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Article de méthode

Simulation, fabrication et caractérisation de THz Absorbeurs métamatériaux

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⸱

DOI :

10.3791/50114

⸱

27 décembre 2012

 ,  , 
1School of Engineering, University of Glasgow

Dans cet article

Résumé

Ce protocole décrit la simulation, la fabrication et la caractérisation des absorbeurs THz métamatériaux. Ces absorbeurs, lorsqu'il est couplé avec un capteur approprié, ont des applications dans l'imagerie THz et spectroscopie.

Résumé

Les métamatériaux (MM), des matériaux artificiels conçus pour avoir des propriétés qui ne peuvent être trouvés dans la nature, ont été largement explorée depuis la première démonstration expérimentale théorique 1 et 2 de leurs propriétés uniques. MMs peut fournir une réponse électromagnétique hautement contrôlable, et à ce jour ont été mis en évidence dans toutes les gammes de technologies pertinentes spectrale y compris les 3 optique, le proche infrarouge 4, mi IR 5, THz 6, ondes millimétriques 7, 8 et micro-ondes de radio 9 bandes. Les applications comprennent les lentilles parfaites capteurs 10, 11, 12, télécommunications capes d'invisibilité filtres 13 et 14,15. Nous avons récemment développé une seule bande 16, bi-bande 17 et 18 appareils à large bande d'absorption THz métamatériaux capables de plus de 80% d'absorption au pic de résonance. Le concept d'un absorbeur de MM especially importante aux fréquences THz où il est difficile de trouver de solides sélectifs en fréquence THz absorbeurs 19. Dans notre absorbeur du rayonnement THz MM est absorbé dans une épaisseur d'environ λ/20, surmonter la limitation de l'épaisseur quart d'onde absorbeurs traditionnels. Absorbeurs MM se prêtent naturellement à des applications de détection THz, tels que les capteurs thermiques, et s'ils sont intégrés à des sources THz appropriés (LCQ, par exemple), pourrait conduire à des systèmes compacts, hautement sensible, à faible coût, en temps réel des systèmes d'imagerie THz.

Introduction

Ce protocole décrit la simulation, la fabrication et la caractérisation de bande unique et amortisseurs à large bande THz MM. Le dispositif, représenté sur la figure 1, se compose d'une croix métallique et une couche diélectrique au-dessus d'un plan de masse métallique. La structure en forme de croix est un exemple d'un anneau résonateur électrique (TRE) et 20,21 couples fortement à champs électriques uniformes, mais de façon négligeable à un champ magnétique. En couplant l'ERR avec un plan de masse, la composante magnétique de l'onde incidente THz induit un courant dans les sections de l'ERR qui sont parallèles à la direction du champ E. La réponse électrique et magnétique peut alors être réglé de manière indépendante et l'impédance de la structure adaptée à l'espace libre en faisant varier la géométrie du TRE et la distance entre les deux éléments métalliques. Comme le montre la Figure 1 (d), la symétrie de la structure est dans une réponse insensible à la polarisation d'absorption.

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Protocole

1. Simulation d'un absorbeur de THz bande unique métamatériaux

Une vue 3D de la simulation set-up est indiqué dans Figure 2.

  1. Lumerical FDTD est utilisé pour optimiser les caractéristiques de transmission, de réflexion et d'absorption de l'absorbeur THz métamatériaux. Toutes les unités sont données en um.
  2. Définir le THz polyimide propriétés du matériau par un clic gauche Matériaux, Add (n, k) le matériel 1,68 et entrer dans le n 0,06 et que le k. Double-cliquez à gauche sur «nouveau matériau 1" et renommez le en "polyimide". Notez que si les données théoriques ou expérimentaux indice de réfraction est disponible on peut " Ajouter des données échantillonnées " De définir les propriétés des matériaux.
  3. Dessiner la géométrie du dispositif, à partir de la 0,2 um d'épaisseur de plan de masse métallique. Dans le Structures Sélectionnez l'onglet Rectangle Et modifier les propriétés en appuyant sur la E Clé. Entrée "plan de masse" dans le, (0,0,0.1) que le centre de structure coordonnées et (31,31,0.2) que la région étendue. Passez à l' Matériel Et sélectionnez l'onglet Conducteur électrique parfait (PEC). Répétez l'opération pour définir les 3 microns d'épaisseur polyimide frappe couche diélectrique "polyimide" dans la fenêtre de nom, (0,0,1.7) comme le centre coordonne et (31,31,3) que la durée. Enfin définir le 0,2 um anneau épais résonateur électrique par deux nuls rectangulaire Conducteur électrique parfait (PEC) Régions appelées "ERR arm1" et "ERR ARM2" avec le même centre de coordonnées (0,0,3.3) mais différentes régions de portée (10,26,0.2) et (26,10,0.2) respectivement.
  4. Ajouter la région de simulation par un clic gauche sur Simulation Et appuyez sur E Pour modifier les propriétés. Dans le Onglet général 20 ps que le temps de simulation. Dans le Géométrie Onglet choose (0,0,0) comme le centre coordonne et (30,30,200) que dans les régions portée. Dans le Paramètres de maille Onglet sélectionner une précision de maille de 3 et garder les autres paramètres par défaut tels qu'ils sont. Définir les conditions aux limites de la simulation Onglet en choisissant "anti-symétrique" pour x min et x max bc bc, «symétrique» pour y min et y max bc bc et "PML" pour z et z min bc bc max (l '«permettre de symétrie sur les frontières" must être cochée). Inclure une région prioritaire maillage par un clic gauche à nouveau sur Simulation Et d'édition en appuyant sur E. Dans le Général 0,5 um pour le dx et dy override et 0,05 um pour le remplacement dz. Dans le Géométrie Onglet entrer dans le centre de coordonnées (0,0,1.7) et les régions (portée 30,30,3.8). Notez qu'un maillage plus petit des Par exemple, Dx, dy 0,1 um, augmentera la précision de simulation si cela se fera au détriment de la mémoire de la CPU considérablement augmenté et le temps de simulation. Il est préférable de simuler en utilisant un maillage large jusqu'à ce qu'une structure ayant les propriétés souhaitées sont obtenues et puis re-simuler en utilisant un maillage inférieur.
  5. Définir le type de source par un clic gauche sur la flèche à côté Sources Et en choisissant. Appuyer E Pour modifier les propriétés de la source et dans la Général Onglet changer la direction de l'arrière. Dans l'onglet Géométrie entrer dans le centre de coordonnées (0,0,90) et (35,35,0) pour la région de l'échelle. Notez que vous ne pouvez pas modifier la durée de z. Régler la fréquence minimale et maximale de la simulation dans le Fréquence / longueur d'onde Onglet. Choisissez un minimum de 1 THz et un maximum de 4 THz et d'assurer l'impulsion dans le signal en fonction du temps du graphique dans le coin inférieur droit de la désintégration de fenêtres à zéro bien avant le 20 ps.
  6. Clic gauche sur la flèche à côté Moniteurs Et sélectionnez Profil du champ dans le domaine fréquentiel. Appuyez sur e pour éditer les propriétés du moniteur et entrez "r95" dans le Moniteur nom. Dans le Entrer dans le centre des coordonnées de (0,0,95) et la région durée (30,30,0). Répétez l'opération et créer une seconde Profil du champ dans le domaine fréquentiel Moniteur appelé "t95" avec le centre de coordonnées (0,0, -95) et travées (30,30,0). Un clic gauche sur la flèche à côté Moniteurs Et sélectionnez Propriétés globales. Dans le Fréquence / puissance le profil Onglet entrez 100 dans la fréquence des points de la fenêtre. Figure 2 Montre la vue en perspective affichée dans Lumerical sur l'achèvement des étapes 1.1 à 1.6. Les besoins en mémoire sont compatibles avec votre ordinateur par un clic gauche sur la flèche à côté de l' Vérifier Icône de la barre d'outils supérieure et sélectionnez Vérifier les besoins en mémoire de simulation. Enregistrez le fichier en lui donnant un nom approprié, tel que "Jove.sim".
  7. Lancez la simulation par un clic gauche sur l' Exécuter Icône.
  8. A la fin de la simulation tapez ce qui suit dans le Script rapide. Notez que l'on peut également saisir le texte suivant dans un éditeur de texte et enregistrez le fichier en tant que fichier. Lsf. Le script peut alors être exécuté par un clic gauche sur la flèche à côté Exécuter, La sélection d', Puis localiser le fichier de script enregistré sur votre ordinateur. Notez que le # indique un commentaire.

Load ("Jove_sim"); # Charge le fichier de simulation F = getdata ("r95", "f"); # Récupère les données de réflexion et des données de fréquence du moniteur r95 R = transmission ("r95"); # Définit R comme une matrice contenant les données de réflexion A = 1-R; # Calcule l'absorption Fthz = f/1e12; # Convertit la fréquence de THz Plot (fthz, A, R, "Fréquence (THz)", "Absorption", "Reflection"); # Intrigue données sur un seul graphique Légende ("Absorption", "Reflection");
Filename = "Jove_sim.csv"; # Données d'exportation pour exceller importation (filename); # Supprimer le fichier s'il existe déjà Lambda = c / f; # Convertit la fréquence de longueur d'onde For (i = 1: length (lambda)) {
Write (nom de fichier, num2str (f (i)) + "," + num2str (fthz (i)) + "," + num2str (R (i)) + "," + num2str (A (i)) + " , ");
} # Délivre en sortie un fichier. Csv en format de colonne de la fréquence, de la réflexion et de l'absorption

2. La fabrication d'un absorbeur THz bande unique métamatériaux

Figure 3 Montre les étapes de fabrication les plus importants.

  1. Nettoyer de 15 mm par 15 mm Pièce de silicium dans des solutions séquentielles d'eau tiède (50 ° C) OptiClear, l'acétone et ispopropanol en utilisant une agitation par ultrasons après avoir d'abord chauffer le bécher contenant le solvant pendant 10 min. Noter que ce protocole peut aussi être utilisé pour fabriquer des dispositifs sur une plaquette de plusieurs diamètre 4 pouces.
  2. Faire évaporer un métal bi-couche de 20 nm nm/100 Ti / Au sur le 15 mm par 15 mm à l'aide d'un MEB Plassys 450 faisceau d'électrons évaporateur ( Figure 3, étape 1). Noter que l'épaisseur du métal doit être supérieure à l'épaisseur de peau à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
  3. Nettoyer l'échantillon comme décrit précédemment dans la section 2.1
  4. Déposer VM651 apprêt sur l'échantillon à l'aide d'une pipette et laisser se détendre pendant 20 sec. Centrifuger à 4000 rpm pendant 5 secondes, puis cuire au four sur une plaque de cuisson de contact à 120 ° C pendant 60 secondes.
  5. Supprimer Dupont PI2545 polyimide du congélateur. Comptez 20 min pour le flacon à température ambiante. Cela est essentiel car l'ouverture de la bouteille directement après la sortie du congélateur se traduira par condensation d'humidité à l'intérieur de la bouteille et dégradant le polyimide propriétés du film. Distribuer PI2545 sur l'échantillon à l'aide d'une pipette et laisser 20 secondes pour qu'il puisse se détendre. Spin échantillon en utilisant une procédure en 2 étapes de spin avec les paramètres suivants: - (i) la vitesse d'essorage final 500 min, Accélération 100 rpm -1, Essorage final de temps de 5 secondes (ii) vitesse d'essorage final 6000 rpm, accélération 500 rpm -1, Essorage final de 60 sec. Échantillon Cuire au four sur une plaque de cuisson de contact à 140 ° C pendant 5 min ( Figure 3, étape 2). Si un film de polyimide épais est requis, soit faire tourner plusieurs couches ou de réduire la vitesse d'essorage final. Pour obtenir une épaisseur de film de polyimide de 3 um avec un minimum de trois couches de bord de bourrelet de PI2545 sont filées selon le protocole ci-dessus.
  6. Cure de polyimide sur une plaque chauffante de contact à 220 ° C pendant 10 min. Après durcissement de cette procédure le PI2545 sera imperméable à la plupart des solvants et les acides et ne peut être éliminé en utilisant un plasma d'oxygène. PI2545 peuvent être mises en rotation sur une pièce factice de silicium, durci comme ci-dessus et l'épaisseur du film mesurée par grattage et le polyimide à l'aide d'un profilomètre de surface DEKTAK pour mesurer la hauteur du gradin.
  7. 15% de dépôt 2010 Poly (méthacrylate de méthyle), connu sous le nom de PMMA, sur l'échantillon. Centrifuger à 5000 rpm pendant 60 sec et cuire dans un four à convection à 180 ° C pendant 30 min. Avant cuisson enlever tout excès qui s'est glissée résister à la face arrière de l'échantillon à l'aide d'acétone. Retirer l'échantillon du four et laisser refroidir à température ambiante (~ 5 minutes). Dépôt 4% 2041 PMMA sur l'échantillon, tournent à 5000 tpm pendant 60 sec et cuire dans un four à convection à 180 ° C pendant 60 min ( Figure 3, étape 3). Enlever tout excès qui s'est glissée résister à la face arrière de l'échantillon avec de l'acétone avant la cuisson.
  8. Ecrire le travail souhaité sur un écrivain Vistec VB6 faisceau d'électrons en utilisant une dose de 450 pC / cm 2. Le fichier de travail est conçu de Tanner L-Edit, fracturé en polygones par Beamer Mise en page et finalement soumis à l'écrivain poutre à l'aide du logiciel Java BELLE.
  9. Développer l'échantillon dans une solution de 1:1 MIBK: IAP à une température de 23 ° C pendant 60 secondes ( Figure 3, étape 4). Rincer dans un bécher d'isopropanol. Inspectez la fidélité motif sur un microscope optique. Si les fonctions sont mal résolus dépouiller la résistance à OptiClear, l'acétone et l'isopropanol et recommencez à partir de 2.2.
  10. Descum l'échantillon avec O 2 L'aide d'un Plasmaprep Gala 5 Asher baril pendant 1 min à 0,1 mbar et 50 W de puissance RF. Evaporer 20 nm et 150 nm Ti Au utilisant un Plassys 450 MEB faisceau d'électrons évaporateur ( Figure 3, étape 5).
  11. Insérer l'échantillon dans un bécher d'acétone chaude et placer le bécher dans un bain d'eau chaude maintenue à 50 ° C. Après 4 heures, retirer l'échantillon du bain-marie et en utilisant une pipette aspirer une partie de l'acétone chaude et pulvériser généreusement sur l'échantillon ( Figure 3, étape 6). Inspecter l'échantillon à l'oeil pour vérifier que le métal est son envol dans les zones où PMMA était présent. Si le décollage progresse lentement placer bécher dans le bain d'eau à ultrasons pendant 2 minutes. Inspecter l'échantillon sous le microscope optique.
  12. Le protocole décrit la fabrication d'un absorbeur à bande unique THz toutefois plusieurs niveaux bi-bande à large bande et les absorbeurs peuvent être produits par la répétition des étapes 2.3 à 2.11 et empiler plusieurs croix sur le dessus de couches de polyimide.

3. Caractérisation d'un absorbeur de THz bande unique métamatériaux

Figure 4 Montre la disposition instrument de base FTIR.

  1. Ouvrir l'alimentation en azote à l'IFS 66V / S transformée de Fourier infrarouge (IRTF). La touche "FIR" situé sur la face avant de l'unité de commande spectromètre à allumer la lampe à arc de mercure. Il faut environ 15 min pour la puissance de la lampe se stabilise. Insérez le séparateur de faisceau 6 um multicouche dans l'emplacement approprié dans l'unité d'interféromètre.
  2. Purger le compartiment échantillon du spectromètre et insérez le PIKE 30 ° unité de réflexion. Placer l'ouverture 4 mm au-dessus de l'ouverture de l'unité de réflexion et en haut de cette mettre un miroir en or. L'ouverture 4 mm détermine la zone de l'échantillon qui sera interrogée pendant que le miroir d'or est nécessaire d'effectuer une mesure de fond.
  3. Evacuer le compartiment échantillon et attendre que la pression de descendre à 5 mbar. Le spectromètre peut être exécuté dans un environnement purgée à l'azote mais la taille du signal diminue généralement à moins de 20% par rapport au vide.
  4. Lancez le logiciel OPUS et charger le fichier de configuration (set-up lors de l'installation de l'appareil) pour prendre des mesures dans les 30 cm -1 À 300 cm -1 (1-9THz). Ce fichier définit les paramètres du spectromètre de nombreux tels que la vitesse du scanner, ouverture de source, le type de source, la méthode de collecte de données et le mode d'exécution de Fourier transformée. Assurer le voyant sur le devant de l'espace de détection est vert clignotant, indiquant que le scanner fonctionne. Vérifiez que la forme de l'interférogramme est comme prévu.
  5. Run 100 scans fond pour obtenir le spectre de fond.
  6. Compartiment échantillon Vent, retirez le visage rétroviseur échantillon et le lieu vers le bas sur l'ouverture. Assurer le centre de l'échantillon se trouve au milieu de l'ouverture. Evacuer le compartiment échantillon.
  7. Exécuter 1.000 balayages échantillon pour obtenir le spectre d'échantillon. Le spectre de l'échantillon sera comparé au spectre de référence de fond et le spectre de réflexion finale de l'échantillon obtenu. Notez que si le signal atteint le détecteur est faible, un plus grand nombre d'analyses d'échantillons peuvent être nécessaires pour réduire le bruit ( Par exemple, 10.000 scans). Analyses d'échantillons répétés doivent être faits pour s'assurer que les données de mesure est fiable et cohérente.
  8. Les données de l'analyse ci peut être enregistrée dans un fichier texte et analysées hors ligne. Le plan de masse de l'échantillon en continu signifie qu'il n'y a pas ergo transmission du spectre d'absorption peut être trouvée en soustrayant la réflexion à partir de 1.

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Résultats

La figure 5 (a) montre les spectres d'absorption obtenus expérimentalement et simulés pour un absorbeur avec MM de 3,1 um d'épaisseur polyimide espaceur diélectrique. Cette structure a une répétition MM-période de 27 um et dimensions K = 26 um, L = 20, M = um 10 um et N = 5 um. Des mesures expérimentales ont également été réalisées sur des échantillons sans ERR couche de confirmer que l'absorption était une conséquence de la structure MM et non du diélectrique. Les 7,5 pm d'épaisseur de ...

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Discussion

Ce protocole décrit la simulation, la fabrication et la caractérisation des absorbeurs THz métamatériaux. Il est essentiel de tels sous-longueur d'onde structures sont simulées avec précision avant tout effort s'est engagé à des procédés de fabrication coûteux. Lumerical simulations FDTD fournir des informations non seulement sur le spectre d'absorption mm mais également l'emplacement de l'absorption, les connaissances essentielles pour faciliter le placement d'un transducteur et d'obtenir la...

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Déclarations de divulgation

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Remerciements

Ce travail est soutenu par le génie et sciences physiques Research Council subvention nombre EP/I017461/1. Nous tenons également à souligner la contribution joué par le personnel technique du Centre James Watt Nanofabrication.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Nom de réactif / Matériel Entreprise Numéro de catalogue Commentaires
Lumerical FDTD Lumerical
Plaquette de silicium Technologies de la BID Simple face polie
Plassys 450 MEB évaporateur Plassys Bestek
VM651 Primer Dupont
PI2545 Dupont
Méthylisobutylcétone Sigma-Aldrich
Isopropanol Sigma-Aldrich
Plasmaprep5 Asher baril Gala Instrumente
VB6 UHR EWF faisceau d'électrons écrivain Vistec
Tanner L-Edit Tanner Inc
Beamer Mise en page GeniSys Inc
Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) Sigma-Aldrich 293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v / s FTIR Bruker
Unité de Pike réflexion 30spec Technologies Pike
Lampe à arc de mercure Bruker
Au miroir Thor Labs PF05-03-M01
Leica INM20 microscope optique Leica Microsystems
6 Beamsplitter Mylar mm Bruker

Références

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