Simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di THz Assorbitori metamateriale

Summary

Questo protocollo descrive la fabbricazione, simulazione e caratterizzazione di THz assorbitori metamateriale. Tali assorbitori, quando accoppiato con un apposito sensore, avere applicazioni in imaging e spettroscopia THz.

Abstract

Metamateriali (MM), materiali artificiali progettati per avere le proprietà che non possono essere presenti in natura, sono stati ampiamente esplorato in quanto la prima dimostrazione teorica e sperimentale ^{1 2} di loro proprietà uniche. MM in grado di fornire una risposta elettromagnetico altamente controllabile, e fino ad oggi sono state dimostrate in ogni gamma tecnologicamente rilevante spettrale compresa l'ottica ^3, vicino IR ^4, metà IR ^5, THz ^6, mm-wave ^{7, 8} e forno a microonde radio ⁹ bande. Le applicazioni includono lenti perfette ^{10, 11,} sensori di telecomunicazione ^12, mantelli dell'invisibilità ¹³ e filtri ^14,15. Abbiamo recentemente sviluppato singola banda ^{16, 17} e dual band banda larga ¹⁸ dispositivi assorbitori THz metamateriale grado di assorbimento superiore a 80% al picco di risonanza. Il concetto di un assorbitore MM è especially importante a frequenze THz in cui è difficile trovare forti frequenza ammortizzatori selettivi THz ^19. Nel nostro assorbitore MM radiazione THz è assorbito in uno spessore di ~ λ/20, superando la limitazione spessore di assorbitori tradizionali quarto d'onda. Assorbitori MM naturalmente si prestano ad applicazioni di rilevazione THz, come i sensori termici, e, se integrato con fonti THz idonei (QCLs ad esempio), potrebbe portare a compatta, altamente sensibile, a basso costo, in tempo reale THz sistemi di imaging.

Introduction

Questo protocollo descrive la fabbricazione, simulazione e caratterizzazione di singola banda e banda larga assorbitori MM THz. Il dispositivo, illustrato nella figura 1, è costituito da una croce di metallo e uno strato dielettrico sulla sommità di un piano di massa di metallo. La struttura a croce è un esempio di un anello elettrico risonatore (ERR) ^20,21 e coppie fortemente a campi elettrici uniformi, ma trascurabile ad un campo magnetico. Accoppiando la ERR con un piano di massa, il componente magnetico dell'onda incidente THz induce una corrente nelle sezioni della ERR che sono paralleli alla direzione del campo elettrico. La risposta elettrici e magnetici possono essere sintonizzate indipendentemente e l'impedenza della struttura corrispondente allo spazio libero variando la geometria del ERR e la distanza tra i due elementi metallici. Come mostrato nella Figura 1 (d), la simmetria dei risultati struttura in una risposta insensibile assorbimento polarizzazione.

Protocol

1. Simulazione di un assorbitore singolo banda THz Metamateriale

Una vista 3D simulazione del set-up è mostrato in Figura 2.

1. Lumerical FDTD è utilizzata per ottimizzare le caratteristiche di trasmissione, riflessione e assorbimento della assorbitore THz metamateriale. Tutte le unità sono in micron.
2. Definire il THz poliimmide proprietà del materiale da sinistra cliccando Materiali, Aggiungi (n, k) materiale 1,68 e inserendo il n e 0,06 come k. Fare doppio clic a sinistra su "nuovo materiale 1" e rinominarlo come "poliammide". Si noti che se teorico o sperimentale dei dati di indice di rifrazione è disponibile si può " Aggiungere dati campionati " Per definire le proprietà del materiale.
3. Disegnare la geometria del dispositivo, partendo con il piano metallico di spessore 0,2 micron terra. Nel Strutture Scheda di selezione Rettangolo E modificare le proprietà premendo il tasto E Chiave. Ingresso "piano di massa" nel Nome Finestra (0,0,0.1) come centro struttura di coordinate e (31,31,0.2) come la regione span. Passare alla Materiale Scheda e selezionare Perfetto conduttore elettrico (PEC). Ripetere la procedura per definire i 3 micron di spessore poliimmide strato dielettrico digitando "poliammide" nella finestra nome, (0,0,1.7) come centro coordina e (31,31,3), il lasso. Infine definire la ghiera spessa 0,2 micron elettrica risonatore disegnando due rettangolari Perfetto conduttore elettrico (PEC) chiamato "ERR arm1" e "ERR ARM2" con lo stesso centro di coordinate (0,0,3.3) ma campata regioni diverse (10,26,0.2) e (26,10,0.2) rispettivamente.
4. Aggiungi la regione simulazione a sinistra cliccando su Simulazione E premere E Per modificare le proprietà. Nel Scheda Generale Ingresso 20 psec come il tempo di simulazione. Nel Geometria Scheda scegli (0,0,0) come il centro coordina e (30,30,200), come le regioni span. Nel Impostazioni rete selezionare una precisione di 3 maglie e mantenere le altre impostazioni predefinite così come sono. Impostare le condizioni al contorno nella simulazione Condizioni al contorno Scheda scegliendo "anti-simmetrica" ​​per x min e bc bc x max, "simmetrico" per y e y min bc bc max e "PML" per z min bc bc e z max (il "consentire simmetria su tutti i confini" must essere segno di spunta). Includere una regione sostituzione maglia da sinistra cliccando nuovamente sul Simulazione E modifica premendo E. Nel Generale Tipo di tabulazione 0,5 micron per la dx e dy di override e 0.05 micron per l'override dz. Nel Geometria entrare nel centro coordinate (0,0,1.7) e regioni di taratura (30,30,3.8). Notare che maglie di dimensioni di Ad esempio, Dx, dy 0,1 micron, aumenta la precisione di simulazione anche se ciò avverrà a scapito della memoria della CPU significativamente aumentata e il tempo di simulazione. È meglio simulare con una grande dimensione delle maglie fino una struttura con le proprietà desiderate si ottiene e poi ri-simulare utilizzando la dimensione più piccola.
5. Definire il tipo di sorgente a sinistra clic sulla freccia accanto a Fonti E scegliendo Onde piane. Premere E Per modificare le proprietà di origine e nella Generale cambiare la direzione indietro. Nella scheda geometria immettere il centro coordinate (0,0,90) e (35,35,0) per la regione span. Si noti che non è possibile modificare l'intervallo di z. Impostare la frequenza minima e massima della simulazione nel Frequenza / lunghezza d'onda Scheda. Scegli un minimo di 1 THz e un massimo di 4 THz e garantire l'impulso del segnale rispetto al grafico temporale nell'angolo in basso a destra della finestra dei decadimenti a zero ben prima del 20 psec.
6. Clicca col tasto sinistro sulla freccia accanto a Monitor E selezionare Nel dominio della frequenza campo del profilo. Premere e per modificare le proprietà del monitor e immettere "R95" nel Monitor nome Finestra. Nel Geometria scheda Accedere al centro coordinate (0,0,95) e regione span (30,30,0). Ripetere e creare una seconda Nel dominio della frequenza campo del profilo Monitor di chiamata "t95" con il centro di coordinate (0,0, -95) e si estende (30,30,0). Clicca col tasto sinistro sulla freccia accanto a Monitor E selezionare Proprietà globali. Nel Frequenza / potenza profilo Scheda immettere 100 nella finestra di frequenze punti. Figura 2 Mostra la vista prospettica in Lumerical visualizzata al termine della procedura 1,1-1,6. Controllare i requisiti di memoria sono compatibili con il computer di sinistra clic sulla freccia accanto al Controlla nella barra degli strumenti in alto e selezionando Verificare i requisiti di memoria di simulazione. Salvare il file dandogli un nome appropriato, ad esempio "Jove.sim".
7. Esegui la simulazione di sinistra cliccando sul Esegui Icona.
8. Al termine della simulazione immettere quanto segue nel prompt di Finestra. Si noti che si può anche inserire il seguente testo in un editor di testo e salvare il file come un file. Lsf. Lo script può essere eseguito da sinistra cliccando sulla freccia accanto a Esegui, Selezionando E quindi individuare il file di script salvato sul computer. Si noti che l' # indica un commento.
   

Load ("Jove_sim"); # Carica il file di simulazione F = GetData ("R95", "f"); # Riceve i dati di riflessione e dati di frequenza del monitor di R95 R = trasmissione ("R95"); R # definisce come una matrice contenente i dati di riflessione A = 1-R; # Calcola l'assorbimento Fthz = f/1e12; # Converte frequenza THz Plot (fthz, A, R, "Frequenza (THz)", "assorbimento", "Riflessione"); Dati # trama su un unico grafico Leggenda ("assorbimento", "Riflessione");
Nomefile = "Jove_sim.csv"; # Dati di esportazione per excel importazione Rm (nome del file); # Cancellare il file se esiste già Lambda = c / f; # Converte frequenza di lunghezza d'onda For (i = 1: length (lambda)) {
Write (nome del file, num2str (f (i)) + "," + num2str (fthz (i)) + "," + num2str (R (i)) + "," + num2str (A (i)) + " , ");
} # Genera un file. Csv in formato colonna della frequenza, riflessione e assorbimento

2. Realizzazione di un assorbitore singolo banda THz Metamateriale

Figura 3 Mostra le fasi di fabbricazione più importanti.

1. Pulire a 15 mm per 15 mm Pezzo di silicio in soluzioni sequenziali di calda (50 ° C) OptiClear, acetone e ispopropanol con agitazione ultrasonica inizialmente dopo riscaldamento del becher contenente il solvente per 10 min. Si noti che questo protocollo può essere utilizzato anche per fabbricare dispositivi diversi su un wafer di diametro 4 cm.
2. Far evaporare un metallo bi-strato di 20 nm nm/100 Ti / Au sul mm 15 da 15 mm con l'utilizzo di un Plassys 450 MEB evaporatore a fascio elettronico ( Figura 3, punto 1). Si noti che lo spessore di metallo deve essere maggiore della profondità della pelle alla frequenza operativa desiderata.
3. Pulire il campione come descritto in precedenza nella sezione 2.1
4. Distribuire VM651 Primer sul campione con una pipetta e lasciare riposare per 20 sec. Spin campione a 4000 rpm per 5 sec e poi cuocere su una piastra di contatto a 120 ° C per 60 sec.
5. Rimuovi Dupont PI2545 poliimmide dal congelatore. Lasciare 20 minuti per la bottiglia a temperatura ambiente. Ciò è essenziale dal momento dell'apertura del flacone immediatamente dopo la rimozione dal congelatore si tradurrà in condensazione di umidità all'interno della bottiglia e degradando la poliimmide proprietà del film. Erogare PI2545 sul campione con una pipetta e lasciare per 20 sec di rilassarsi. Spin campione utilizzando un 2 procedura di spin palco con le seguenti impostazioni - (i) velocità della centrifuga finale 500 rpm, accelerazione 100 rpm ^-1, Centrifuga finale di tempo di 5 sec (ii) velocità della centrifuga finale 6.000 giri, accelerazione 500 rpm ^-1, Centrifuga finale di tempo 60 sec. Bake campione su una piastra di contatto a 140 ° C per 5 min ( Figura 3, fase 2). Se spessa film di poliimmide è richiesto poi o girare più livelli o ridurre la velocità finale di centrifuga. Per ottenere una poliimmide spessore di 3 micron con minime bordo tallone tre strati di PI2545 vengono filate utilizzando il protocollo sopra.
6. Curare la poliimmide su una piastra di contatto a 220 ° C per 10 min. Dopo questa procedura la cura PI2545 sarà impermeabile alla maggior parte dei solventi e acidi e può essere rimosso con plasma di ossigeno. PI2545 può essere filata su un pezzo fittizio di silicio, indurito come sopra e lo spessore del film misurato da graffi poliimmide e utilizzando una superficie DEKTAK profilometro a misurare l'altezza del gradino.
7. Caparra 15% 2010 poli (metil metacrilato), noto come PMMA, sul campione. Centrifugare a 5000 rpm per 60 sec e cuocere in forno ventilato a 180 ° C per 30 minuti. Prima della cottura rimuovere qualsiasi eccesso che si è insinuata resistere al retro del campione utilizzando acetone. Togliere il campione dal forno e lasciare raffreddare a temperatura ambiente (~ 5 minuti). Deposito 4% 2041 PMMA sul campione, centrifuga a 5000 rpm per 60 sec e cuocere in forno ventilato a 180 ° C per 60 min ( Figura 3, fase 3). Rimuovere l'eccesso resistere che si è insinuata al retro del campione con acetone prima della cottura.
8. Scrivi il lavoro desiderato su una trave Vistec VB6 scrittore di elettroni con una dose di 450 uC / cm ². Il file di lavoro è stato progettato in Tanner L-Edit, fratturato in poligoni di Beamer layout e, infine, presentato allo scrittore fascio utilizzando il software basato su Java BELLE.
9. Sviluppare il campione in una soluzione di MIBK 01:01: IPA ad una temperatura di 23 ° C per 60 sec ( Figura 3, punto 4). Sciacquare in un bicchiere di isopropanolo. Ispezionare fedeltà pattern su un microscopio ottico. Se le funzioni sono mal risolti a nudo il resist in OptiClear, acetone e isopropanolo e ricominciare da 2,2.
10. Descum il campione con O ₂ Utilizzando un Plasmaprep Gala ₅ Barile asher per 1 min a 0,1 mbar e 50 W di potenza RF. Far evaporare 20 nm e 150 nm Ti Au utilizzando un Plassys 450 MEB evaporatore a fascio elettronico ( Figura 3, punto 5).
11. Inserire il campione in un becher di acetone caldo e posizionare il bicchiere in un bagno di acqua calda mantenuta a 50 ° C. Dopo 4 ore rimuovere il campione dal bagno di acqua e usando una pipetta aspirare alcuni dei acetone caldo e spruzzare liberamente sul campione ( Figura 3, punto 6). Ispezionare campione ad occhio per verificare che il metallo è il sollevamento fuori dalle zone in cui era presente PMMA. Se il lift-off sta procedendo lentamente mettere becher nel bagno d'acqua ad ultrasuoni per 2 minuti. Controllare campione al microscopio ottico.
12. Il protocollo descrive la fabbricazione di un assorbitore singola banda THz tuttavia multilivello dual band e assorbitori a banda larga può essere prodotta ripetendo le fasi 2,3-2,11 e impilare diversi incroci sulla cima di poliimmide strati.

3. Caratterizzazione di un assorbitore singolo banda THz Metamateriale

Figura 4 Mostra la disposizione di base strumento FTIR.

1. Accendere l'alimentazione di azoto al 66V / S IFS Fourier Transform Infra Red (FTIR) spettrometro. Premere il tasto "FIR" sulla parte anteriore dell'unità di controllo spettrometro per accendere la lampada ad arco Hg. Ci vogliono circa 15 minuti per la potenza della lampada si stabilizzi. Inserire il divisore di fascio 6 micron multistrato nell'apposito alloggiamento nell'unità interferometro.
2. Sfiatare il compartimento campione dello spettrometro e inserire il PIKE 30 ° unità di riflessione. Posizionare i 4 mm di apertura sopra l'apertura dell'unità riflessione e sopra questo mettere uno specchio oro. Il 4 mm di apertura determina l'area del campione che verrà interrogato mentre lo specchio oro è necessario effettuare una misurazione del fondo.
3. Evacuare compartimento campione e attendere che la pressione per ottenere fino a 5 mbar. Lo spettrometro può essere eseguito in un ambiente di azoto eliminato tuttavia la grandezza del segnale scende di solito a meno del 20% rispetto al vuoto.
4. Avviare il software OPUS e caricare il file di configurazione (set-up per l'installazione dell'apparecchio) per misure in i 30 cm ^-1 A 300 cm ^-1 Gamma (1-9THz). Questo file imposta i parametri dello spettrometro numerosi, come la velocità dello scanner, l'apertura di origine, tipo di origine, metodo di raccolta dei dati e la modalità di esecuzione di trasformazione di Fourier. Garantire il LED sul frontale del vano rilevatore è verde lampeggiante, indicante che lo scanner è in funzione. Controllare che la forma del interferogramma come previsto.
5. Esegui 100 scansioni al fondo per ottenere lo spettro di fondo.
6. Vano campione Vent, rimuovere il campione specchio e posto a faccia in giù sul diaframma. Assicurare il centro del campione è nel mezzo dell'apertura. Evacuare compartimento campione.
7. Esegui 1,000 scansioni del campione per ottenere lo spettro del campione. Lo spettro del campione sarà confrontato con lo spettro di riferimento sfondo e lo spettro di riflessione finale del campione ottenuto. Si noti che se il segnale di raggiungere il rilevatore è basso, un maggior numero di scansioni di esempio può essere necessario per ridurre il rumore ( Ad esempio, 10.000 scansioni). Ripetere le scansioni del campione dovrebbe essere fatto per garantire che i dati misurati è affidabile e coerente.
8. Dati dalla scansione completata può essere convertito in un file di testo e analizzati offline. Il piano di massa continua del campione significa che non c'è ergo trasmissione spettro di assorbimento può essere trovata sottraendo la riflessione da 1.

Results

Figura 5 (a) mostra gli spettri di assorbimento ottenuti sperimentalmente e simulato per un assorbitore mm con 3,1 micron di spessore distanziatore di poliimmide dielettrico. Questa struttura ha una ripetizione MM-periodo di 27 micron e dimensioni K = 26 micron, L = 20 micron, M = 10 micron e N = 5 micron. Misure sperimentali sono stati effettuati su campioni senza ERR strato per confermare che l'assorbimento è una conseguenza della struttura MM e non del dielettrico. I 7,5 micron di spessore poliimmide...

Discussion

Questo protocollo descrive la fabbricazione, simulazione e caratterizzazione di THz assorbitori metamateriale. E 'essenziale di tali sub-lunghezza d'onda strutture sono esattamente simulato prima di ogni sforzo si è impegnata a costose procedure di fabbricazione. Lumerical simulazioni FDTD fornire informazioni non solo sul spettro di assorbimento MM, ma anche la posizione del assorbimento, conoscenza essenziale per facilitare il posizionamento di un trasduttore e ottenere la risposta massima. Inoltre l'algor...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome del reagente / materiale	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Lumerical FDTD	Lumerical
Wafer di silicio	IDB tecnologie		Un solo lato lucido
Plassys 450 MEB evaporatore	Plassys Bestek
VM651 Primer	Dupont
PI2545	Dupont
Metilisobutilchetone	Sigma-Aldrich
Isopropanolo	Sigma-Aldrich
Plasmaprep5 barile Asher	Gala Instrumente
VB6 UHR EWF a fascio di elettroni scrittore	Vistec
Tanner L-Edit	Tanner Inc.
Layout di Beamer	Genisys Inc.
Polimetilmetacrilato (PMMA)	Sigma-Aldrich	293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v / s FTIR	Bruker
Pike 30spec riflessione unità	Pike Technologies
Hg lampada ad arco	Bruker
Au specchio	Thor Labs	PF05-03-M01
Leica INM20 microscopio ottico	Leica Microsystems
6 beamsplitter Mylar millimetri	Bruker