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方法論記事

テラヘルツメタマテリアルアブソーバのシミュレーション、作製と評価

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DOI:

10.3791/50114

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2012年12月27日

 ,  , 
1School of Engineering, University of Glasgow

この記事について

サマリー

このプロトコルは、テラヘルツメタマテリアルアブソーバーのシミュレーション、製造、および特性評価の概要を示しています。このような吸収体は、適切なセンサーと組み合わせると、テラヘルツイメージングおよび分光法に応用できます。

要約

メタマテリアルズ(MM)は、自然界には見られない特性を持つように設計された人工材料であり、そのユニークな特性の最初の理論1と実験的実証2以来、広く探求されてきました。MMは高度に制御可能な電磁応答を提供でき、今日までに、光学3、近赤外4、中IR5、THz6、ミリ波7、マイクロ波8、ラジオ9バンドなど、技術的に関連するすべてのスペクトル範囲で実証されています。アプリケーションには、パーフェクトレンズ10、センサー11、通信12、透明マント13、フィルター14,15が含まれます。私たちは最近、共振ピークで80%を超える吸収が可能なシングルバンド16、デュアルバンド17、および広帯域18テラヘルツメタマテリアルアブソーバーデバイスを開発しました。 MMアブソーバーの概念は、強い周波数選択性THzアブソーバーを見つけるのが難しいTHz周波数で特に重要です19。 当社のMMアブソーバーでは、THz放射は~λ/20の厚さで吸収され、従来の1/4波長アブソーバーの厚さ制限を克服します。 MMアブソーバーは、温度センサーなどのTHz検出アプリケーションに自然に適しており、適切なTHzソース(QCLなど)と統合すると、コンパクトで高感度、低コストのリアルタイムTHzイメージングシステムにつながる可能性があります。

概要

このプロトコルは、シングルバンドおよび広帯域THz MMアブソーバーのシミュレーション、製造、および特性評価を説明しています。図1に示すデバイスは、金属のクロスと、金属のグランドプレーンの上にある誘電体層で構成されています。十字型の構造は、電気リング共振器(ERR)20,21の一例であり、均一な電場に強く結合しますが、磁場には無視できます。ERRをグランドプレーンと組み合わせることで、入射するテラヘルツ波の磁気成分は、Eフィールドの方向に平行なERRのセクションに電流を誘導します。その後、電気応答と磁気応答を独立して調整し、ERRの形状と2つの金属要素間の距離を変えることで、構造のインピーダンスを自由空間に一致させることができます。図1(d)に示すように、構造の対称性により、偏光の影響を受けない吸収応答が得られます。

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プロトコル

1. シングルバンドテラヘルツメタマテリアルアブソーバーのシミュレーション

シミュレーション設定の3Dビューを図2に示します。

  1. Lumerical FDTDは、THzメタマテリアルアブソーバーの透過、反射、および吸収特性を最適化するために使用されます。すべての単位はμmで示されています。
  2. [材料]を左クリックし、[(n,k)材料を追加]をクリックし、nとして1.68を、kとして0.06を入力して、THzポリイミド材料特性を定義します。[新しい材料1]を左ダブルクリックして、名前を「polyimide」に変更します。理論的または実験的な屈折率データが利用可能な場合は、「サンプリングデータを追加」して材料特性を定義できることに注意してください。
  3. 厚さ0.2μmの金属グランドプレーンから始めて、デバイスのジオメトリを描画します。[構造] タブで [rectangle] を選択し、e キーを押してプロパティを編集します。名前ウィンドウに「groundplane」を入力し、構造物の中心座標として(0,0,0.1)、スパン領域として(31,31,0.2)を入力します。材料タブに移動し、Perfect Electrical Conductor (PEC) を選択します。 名前ウィンドウに「polyimide」と入力し、中心座標として(0,0,1.7)、スパンとして(31,31,3)を入力して、厚さ3μmのポリイミド誘電体層を定義するために繰り返します。最後に、(0,0,3.3)の同じ中心座標を持つ「ERRアーム1」と「ERRアーム2」と呼ばれる2つの長方形の完全導電体(PEC)領域を描画することにより、厚さ0.2μmの電気リング共振器を定義しますが、それぞれ(10,26,0.2)と(26,10,0.2)の異なるスパン領域
    4. 。
  4. シミュレーション領域を追加するには、シミュレーションを左クリックし、eを押してプロパティを編集します。 [一般]タブで、シミュレーション時間として20 psecを入力します。ジオメトリタブで、中心座標として (0,0,0) を選択し、スパン領域として (30,30,200) を選択します。 [メッシュ設定]タブで、メッシュ精度を 3 に選択し、他のデフォルト設定はそのまま使用します。境界条件タブで、x min bc と x max bc には "Anti-symmetric"、y min bc と y max bc には "symmetric"、z min bc と z max bc には "PML" を選択して、シミュレーション境界条件を設定します ([すべての境界で対称性を許可する] にチェックを入れる必要があります)。「シミュレーション」を再度左クリックしてメッシュオーバーライド領域を含め、eを押して編集します。[一般] タブで、dx と dy のオーバーライドに 0.5 μm を、dz のオーバーライドに 0.05 μm と入力します。ジオメトリタブで、中心座標(0,0,1.7)とスパン領域(30,30,3.8)を入力します。dx (dy 0.1 μm) のような小さなメッシュ サイズでは、シミュレーションの精度が向上しますが、CPU メモリとシミュレーション時間が大幅に増加します。目的のプロパティを持つ構造が得られるまで大きなメッシュサイズを使用してシミュレーションを行い、その後、小さなメッシュサイズを使用して再シミュレーションを行うのが最善です。
  5. ソースタイプを定義するには、ソースの横にある矢印を左クリックし、平面波を選択します。[E]を押してソースのプロパティを編集し、[一般]タブで方向を逆方向に変更します。[ジオメトリ]タブで、スパン領域の中心座標 (0,0,90) と (35,35,0) を入力します。z スパンは変更できないことに注意してください。シミュレーションの最小周波数と最大周波数を[周波数/波長]タブで設定します。最小 1 THz、最大 4 THz を選択し、ウィンドウの右下隅にある信号対時間グラフのパルスが 20 ps のかなり前に 0 に減衰することを確認します。
  6. [モニター] の横にある矢印を左クリックし、周波数ドメイン フィールド プロファイルを選択します。eを押してモニターのプロパティを編集し、モニター名ウィンドウに「r95」と入力します。ジオメトリタブで、(0,0,95)とスパン領域(30,30,0)の中心座標を入力します。「t95」と呼ばれる 2 番目の周波数領域フィールド プロファイル モニターを繰り返して作成し、中心座標 (0,0,-95) とスパン (30,30,0) を使用します。[モニター] の横にある矢印を左クリックし、グローバル プロパティを選択します。[周波数/電力プロファイル] タブで、周波数ポイント ウィンドウに 100 と入力します。図2は、手順1.1〜1.6の完了時にLumericalで表示される透視図を示しています。 上部のツールバーの[チェック]アイコンの横にある矢印を左クリックし、[シミュレーションメモリ要件の確認]を選択して、メモリ要件がコンピューターと互換性があることを確認します。「Jove.sim」などの適切な名前を付けてファイルを保存します。
  7. [実行] アイコンを左クリックしてシミュレーションを実行します。
  8. シミュレーションが完了したら、スクリプトプロンプトウィンドウに次のように入力します。テキストエディタに次のテキストを入力して、ファイルを.lsfファイルとして保存することもできます。スクリプトを実行するには、[実行] の横にある矢印を左クリックし、[スクリプト] を選択して、コンピューターに保存されているスクリプト ファイルを見つけます。# 記号はコメントを示します。

load("Jove_sim"); # シミュレーションファイルを読み込みます
f = getdata("r95","f"); # R95 monitor
から反射データと周波数データを取得します。 R = トランスミッション("r95");# R を反射データを含む行列として定義します
A = 1-R;# 吸収を計算します
fthz=f/1e12; #は周波数をTHz
に変換します plot(fthz,A,R,"周波数(THz)","吸収","反射");# 1つのグラフにデータをプロット
legend("吸収","反射");
ファイル名 = "Jove_sim.csv";# Excel用データのエクスポート import
rm(ファイル名); # ファイルがすでに存在する場合は削除します
ラムダ = c/f; # 周波数を波長に変換します
for(i=1:length(lambda)) {
  write(ファイル名,num2str(f(i)) + "," + num2str(fthz(i)) + "," + num2str(R(i)) + "," + num2str(A(i)) + "," );
} # 周波数、反射、吸収の列形式で.csvファイルを出力

します

2. シングルバンドTHzメタマテリアルアブソーバーの作製

図 3 は、最も重要な製造手順を示しています。

  1. 最初に溶媒を含むビーカーを10分間加熱した後、超音波攪拌を使用して、温かい(50°C)オプチクリア、アセトンおよびイスポプロパノールのシーケンシャル溶液中のシリコンの15mm×15mm片を洗浄します。
  2. Plassys 450 MEB電子ビーム蒸発器を使用して、20 nm/100 nm Ti/Auの金属二重層を15 mm x 15 mmに蒸着します(図3、ステップ1)。金属の厚さは、目的の動作周波数で表皮の深さよりも大きくなければならないことに注意してください。
  3. セクション2.1で前述したように、サンプルをクリーニングします
  4. VM651プライマーをピペットでサンプルに分注し、20秒間リラックスさせます。 サンプルを4,000rpmで5秒間回転させた後、コンタクトホットプレートで120°Cで60秒間ベークします。
  5. デュポンPI2545ポリイミドを冷凍庫から取り出します。ボトルが室温に達するまで20分待ちます。冷凍庫から取り出した直後にボトルを開けると、ボトル内部に水分が凝縮し、ポリイミドフィルムの特性が低下するため、これは不可欠です。ピペットを使用してPI2545をサンプルに分注し、20秒間リラックスさせます。(i)最終スピン速度500rpm、加速度100rpm-1、最終スピン時間5秒、(ii)最終スピン速度6,000rpm、加速度500rpm-1、最終スピン時間60秒の2段階スピン手順によるスピンサンプル。コンタクトホットプレートでサンプルを140°Cで5分間ベークします(図3、ステップ2)。より厚いポリイミドフィルムが必要な場合は、複数の層をスピンするか、最終的なスピン速度を下げてください。最小限のエッジビードで3μmのポリイミド膜厚を得るために、PI2545の3つの層を上記のプロトコルを使用して紡糸します。
  6. ポリイミドをコンタクトホットプレートで220°Cで10分間硬化させます。この硬化手順の後、PI2545はほとんどの溶媒や酸に対して不透過性になり、酸素プラズマを使用してのみ除去できます。PI2545は、ダミーのシリコン片に紡糸し、上記のように硬化させ、ポリイミドを傷つけ、DEKTAK表面形状測定機を使用してステップ高さを測定することにより、フィルムの厚さを測定することができます。
  7. PMMAとして知られる15%の2010ポリ(メタクリル酸メチル)をサンプルに沈着させます。5,000rpmで60秒間回転させ、180°Cの対流式オーブンで30分間焼きます。 ベーキングする前に、アセトンを使用してサンプルの裏側に忍び寄った余分なレジストを取り除きます。サンプルをオーブンから取り出し、室温(~5分)まで冷まします。4% 2041 PMMAをサンプルに沈着させ、5,000 rpmで60秒間回転させ、180°Cの対流式オーブンで60分間ベークします(図3、ステップ3)。ベーキングする前に、アセトンを使用してサンプルの裏側に忍び寄った余分なレジストを取り除きます。
  8. Vistec VB6電子ビームライターに450μC / cm2の線量を使用して目的のジョブを書き込みます。ジョブファイルはTanner L-Editで設計され、Layout Beamerによってポリゴンに分割され、最終的にJavaベースのBELLEソフトウェアを使用してビームライターに送信されます。
  9. 1:1 MIBK:IPAの溶液中で、温度23°Cで60秒間サンプルを現像します(図3、ステップ4)。イソプロパノールのビーカーですすいでください。光学顕微鏡でパターンの忠実度を検査します。 特徴の分解が不十分な場合は、オプチクリア、アセトン、イソプロパノールでレジストを剥がし、2.2からやり直してください。
  10. Gala Plasmaprep5バレルアッシャーを使用して、0.1 mbarおよび50 W RF電力で1分間、O2でサンプルを脱スカムします。Plassys 450 MEB電子ビーム蒸着器を使用して、20 nm Tiと150 nmのAuを蒸発させます(図3、ステップ5)。
  11. サンプルを温かいアセトンのビーカーに挿入し、ビーカーを50°Cに保った温水浴に入れます。4時間後、サンプルをウォーターバスから取り出し、ピペットを使用して温かいアセトンの一部を吸い上げ、サンプルにたっぷりとスプレーします(図3、ステップ6)。 サンプルを目視で検査し、PMMAが存在する領域から金属が浮き上がっていることを確認します。リフトオフがゆっくりと進行している場合は、ビーカーを超音波ウォーターバスに2分間置きます。光学顕微鏡でサンプルを検査します。
  12. このプロトコルでは、シングルバンドTHzアブソーバーの製造について説明していますが、ステップ2.3〜2.11を繰り返し、ポリイミド層の上にいくつかのクロスを積み重ねることで、マルチレベルのデュアルバンドおよびブロードバンドアブソーバーを製造できます。

3. 単一バンドTHzメタマテリアルアブソーバーのキャラクタリゼー

ション

図 4 は、基本的な FTIR 機器のレイアウトを示しています。

  1. IFS 66V/S フーリエ変換赤外線(FTIR)分光器への窒素供給をオンにします。分光器コントロールユニットの前面にある「FIR」ボタンを押して、Hgアークランプをオンにします。ランプの電力が安定するまでに約15分かかります。6 μm多層ビームスプリッターを干渉計ユニットの適切なスロットに挿入します。
  2. 分光計のサンプルコンパートメントをベントし、PIKE 30°反射ユニットを挿入します。リフレクションユニットの開口部の上に4mmの開口部を置き、この上に金色の鏡を置きます。4mmの開口部は、調査されるサンプルの領域を決定し、金の鏡はバックグラウンド測定を行うために必要です。
  3. サンプルコンパートメントを排気し、圧力が5mbarに下がるのを待ちます。分光器はパージされた窒素環境で実行できますが、信号サイズは通常、真空と比較して20%未満に低下します。
  4. OPUSソフトウェアを起動し、構成ファイルをロードします file 30 cm-1〜300 cm-1の範囲(1〜9THz)で測定するためのユニットのインストール時)。このファイルは、スキャナーの速度、ソースの開口部、ソースタイプ、データ収集方法、フーリエ変換実行モードなど、多数の分光計パラメーターを設定します。検出器コンパートメントの前面にあるLEDが緑色に点滅し、スキャナーが動作していることを示します。インタフェログラムの形状が想定どおりであることを確認してください。
  5. バックグラウンド スキャンを 100 回実行して、バックグラウンド スペクトルを取得します。
  6. サンプルコンパートメントをベントし、ミラーを取り外し、サンプルを下向きにして開口部に置きます。 サンプルの中心が開口部の中央にあることを確認します。サンプルコンパートメントを排気します。
  7. 1,000回のサンプルスキャンを実行して、サンプルスペクトルを取得します。サンプルスペクトルは、得られたサンプルの背景参照スペクトルおよび最終反射スペクトルと比較されます。検出器に到達する信号が低い場合、ノイズを減らすためにより多くのサンプルスキャンが必要になる可能性があることに注意してください(例:10,000スキャン)。測定データの信頼性と一貫性を確保するために、サンプルスキャンを繰り返す必要があります。
  8. 完了したスキャンのデータは、テキストファイルに変換してオフラインで分析できます。 サンプルの連続的なグランドプレーンは、透過性がないことを意味し、吸収スペクトルは1から反射を引くことで見つけることができます。

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結果

図5(a)は、厚さ3.1 μmのポリイミド誘電体スペーサーを用いたMM吸収体について、実験的に得られた吸収スペクトルとシミュレーション結果を示しています。このMM構造は、繰り返し周期27 μm、寸法K = 26 μm, L = 20 μm, M = 10 μmおよびN = 5 μmとなっています。また、吸収が誘電体ではなくMM構造に起因することを認めるため、ERR層のないサンプルでも実験的測定を行いました。ERR構造のない厚さ7.5 μmのポリイミドサンプルでは、関心のある周波数範囲全体で最大吸収率は5 %であり（図5(a)参照）、これにより、共鳴周波数における吸収がMM構造の結果であることが検証されました。実験データでは、2.12 THzで吸収強度77%の共鳴ピークが示されています。この結果は、2.12 THzにおけるシミュレーション上の最大吸収率81%と非常によく一致しています。図5(b)は、同一のERR形状でポリイミドの厚さを1-7.5 μmまで変化させたMM吸収体、および誘電体に3 μmのSiO2を用いた吸...

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ディスカッション

このプロトコルは、THzメタマテリアル吸収体のシミュレーション、製造、および特性評価を記述しています。このようなサブ波長構造は、コストのかかる製造手順に取り組む前に正確にシミュレートされることが不可欠です。Lumerical FDTDシミュレーションは、MM吸収スペクトルだけでなく、吸収の位置に関する情報も提供し、トランスデューサの配置を支援し、最大応答を得るための重要な知識を提供します。さらに、Lumericalの最適化アルゴリズムを実装して、事前に定義された性能指数(周波数 位置、吸収最大値、吸収最小値、帯域幅など)に適した吸収体構造を迅速に確立できます。シングルバンドMMアブソーバーのシミュレーション、製造、特性評価は24時間以内に完了できるため、あらゆる設計の迅速なプロトタイピングが可能です。当社の多層広帯域吸収体は、3つの別々の電子ビーム書き込みステップ(2つのレジストレーションステップ)で構成され、4日以内に実現できます。また、ERRとグランドプレーンの間にSiO2 およびSi3N4 絶縁領域を持つ吸収体も製造しました。これらの層はPECVD...

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開示事項

利益相反は宣言されていません。

謝辞

この作業は、Engineering and Physical Sciences Research Councilの助成金番号EP/I017461/1によってサポートされています。また、ジェームズ・ワット・ナノファブリケーション・センターの技術スタッフの貢献にも感謝したいと思います。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Lumerical FDTDLumerical
Silicon WaferIDB technologies片面研磨
Plassys 450 MEB 蒸発器Plassys Bestek
VM651 プライマーデュポン
PI2545デュポン
メチルイソブチルケトンSigma-Aldrich
イソプロパノール、Sigma-Aldrich
、Plasmaprep5バレル、Asher、Gala Instrumente、
VB6、UHR、EWF電子ビームライターVistec
Tanner、L-EditTanner、Inc.
レイアウト BeamerGenISys Inc.
ポリメチルメタクリレート(PMMA)Sigma-Aldrich293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v/s FTIRBruker
Pike 30spec 反射ユニットPike Technologies
Hg アークランプBruker
Au mirrorThor LabsPF05-03-M01
Leica INM20 光学顕微鏡ライカマイクロシステムズ
6mmマイラービームスプリッターブルカー
、

参考文献

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