Method Article

THz Metamaterial Absorbers 시뮬레이션, 제조 및 특성

DOI:

10.3791/50114

⸱

December 27th, 2012

 ,  , 
1School of Engineering, University of Glasgow

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 THz metamaterial absorbers의 시뮬레이션, 제조 및 특성을 설명합니다. 이러한 absorbers는 적절한 센서를 함께 사용하면, THz 이미징 및 분광의 응용 프로그램이 있습니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metamaterials (MM)는 자연에서 발견되지 않을 수 있습니다 속성을 가지고 설계 인공 재료는 널리 자신의 고유 한 속성의 첫 번째 한 이론 및 실험 시연이 때문에 탐구되었습니다. MMS는 매우 제어 전자기 응답을 제공 할 수 있으며, 최신 IR 4, 중반 IR 5, THz 6 mm 파 7, 전자 레인지 8 라디오 9 밴드 근처에있는 광학 3를 포함 해 모든 기술적 관련 스펙트럼 범위에서 입증되었습니다. 응용 프로그램 완벽한 렌즈 10, 센서 11, 통신 12, 투명 망토 13 필터 14,15가 포함되어 있습니다. 우리는 최근 싱글 밴드 16 듀얼 밴드 17 공명 피크에서보다 큰 80 %를 흡수 할 수있는 광대역 THz 18 metamaterial 흡수 장치를 개발했습니다. MM 흡수의 개념은 especiall입니다이 강력한 주파수 선택 THz absorbers에게 19를 찾아하기가 어렵습니다 THz 주파수에서 Y 중요합니다. 우리 MM 흡수에서 THz 방사선은 기존의 분기 파장 absorbers의 두께 제한을 극복 ~ λ/20의 두께에 흡수된다. MM absorbers 자연스럽게 같은 열 센서 THz 감지 응용 프로그램에 자신을 빌려하고, 적절한 THz 소스와 통합하는 경우 (예 : QCLs), 컴팩트 매우 민감한, 낮은 비용, 실시간 THz 이미징 시스템으로 이어질 수 있습니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 단일 밴드와 광대역 THz의 MM의 absorbers의 시뮬레이션, 제조 및 특성에 대해 설명합니다. 그림 1에 표시된 장치, 금속 십자가와 금속 접지면 위에 유전체 층으로 구성되어 있습니다. 십자가 모양의 구조는 공진기 전기 링 (ERR) 20,21과 강력하게 균일 한 전기장에 커플하지만, negligibly 자기 필드의 예입니다. 접지면과 ERR 페어링으로 사건 THz 파의 자기 구성 요소는 E-필드의 방향에 평행 ERR의 섹션에서 전류를 유도한다. 전기 및 자기 응답 한 후 독립적으로 조정 및 구조의 임피던스는 ERR의 기하학과 두 금속 요소 사이의 거리를 변화하여 빈 공간을 일치 될 수 있습니다. 그림 1 (d)에, 편광 문자를 구분 흡수 반응의 구조 결과의 대칭에 표시.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 단일 밴드 THz Metamaterial 흡수기의 시뮬레이션

A 3D보기가에 나와 있습니다 그림 2.

  1. Lumerical FDTD는 THz metamaterial 흡수를 전송, 반사 및 흡수 특성을 최적화하는 데 사용됩니다. 모든 객실은 μm에 부여됩니다.
  2. THz를 정의하면 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 자료 등록 정보를 폴리이 미드 재료 추가 (N, K) 물질와 K로 N으로 1.68와 0.06를 입력. 더블 왼쪽 "새로운 자료 1"을 클릭하고 다른 이름으로 이름을 바꾸는 "폴리이 미드". "이론 또는 실험 굴절률 데이터를 사용할 수있는 경우 하나를 할 수 있습니다 샘플 데이터를 추가 " 재료 속성을 정의 할 수 있습니다.
  3. 0.2 μm 두께의 금속 접지면으로 시작, 장치의 형상을 그립니다. 의 구조 탭을 선택 사각형와를 눌러 속성을 편집 E 키를 누릅니다. 에 입력 "groundplane" 이름 창 (0,0,0.1) 스팬 지역으로 구조 센터 좌표와 (31,31,0.2) 있습니다. 로 이동 자료 탭을 선택 완전 전기 도체 (PEC). 두께 3 μm의 범위로 중심 좌표와 (31,31,3)로 (0,0,1.7), 이름 창에 "폴리이 미드 '유전체 층 타이핑을 폴리이 미드 정의 반복합니다. 최종적으로 다음의 2 가지 사각형을 그려서 공진기 0.2 μm 두께의 전기 링을 정의 완전 전기 도체 (PEC) 지역 "arm1을 ERR"와 같은 중심의 좌표 (0,0,3.3)하지만 다른 스팬의 영역 (10,26,0.2) 및 (26,10,0.2) 각각에 "arm2을 ERR"라고.
  4. 하여 시뮬레이션 영역을 추가하기를 클릭 왼쪽 시뮬레이션하고 Enter 키를 누릅니다 E 속성을​​ 편집 할 수 있습니다. 의 일반 탭 입력 20 psec. 의 기하학 탭을 선택합니다 (0,0,0). 의 메쉬 설정 탭 3의 메쉬 정확성을 선택하고이 같은 다른 기본 설정을 유지. 의 시뮬레이션 경계 조건을 설정 경계 조건 탭 Y 분 BC와 y 최대 BC와 z 분 BC 및 z 최대 BC에 대해 "PML"(필수 "모든 경계에 허용 대칭 '에 대해"대칭 "X 분 BC와 X 최대 BC에 대해"안티 대칭'를 선택 ) 불만합니다. 에 다시 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 메쉬 재정의 지역을 포함 시뮬레이션 및 편집 E. 의 일반 탭 타입 DX와 마구 무시하고 dz 재정의를위한 0.05 μm 0.5 μm. 의 기하학 탭의 중심 좌표 (0,0,1.7) 및 스팬 영역 (30,30,3.8)를 입력합니다. 참고 그 작은 메쉬 크기 예 DX, 마구 0.1 μm는 시뮬레이션 정확성을 높일 수 있습니다. 그것은 작은 메쉬 크기를 사용하여 다시 시뮬레이션 한 다음 원하는 속성을 가진 구조가 취득 될 때까지 큰 메쉬 크기를 사용하여 시뮬레이션하는 것이 가장 좋습니다.
  5. 이 소스 유형을 정의하는 것은 옆에있는 화살표를 클릭 왼쪽 소스를 선택 비행기 파. 키를 눌러 E 소스 속성을 편집하고에 일반 탭을 뒤로로 방향을 변경합니다. 지오메트리 탭에서 스팬 지역의 중심 좌표 (0,0,90) 및 (35,35,0)을 입력합니다. 당신은 Z 범위를 수정할 수 없습니다. 에서 시뮬레이션의 최소 및 최대 주파수를 설정 주파수 / 파장 탭을 선택하십시오. 한 THz과 4 T​​Hz의 최대 최소를 선택하고 잘 전에 20 psec을 0으로 창 쇠퇴의 오른쪽 하단 모서리에있는 시간 그래프 대 신호의 펄스를 보장합니다.
    6. 왼쪽 버튼을 클릭 모니터 선택 주파수 도메인 필드 프로파일. 모니터 속성을 편집하고에서 "r95"를 입력하고 전자를 누르십시오 모니터 이름 창. 의 기하학 탭 중심의 좌표 (0,0,95) 및 스팬 지역 (30,30,0)을 입력합니다. 반복하고 두 번째를 생성 주파수 도메인 필드 프로파일 센터 "t95"좌표 (0,0, -95)와 지속 기간 (30,30,0)라는 모니터링 할 수 있습니다. 옆에있는 화살표를 왼쪽 버튼을 클릭 모니터 선택 글로벌 속성. 의 주파수 / 전력의 프로필 탭 주파수 포인트 창에 100을 입력합니다. 그림 2 단계 1.1-1.6의 완성에 Lumerical에 표시된 사시도이다. 메모리 요구 사항이 옆에있는 화살표를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 컴퓨터와 호환 확인 확인 아이콘 시뮬레이션 메모리 요구 사항을 확인. 그것을 "Jove.sim"과 같은 적절한 이름을 부여 파일을 저장합니다.
  6. 를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 시뮬레이션을 실행 실행을 아이콘을 선택하십시오.
  7. 시뮬레이션의 완료에에 다음을 입력이 스크립트 프롬프트 창. 하나는 또한 텍스트 편집기에 다음 텍스트를 입력하고 파일. lsf 파일로 저장 할 수 있습니다. 스크립트는 다음 옆에있는 화살표를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 실행할 수 있습니다 실행을 선택이 스크립트 한 다음 사용자의 컴퓨터에 저장 한 스크립트 파일을 찾아. 참고 # 기호는 의견을 나타냅니다.

부하 ( "Jove_sim"); #로드 시뮬레이션 파일 F = getdata ( "r95", "F"); # r95 모니터에서 반사 데이터 및 주파수 데이터를 얻을 R = 전송 ( "r95"); # 반사 데이터를 포함하는 매트릭스로 R을 정의 A = 1-R, # 흡수를 계산 fthz = f/1e12; # THz에 주파수를 변환 줄거리 (fthz, A, R, '주파수 (THz) ","흡수 ","반사 "); # 플롯 데이터 전설 ( "흡수", "반사");
파일 이름 = "Jove_sim.csv"; # 수출 데이터 RM (파일 이름); # 파일을 삭제 람다 = C / F, # 파장에 주파수를 변환에 대한은 (i = 1 : 길이 (람다)) {
(파일 이름, num2str을 (F은 (i)) + ","+ num2str (fthz은 (i)) + ","+ num2str (R은 (i)) + ","+ num2str (A은 (i)) + "을 (를) 쓸 수 , ");
} # 열 주파수의 형식, 반사와 흡수에. csv 파일을 출력

2. 단일 밴드 THz Metamaterial 흡수기의 제작

그림 3는 가장 중요한 제조 단계를 보여줍니다.

  1. 의 연속 솔루션의 실리콘 15mm의 작품으로 15mm를 청소 따뜻한 (50 ° C) 처음 10 분 동안 용매를 포함하는 비커를 가열 한 후 초음파 교반을 사용하여 opticlear, 아세톤 및 ispopropanol. 이 프로토콜도 4 인치 직경 웨이퍼에 여러 장치를 조작하는 데 사용할 수 있습니다.
  2. Plassys 450 MEB 전자빔 증발기 사용 (15mm하여 15mm에 금속 20 nm/100 나노 미터 티 / 호주의 이중 층을 증발 그림 3 단계 중 1 단계). 금속 두께가 원하는 동작 주파수에서 피부 깊이보다 커야해야합니다.
    3. 샘플을 청소
  3. 피펫을 사용하여 샘​​플에 VM651 프라이머을 투여하고 20 초에 휴식을 둡니다. 60 초에 120 ° C에서 연락처 열판에 구워 후 5 초 4,000 rpm으로 샘플을 스핀합니다.
  4. 제거 듀폰 PI2545는 냉장고에서 폴리이 미드. 병 20 분 실내 온도에 도달 할 수 있습니다. 이것은 필름 속성을 폴리이 미드 병적이고, 품위를 떨어 트리는 내부에 수분 응축 될 것입니다 냉동고에서 제거 후 바로 병을 열어부터 필수적입니다. 피펫을 사용하여 샘​​플에 PI2545을 투여하고 휴식을 취할 수 있도록 20 초 할 수 있습니다. 다음과 같은 설정을 2 단계 스핀 절차를 사용하여 샘​​플을 돌려 -은 (i) 최종 회전 속도 500 rpm에서, 가속 100 RPM으로 -1, 최종 스핀 시간 5 초 (II) 최종 회전 속도 6,000 RPM, 가속 500 RPM으로 -1, 최종 스핀 시간 60 초. 5 분 (140 ° C에서 연락처 열판에 베이킹 샘플 그림 3 단계 중 2 단계). 두꺼운 폴리이 미드 필름 필요한 경우 그런 다음 여러 레이어를 회전하거나 최종 회전 속도를 줄일 수 있습니다. 를 얻으려면 것은 PI2545의 최소한의 엣지 비드 3 층에 3 μm의 필름 두께를 폴리이 미드는 위의 프로토콜을 사용하여 소용됩니다.
  5. 10 분에 220 ° C에서 연락처 열판에 폴리이 미드 치료. 이 치료 절차 후 PI2545는 대부분의 용제 및 산에 안타 않으며, 산소 플라즈마를 사용하여 제거 할 수 있습니다. PI2545는 실리콘 더미 부분에 돌다가 위와 같이 치유와 폴리이 미드를 긁적 및 단계 높이를 측정 할 DEKTAK 표면 profilometer 사용하여 측정 필름의 두께. 할 수 있습니다
    6. 보증금 15% 2010 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트),. 30 분에 180 ° C에서 대류 오븐에서 60 초 구워을 위해 5,0​​00 rpm으로 회전. 베이킹 전에 초과는 아세톤을 사용하여 샘​​플의 뒷면에 후에 느끼게했다 그 저항 제거합니다. 오븐에서 샘플을 제거하고 실내 온도 (~ 5 분)에 냉각 둡니다. 샘플로 입금 4퍼센트 2041 PMMA, 60 분 (180 ° C에서 대류 오븐에 60 초 구워 5,000 rpm으로 회전 그림 3 단계 중 3 단계). 초과는 베이킹하기 전에 아세톤을 사용하여 샘​​플의 뒷면에 후에 느끼게했다 그 저항 제거합니다.
  6. 450 μC / cm의 복용량을 사용하여 Vistec VB6 전자 빔 작가에서 원하는 작업을 작성 2. 작업 파일은 레이아웃 Beamer에서 다각형으로 골절, 태너 L-편집에서 설계 및 마지막으로 자바 기반의 BELLE 소프트웨어를 사용하여 빔 작가에 제출합니다.
  7. 1시 1분 MIBK의 솔루션에 샘플을 개발 : 23 ° C의 온도에서 IPA (60 초는에 그림 3, 4 단계). 이소프로판올의 비커에 씻어. 광학 현미경에 패턴 충실도를 검사합니다. 기능이 제대로 해결하는 경우 opticlear, 아세톤 및 이소프로판올에 저항을 제거하고 2.2부터 다시 시작합니다.
    8. Descum 샘플 2 갈라 Plasmaprep를 사용하여 5 통 아셀. Plassys 450 MEB 전자빔 증발기 사용 (20 nm의 티 150 nm의 끊을을 증발 그림 3 단계 5).
  8. 따뜻한 아세톤의 비커에 샘플을 넣고 50 ° C.에 보관 온수 욕조에 비커를 배치 4 시간 물이 욕조에서 샘플을 제거하고 피펫은 예제에 후한 따뜻한 아세톤과 스프레이의 일부를 빨아 사용 후 ( 그림 3 단계 6). 금속 PMMA이 존재했던 지역에서 해제 리프팅되어 있는지 확인하기 위해 눈으로 샘플을 검사합니다. 리프트 오프가 진행되는 경우 느리게 2 분의 초음파 물이 욕조에 비커를 배치합니다. 광학 현미경으로 샘플을 검사합니다.
  9. 프로토콜은 그러나 단일 밴드 THz 흡수의 제조 다중 레벨 듀얼 밴드 및 광대역 absorbers이 단계 2.3-2.11를 반복하고 상단에 여러 십자가를 스태킹에 의해 생성 될 수있다하는 것은 레이어를 폴리이 미드에 대해 설명합니다.

3. 단일 밴드 THz Metamaterial 흡수기의 특성

그림 4은 기본 FTIR 악기 레이아웃을 보여줍니다.

  1. IFS 66V / S 푸리에 변환 인프라 레드 (FTIR) 분석기에 질소 공급 장치를 켭니다. HG 아크 램프를 켜 할 수있는 분광계 제어 장치의 전면에있는 "FIR"버튼을 누르십시오. 그것은 안정 램프 전력 15 분 주위에 걸립니다. 간섭 장치의 해당 슬롯에 6 μm 다층 빔 스플리터를 삽입합니다.
  2. 분광계의 샘플 구획​​을 방출하고 파이크 30 ° 반사 장치를 삽입합니다. 반사 단위 개구 상단에이 상단에 4mm 구멍은 황금 거울을 올려 놓습니다. 4mm 구멍은 금 미러 배경 측정을 할 필요가있는 동안 심문을하게 될 샘플의 영역을 결정합니다.
  3. 샘플 구획​​을 벗어나 5 mbar로 내려 가야 압력이 나올 때까지 기다리는 것이 좋습니다. 분석기는 그러나 신호의 크기는 일반적으로 진공에 비해 20 % 이하로 떨어 정화 질소 환경에서 실행할 수 있습니다.
  4. 오푸스 소프트웨어를 시작하고 30cm에 측정을 주셔서 구성 파일 (설정 장치의 설치에)를로드 -1 300cm에 -1 범위 (1 9THz). 이 파일은 스캐너 속도, 소스 개구, 소스 유형, 데이터 수집 방법 및 푸리에 변환 실행 모드와 다양한 분광계 매개 변수를 설정합니다. 검출기 구역의 전면에 LED를 확인은 스캐너가 작동하는지 나타내는 녹색으로 깜박입니다. interferogram의 형태가 예상되어 있는지 확인합니다.
  5. 배경 스펙트럼을 얻기 위해 100 배경 스캔을 실행합니다.
  6. 배기 샘플 구획​​ 개구에 거울과 장소 샘플 얼굴을 제거합니다. 샘플의 중심이 구멍의 중앙에 있는지 확인하십시오. 샘플 격실 대피하십시오.
  7. 샘플 스펙트럼을 얻기 위해 1000 샘플 검사를 실행합니다. 샘플 스펙트럼이 배경 참조 스펙트럼과 얻은 샘플의 최종 반사 스펙트럼을 기준으로하여 결정됩니다. 검출기에 도달하는 신호가 낮은 경우, 샘플 검사의 큰 번호는 소음을 줄이기 위해해야​​ 할 수 있습니다 ( 예 만 스캔). 반복 샘플 검사는 측정 데이터 신뢰성과 일관성을 보장하기 위해하여야한다.
  8. 완성 된 스캔의 데이터는 텍스트 파일로 변환 및 오프라인 분석 할 수 있습니다. 샘플의 지속적인 지상 비행기는 흡수 스펙트럼이 1에서 반사을 차감하여 찾을 수 수있는 전송 에고가없는 것을 의미합니다.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

그림 5는 (a) 두께 3.1 μm와 MM 흡수를위한 실험적으로 얻어진 및 시뮬레이션 흡수 스펙트럼은 유전체 스페이서를 폴리이 미드 보여줍니다. 이 MM 구조는 27 μm 및 치수 K = 26 μm, L = 20 μm, M = 10 μm와 N = 5 μm의 반복 - 기간이 있습니다. 더이 흡수가 유전체의 MM 구조의 결과였다가 아닌 확인하는 층을 ERR와 실험 측정은 샘플에 수행되지 않았습니다. 더는 구조가 관심의 주파수 범위에 걸쳐 5 % 최대 흡수가 ERR와 7.5 μm 두께 샘플을 폴리이 미드없고, 따라서 공진 주파수 흡수에 MM 구조의 결과입니다 확인, (A) 그림 5를 참조하십시오. 실험 데이터 77 %의 흡수 규모의 2.12 THz에서 공명 피크를 보여줍니다. 이 결과는 2.12 THz에서 81%의 시뮬레이션 흡수 최대 우수한 계약입니다. 그림 5 (B)에 대한 실험 데이터를 보여줍니다같은과 MM absorbers는 다른이 1...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 THz metamaterial absorbers의 시뮬레이션, 제조 및 특성에 대해 설명합니다. 그것은 어떤 노력이 비용이 많이 드는 제조 절차를 위해 최선을 다하고 있습니다 전에 반드시 이러한 하위 파장 구조를 정확하게 시뮬레이션 점입니다. Lumerical FDTD 시뮬레이션은 MM 흡수 스펙트럼뿐만 아니라에 대한 정보뿐만 아니라 트랜스 듀서의 위치를​​ 지원하고 최대 응답을 얻을 수 흡수의 위치, 필수 지식을 제공합니다. 또한 Lumerical의 최적화 알고리즘은 빠르게 실력 미리 정의 된 그림 (예를 들어 주파수 위치, 흡수 최대 흡수 최소, 대역폭 등)에 대한 적절한 흡수 구조를 구축하기 위해 구현 될 수있다. 단일 밴드 MM 흡수의 시뮬레이션, 제조 및 특성은 모든 설계의 신속한 프로토 타입을 허용한지 24 시간에 완료 할 수 있습니다. 우리의 다층 광대역 흡수는 세 별도의 전자 빔 쓰기 단계 (두 등록 s의 구성TEPS)과는 이하 사일에서 실현 될 수 있습니다. 우리는 또한이 ERR ...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작품은 공학 및 물리 과학 연구위원회 교부금 번호 EP/I017461/1에 의해 지원됩니다. 우리는 또한 제임스 와트 Nanofabrication 센터의 기술 직원에 의해 재생 기여를 인정하고 싶습니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
시약 / 재료의 이름 회사 카탈로그 번호 코멘트
Lumerical FDTD Lumerical
실리콘 웨이퍼 IDB 기술 세련된 측면 싱글
Plassys 450 MEB 증발기 Plassys Bestek
VM651 입문서 듀폰
PI2545 듀폰
메틸 이소 부틸 케톤의 시그마 - 알드리치
이소프로판올 시그마 - 알드리치
Plasmaprep5 통 아셀 갈라 Instrumente
VB6 UHR EWF 전자 빔 작가 Vistec
테너 L-수정 테너 주식회사
레이아웃 Beamer GenISys 주식회사
Polymethyl 메타 크릴 레이트 (PMMA) 시그마 - 알드리치 293261 시그마 - 알드리치
IFV 66v / s의 FTIR Bruker
파이크 30spec 반사 장치 파이크 기술
HG 아크 램프 Bruker
AU 거울 토르 연구소 PF05-03-M01
Leica INM20 광학 현미경 Leica 마이크로 시스템즈
6mm Mylar의 Beamsplitter Bruker

References

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