierenden Frequenzbereich. Die experimentellen Daten zeigen einen Resonanzpeak bei 2,12 Terahertz von 77% Absorptionsgröße.

Dieses Ergebnis stimmt hervorragend mit dem simulierten Absorptionsmaximum von 81 % bei 2,12 Terahertz überein. Hier werden Daten von MM-Absorbern mit der gleichen ERR-Geometrie für verschiedene Polyamiddicken von einem bis 7,5 Mikrometern und für einen Absorber generiert, bei dem das Dielektrikum drei Mikrometer Siliziumdioxid beträgt. Mit zunehmender Polyamiddicke von einem Mikrometer auf 3,1 Mikrometer nimmt die maximale Absorption zu.

Bei Polyamiddicken von mehr als 3,1 Mikrometern kommt es jedoch zu einer leichten Verringerung des maximalen Absorptionswerts. Eine deutliche Rotverschiebung von 0,25 Terahertz wird beobachtet, wenn die Polyamiddicke von einem Mikrometer auf 7,5 Mikrometer zunimmt. Die effektive Permittivität und Permeabilität kann aus den simulierten Daten durch Inversion der S-Parameter extrahiert werden, wie hier für den simulierten MM-Absorber mit einem 3,1 Mikrometer dicken Polyamid-Abstandhalter gezeigt.

Die realen Teile der optischen Konstanz kreuzen sich nahe Null, eine Bedingung, die für eine Nullreflexion bei der Frequenz der maximalen Absorption erforderlich ist. Es gibt einen Peak der imaginären Komponente der Permeabilität, was eine hohe Absorption impliziert. Erl. FDTD kann auch verwendet werden, um den Ort der Absorption innerhalb der MM-Struktur zu bestimmen.

Diese Diagramme zeigen deutlich, dass der Großteil der Energie als omischer Verlust in der ERR-Schicht und als dielektrischer Verlust in den ersten 500 Nanometern des Polyamids abgeführt wird. Unterhalb dieser Schicht erfordern verschiedene Anwendungen wie die Terahertz-Spektroskopie Sensoren, die eine breitbandige Terahertz-Absorption aufweisen. Wir haben zwei Strategien entwickelt, um eine solche Breitbandabsorption zu realisieren.

Die erste Strategie stapelt abwechselnde Schichten aus metallischen RR- und dielektrischen Schichten auf einer durchgehenden Grundfläche in verschiedenen Schichten, Kreuzen unterschiedlicher Länge, und unterstützt mehrere Resonanzmoden, die im Absorptionsspektrum eng beieinander liegen. Durch die Abstimmung der dielektrischen Dicke kann die Impedanz der Mehrschichtstruktur an den Freiraum bei jeder Resonanzfrequenz und der erzielten Breitbandabsorption angepasst werden. Dann wird ein Standard-Elektronenstrahlregistrierungsverfahren verwendet, um die RS in einer Sekunde übereinander auszurichten. Strategie.

Vier R, die in ein vierfarbiges Superpixel eingebaut sind, sind auf einer einzigen dielektrischen Schicht aufgebaut. Ein solches Gerät ist viel einfacher herzustellen als der Mehrschichtabsorber. Dieses Diagramm zeigt das Absorptionsspektrum und die simulierten Daten für einen mehrschichtigen mm-Absorber mit den angegebenen Abmessungen.

Der einschichtige Aufbau hat einen einzigen Resonanzpeak bei 5,42 Terahertz, bei dem 78% der EM-Strahlung absorbiert werden. Im Gegensatz dazu verfügt das dreischichtige Gerät über drei eng beieinander liegende Resonanzpeaks mit einem breiten Frequenzband von 4,08 Terahertz bis 5,94 Terahertz, wobei die Absorption größer als 60% ist. Um den Ursprung der spektralen Eigenschaften der simulierten Absorptionsverteilungen in der XZ-Ebene der drei Resonanzen zu verstehen, sind sie aufgetragen. Diese Verteilungen zeigen deutlich, dass jeder ERR zur Breitbandabsorption beiträgt, sobald er gemeistert ist.

Diese Technik kann in weniger als vier bis acht Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, daran zu denken, bei der Durchführung der Herstellungsschritte methodisch und konsequent vorzugehen. Nachdem Sie sich diesen Film angesehen haben, haben Sie einen sehr guten Überblick über die Mikro-Nano-Fabrikationstechnologien, die wir verwenden und die es uns ermöglichen, eine Reihe von Ertz-Geräten und -Komponenten herzustellen, einschließlich Metamaterial-Absorber.