Methodenartikel

Simulatie, fabricage en karakterisering van THz Metamateriaal Absorbers

DOI:

10.3791/50114

⸱

27 december 2012

 ,  , 
1School of Engineering, University of Glasgow

In dit artikel

Samenvatting

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

Dit protocol beschrijft de simulatie, fabricage en karakterisering van THz metamateriaal absorbers. Dergelijke absorbers hebben, wanneer gekoppeld aan een geschikte sensor, toepassingen in THz beeldvorming en spectroscopie.

Samenvatting

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

Metamaterialen (MM), kunstmatige materialen die zijn ontworpen om eigenschappen te hebben die in de natuur niet voorkomen, worden al lang onderzocht sinds de eerste theoretische1 en experimentele demonstratie2 van hun unieke eigenschappen. MM's kunnen een zeer controleerbare elektromagnetische respons bieden, en tot op heden zijn ze aangetoond in elk technologisch relevant spectraal bereik, inclusief de optische3, nabij IR4, midden IR5, THz6, mm-golf7, microgolf8 en radio9 banden. Toepassingen omvatten perfecte lenzen10, sensoren11, telecommunicatie12, onzichtbaarheidsmantels13 en filters14,15. We hebben onlangs single band16, dual band17 en breedband18 THz metamateriaal absorber apparaten ontwikkeld die in staat zijn tot meer dan 80% absorptie op het resonantie piek. Het concept van een MM absorber is vooral belangrijk bij THz frequenties waar het moeilijk is om sterke frequentie selectieve THz absorbers19 te vinden. In onze MM absorber wordt de THz straling geabsorbeerd in een dikte van ~ λ/20, waardoor de dikte beperking van traditionele kwartgolf absorbers wordt overwonnen. MM absorbers lenen zich natuurlijk voor THz detectie toepassingen, zoals thermische sensoren, en indien geïntegreerd met geschikte THz bronnen (bijv. QCL's), kunnen ze leiden tot compacte, zeer gevoelige, goedkope, realtime THz beeldvormingssystemen.

Inleiding

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

Dit protocol beschrijft de simulatie, fabricage en karakterisering van enkele band en breedband THz MM absorbers. Het apparaat, getoond in Figuur 1, bestaat uit een metalen kruis en een diëlektrische laag bovenop een metalen grondvlak. De kruisvormige structuur is een voorbeeld van een elektrische ringresonator (ERR)20,21 en koppelt sterk aan uniforme elektrische velden, maar verwaarloosbaar aan een magnetisch veld. Door de ERR te combineren met een grondvlak, induceert de magnetische component van de invallende THz-golf een stroom in de delen van de ERR die parallel zijn aan de richting van het E-veld. De elektrische en magnetische respons kunnen vervolgens onafhankelijk worden afgesteld en de impedantie van de structuur wordt aangepast aan de vrije ruimte door de geometrie van de ERR en de afstand tussen de twee metalen elementen te variëren. Zoals getoond in Figuur 1(d), resulteert de symmetrie van de structuur in een polarisatie-onafhankelijke absorptierespons.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Simulatie van een enkele band THz metamateriaal absorber

Een 3D-weergave van de simulatieset-up is getoond in Figuur 2.

  1. Lumerical FDTD wordt gebruikt om de transmissie, reflectie en absorptie eigenschappen van de THz metamateriaal absorber te optimaliseren. Alle eenheden zijn gegeven in μm.
  2. Definieer de THz polyimide materiaaleigenschappen door links te klikken op Materialen, Toevoegen (n,k) materiaal en in te voeren 1.68 als de n en 0.06 als de k. Dubbel linksklikken op "nieuw materiaal 1" en hernoemen naar "polyimide". Merk op dat als theoretische of experimentele brekingsindexgegevens beschikbaar zijn, men "toegevoegde bemonsterde gegevens" kan toevoegen om de materiaaleigenschappen te definiëren.
  3. Teken de geometrie van het apparaat, beginnend met de 0,2 μm dikke metalen grondvlak. In het structuren tab selecteer rechthoek en bewerk de eigenschappen door op de e toets te drukken. Voer "grondvlak" in in het naam venster, (0,0,0.1) als de centrumcoördinaten van de structuur en (31,31,0.2) als de span regio. Ga naar het materiaal tab en selecteer Perfect Electrical Conductor (PEC). Herhaal om de 3 μm dikke polyimide diëlektrische laag te definiëren door "polyimide" in het naamvenster te typen, (0,0,1.7) als de centrum coördinaten en (31,31,3) als de span. Definieer tenslotte de 0.2 μm dikke elektrische ringresonator door twee rechthoekige Perfect Electrical Conductor (PEC) gebieden te tekenen genaamd "ERR arm1" en "ERR arm2" met dezelfde centrum coördinaten van (0,0,3.3) maar verschillende span regio's van (10,26,0.2) en (26,10,0.2) respectievelijk.
  4. Voeg de simulatieregio toe door links te klikken op Simulatie en druk op e om de eigenschappen te bewerken. In het algemeen tab voer 20 psec in als de simulatietijd. In het geometrie tab kies (0,0,0) als de centrumcoördinaten en (30,30,200) als de span regio's. In het mesh instellingen tab selecteer een nauwkeurigheid van 3 en houd de andere standaard instellingen zoals ze zijn. Stel de simulatie grenscondities in in het grenscondities tab door "Anti-symmetrisch" te kiezen voor x min bc en x max bc, "symmetrisch" voor y min bc en y max bc en "PML" voor z min bc en z max bc (de "symmetrie toestaan op alle grenzen" moet worden aangevinkt). Voeg een mesh override regio toe door opnieuw links te klikken op Simulatie en bewerk door op e te drukken. In het algemeen tab typ 0.5 μm voor de dx en dy override en 0.05 μm voor de dz override. In het geometrie tab voer de centrum coördinaten (0,0,1.7) en span regio's (30,30,3.8) in. Merk op dat een kleinere mesh size van bijv. dx, dy 0.1 μm, zal de simulatie nauwkeurigheid verhogen, hoewel dit ten koste gaat van een aanzienlijk verhoogde CPU-geheugen en simulatietijd. Het is het beste om te simuleren met een grote mesh size totdat een structuur met de gewenste eigenschappen is verkregen en vervolgens opnieuw te simuleren met de kleinere mesh size.
  5. Definieer het brontype door links te klikken op de pijl naast bronnen en kies vlak golf. Druk op e om de broneigenschapen te bewerken en in het algemeen tab verander de richting naar achterwaarts. In het geometrietab voer de centrumcoördinaten in (0,0,90) en (35,35,0) voor de span regio. Merk op dat je de z span niet kunt wijzigen. Stel de minimale en maximale frequentie van de simulatie in in de frequentie/golflengte tab. Kies een minimum van 1 THz en een maximum van 4 THz en zorg ervoor dat de puls in de signaal versus tijd grafiek in de rechteronderhoek van het venster vervalt naar nul vóór 20 psec.
  6. Links klikken op de pijl naast Monitors en selecteer frequentiedomein veldprofiel. Druk op e om de monitor eigenschappen te bewerken en enter "r95" in het monitor naam venster. In het geometrie tab enter de centrumcoördinaten van (0,0,95) en span regio (30,30,0). Herhaal en maak een tweede frequentiedomein veldprofiel monitor genaamd "t95" met centrumcoördinaten (0,0,-95) en spans (30,30,0). Links klikken op de pijl naast Monitors en selecteer globale eigenschappen. In de frequentie/vermogen profiel tab enter 100 in de frequentiepunten venster. Figuur 2 toont de perspectiefweergave die in Lumerical wordt weergegeven na voltooiing van stappen 1.1-1.6. Controleer of de geheugenvereisten compatibel zijn met uw computer door links te klikken op de pijl naast de Check icoon in de bovenste werkbalk en te selecteren simulatie geheugenvereisten controleren. Sla het bestand op met een geschikte naam zoals "Jove.sim".
  7. Voer de simulatie uit door links te klikken op de Run icoon.
  8. Na voltooiing van de simulatie voert u het volgende in in het script prompt venster. Merk op dat u het volgende tekst ook in een teksteditor kunt invoeren en het bestand kunt opslaan als een.lsf bestand. Het script kan vervolgens worden uitgevoerd door links te klikken op de pijl naast Run, kies script en vervolgens het scriptbestand te lokaliseren dat

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Figuur 5(a) toont de experimenteel verkregen en gesimuleerde absorptiespectra voor een MM-absorber met een 3,1 μm dikke polyimide diëlektrische ruimtegever. Deze MM-structuur heeft een herhalingsperiode van 27 μm en afmetingen K = 26 μm, L = 20 μm, M = 10 μm en N = 5 μm. Experimentele metingen werden ook uitgevoerd met monsters zonder ERR-laag om te bevestigen dat absorptie een gevolg was van de MM-structuur en niet van de diëlektrische stof. De 7,5 μm dikke polyimide-monster zonder ERR-stru...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Dit protocol beschrijft de simulatie, fabricage en karakterisering van THz metamateriaal absorbers. Het is essentieel dat dergelijke sub-golflengte structuren nauwkeurig worden gesimuleerd voordat er moeite wordt gestoken in kostbare fabricage procedures. Lumerical FDTD simulaties leveren niet alleen informatie over het MM absorptiespectrum, maar ook de locatie van de absorptie, essentiële kennis om te helpen bij de plaatsing van een transducer en om de maximale respons te verkrijgen. Bovendien kan het optimalisatiealgor...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

Geen belangenconflicten verklaard.

Dankbetuigingen

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

Dit werk wordt ondersteund door de Engineering and Physical Sciences Research Council met subsidienummer EP/I017461/1. We willen ook de bijdrage erkennen die is geleverd door het technische personeel van het James Watt Nanofabrication Centre.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Lumerical FDTDLumerical
Silicon waferIDB technologiesSingle sided polished
Plassys 450 MEB evaporatorPlassys Bestek
VM651 PrimerDupont
PI2545Dupont
Methyl Isobutyl KetoneSigma-Aldrich
IsopropanolSigma-Aldrich
Plasmaprep5 barrel AsherGala Instrumente
VB6 UHR EWF electron beam writerVistec
Tanner L-EditTanner Inc.
Layout BeamerGenISys Inc.
Polymethyl methacrylate (PMMA)Sigma-Aldrich293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v/s FTIRBruker
Pike 30spec reflection unitPike Technologies
Hg arc lampBruker
Au mirrorThor LabsPF05-03-M01
Leica INM20 Optical MicroscopeLeica microsystems
6 mm Mylar BeamsplitterBruker

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans. Microw. Theory. 47, 2075-2084 (1999).
  2. Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Microw Theory. 47, 2075-2084 (1999).
  3. Smith, D. R., Padilla, W. J., Vier, D. C., Nemat-Nasser, S. C., Schultz, S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys. Rev. Lett. 84, 4184-4187 (2000).
  4. Dolling, G., Wegener, M., Linden, S. Realization of a three-functional-layer negative-index photonic metamaterial. Opt. Lett. 32, 551-553 (2007).
  5. Zhang, S., et al. Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials. Phys. Rev. Lett. 95, 137404(2005).
  6. Linden, S., et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science. 306, 1351-1353 (2004).
  7. Landy, N. I., et al. Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging. Phys. Rev. B. 79, 125104-12 (2009).
  8. Gokkavas, M., et al. Experimental demonstration of a left-handed metamaterial operating at 100 GHz. Phys. Rev. B. 73, 193103(2006).
  9. Smith, D. R., Kroll, N. Negative refractive index in left-handed materials. Phys. Rev. Lett. 85, 2933-2936 (2000).
  10. Wiltshire, M. C. K., et al. Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging. Science. 291, 849-851 (2001).
  11. Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
  12. Kabashin, A. V., et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing. Nat. Mater. 8, 867-871 (2009).
  13. Dolling, G., Enkrich, C., Wegener, M., Soukoulis, C. M., Linden, S. Low-loss negative-index metamaterial at telecommunication wavelengths. Opt. Lett. 31, 1800-1802 (2006).
  14. Schurig, D., et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
  15. Chen, H. T., et al. Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials. Nat. Photonics. 2, 295-298 (2008).
  16. Ma, Y., Khalid, A., Saha, S. C., Grant, J. P., Cumming, D. R. S. THz band pass filter on plastic substrates and its application on biological sensing. IEEE Photonics Society Winter Topicals Meeting Series. , 50-51 (2010).
  17. Grant, J., et al. Polarization insensitive terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 1524-1526 (2011).
  18. Ma, Y., et al. A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 945-947 (2011).
  19. Grant, J., Ma, Y., Saha, S., Khalid, A., Cumming, D. R. S. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 3476-3478 (2011).
  20. Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photon. 1, 97-105 (2007).
  21. D. Schurig, J. J. M., Justice, B. J., Cummer, S. A., Pendry, J. B., Starr, A. F., Smith, D. R. Microwave Cloaking Realized. Science. 314, 889(2006).
  22. Padilla, W. J., et al. Electrically resonant terahertz metamaterials: Theoretical and experimental investigations. Phys. Rev. B. 75, 041102(2007).
  23. Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys. Rev. E. 71, (2005).
  24. Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R., Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 207402(2008).
  25. Hao, J. M., et al. High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial. Appl. Phys. Lett. 96, 251104(2010).
  26. Chen, H. T. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt. Express. 20, 7165-7172 (2012).
  27. Lee, A. W. M., Hu, Q. Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array. Optics Letters. 30, 2563-2565 (2005).
  28. Thermo Nicolet Corporation. An Introduction to Fourier Transform Infared Spectroscopy. , (2001).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Terahertz Metamaterial AbsorberMetamaterial Absorber DesignElectron Beam EvaporatorFourier Transform Infrared SpectroscopyPolyamide Dielectric SpacerElectron Beam LithographyOptical Microscope InspectionTerahertz Imaging SystemsMetamaterial Device FabricationAbsorption Spectrum Analysis

Gerelateerde artikelen