Symulacja, wytwarzanie i charakterystyka absorberów metamateriałowych THz

Summary

Ten protokół opisuje symulację, wytwarzanie i charakterystykę absorberów metamateriałów THz. Takie absorbery, sprzężone z odpowiednim czujnikiem, mają zastosowanie w obrazowaniu i spektroskopii THz.

Abstract

Metamateriały (MM), sztuczne materiały zaprojektowane tak, aby miały właściwości, które mogą nie być spotykane w naturze, były szeroko badane od czasu pierwszej teoretycznej¹ i eksperymentalnej demonstracji² ich unikalnych właściwości. MM mogą zapewniać wysoce kontrolowaną odpowiedź elektromagnetyczną i do tej pory zostały wykazane w każdym technologicznie istotnym zakresie spektralnym, w tym w pasmach optycznych³, bliskiej podczerwieni⁴, średniej podczerwieni⁵, THz⁶, fal milimetrowych⁷, mikrofal⁸ i pasm radiowych⁹. Zastosowania obejmują doskonałe soczewki¹⁰, czujniki¹¹, telekomunikację¹², peleryny niewidki¹³ i filtry^14,15. Niedawno opracowaliśmy jednopasmowe¹⁶-, dwuzakresowe¹⁷ i szerokopasmowe 18-pasmowe urządzenia absorbujące metamateriał¹⁸ THz, zdolne do absorpcji większej niż 80% w szczycie rezonansowym. Koncepcja absorbera MM jest szczególnie ważna w przypadku częstotliwości THz, gdzie trudno jest znaleźć silne selektywne częstotliwościowo absorbery THz¹⁹. W naszym absorberze MM promieniowanie THz jest pochłaniane w grubości ~ λ/20, pokonując ograniczenie grubości tradycyjnych absorberów o ćwierć długości fali. Absorbery MM naturalnie nadają się do zastosowań związanych z wykrywaniem THz, takich jak czujniki termiczne, a jeśli są zintegrowane z odpowiednimi źródłami THz (np. QCL), mogą prowadzić do powstania kompaktowych, bardzo czułych, tanich systemów obrazowania THz w czasie rzeczywistym.

Introduction

Ten protokół opisuje symulację, produkcję i charakterystykę jednopasmowych i szerokopasmowych absorberów THz MM. Urządzenie, pokazane na rysunku 1, składa się z metalowego krzyża i warstwy dielektrycznej na metalowej płaszczyźnie uziemienia. Struktura w kształcie krzyża jest przykładem elektrycznego rezonatora pierścieniowego (ERR)^20,21 i silnie sprzęga się z jednorodnymi polami elektrycznymi, ale nieistotnie z polem magnetycznym. Poprzez sparowanie ERR z płaszczyzną uziemienia, składowa magnetyczna padającej fali THz indukuje prąd w sekcjach ERR, które są równoległe do kierunku pola E. Odpowiedź elektryczna i magnetyczna może być następnie dostrojona niezależnie, a impedancja konstrukcji dopasowana do wolnej przestrzeni poprzez zmianę geometrii ERR i odległości między dwoma metalowymi elementami. Jak pokazano na rysunku 1(d), symetria struktury powoduje niewrażliwą na polaryzację odpowiedź absorpcyjną.

Protocol

1. Symulacja jednopasmowego absorbera metamateriału THz

Widok 3D konfiguracji symulacji jest pokazany na rysunku 2.

1. Lumerical FDTD służy do optymalizacji charakterystyki transmisji, odbicia i absorpcji absorbera metamateriału THz. Wszystkie jednostki podane są w μm.
2. Zdefiniuj właściwości materiału poliimidowego THz, klikając lewym przyciskiem myszy Materiały, Dodaj materiał (n,k) i wprowadzając 1.68 jako n i 0.06 jako k. Kliknij dwukrotnie lewym przyciskiem myszy "nowy materiał 1" i zmień jego nazwę na "poliimid". Należy pamiętać, że jeśli dostępne są teoretyczne lub eksperymentalne dane dotyczące indeksu załamania światła, można "dodać próbkowane dane" w celu zdefiniowania właściwości materiału.
3. Narysuj geometrię urządzenia, zaczynając od metalowej płaszczyzny uziemienia o grubości 0,2 μm. W zakładce struktury wybierz prostokąt i edytuj właściwości, naciskając e. Wprowadź "płaszczyznę uziemienia" w oknie nazwy, (0,0,0.1) jako współrzędne środka konstrukcji i (31,31,0.2) jako obszar przęsła. Przejdź do zakładki materiału i wybierz Idealny przewodnik elektryczny (PEC). Powtórz tę czynność, aby zdefiniować poliimidową warstwę dielektryczną o grubości 3 μm, wpisując "poliimid" w oknie nazwy, (0,0,1.7) jako współrzędne środkowe i (31,31,3) jako przęsło. Na koniec zdefiniuj elektryczny rezonator pierścieniowy o grubości 0,2 μm, rysując dwa prostokątne obszary idealnego przewodnika elektrycznego (PEC) o nazwach "ERR arm1" i "ERR arm2" o tych samych współrzędnych środkowych (0,0,3.3), ale różnych obszarach rozpiętości odpowiednio (10,26,0.2) i (26,10,0.2).
4. Dodaj region symulacji, klikając lewym przyciskiem myszy Symulacja i naciśnij e, aby edytować właściwości. W zakładce ogólne wprowadź 20 psec jako czas symulacji. Na karcie geometrii wybierz (0,0,0) jako współrzędne środka i (30,30,200) jako regiony przęsła. Na karcie ustawień siatki wybierz dokładność siatki równą 3 i pozostaw pozostałe ustawienia domyślne bez zmian. Ustaw warunki brzegowe symulacji w zakładce warunki brzegowe, wybierając "Antysymetryczny" dla x min bc i x max bc, "symetryczny" dla y min bc i y max bc oraz "PML" dla z min bc i z max bc (musi być zaznaczona opcja "zezwalaj na symetrię na wszystkich granicach"). Dołącz region zastąpienia siatki, klikając ponownie lewym przyciskiem myszy Symulacja i edytuj, naciskając e. W zakładce Ogólne wpisz 0,5 μm dla nadpisania dx i dy oraz 0,05 μm dla nadpisania dz. W zakładce geometria wprowadź współrzędne środkowe (0,0,1.7) oraz obszary rozpiętości (30,30,3.8). Należy pamiętać, że mniejszy rozmiar siatki, np. dx, dy 0,1 μm, zwiększy dokładność symulacji, choć odbędzie się to kosztem znacznie zwiększonej pamięci procesora i czasu symulacji. Najlepiej jest symulować przy użyciu oczek o dużym rozmiarze oczek, aż do uzyskania struktury o pożądanych właściwościach, a następnie ponownie symulować przy użyciu mniejszego rozmiaru siatki.
5. Zdefiniuj typ źródła, klikając lewym przyciskiem myszy strzałkę obok źródeł i wybierając falę płaską. Naciśnij e, aby edytować właściwości źródła i na karcie ogólne zmień kierunek na wstecz. W zakładce geometria wprowadź współrzędne środkowe (0,0,90) i (35,35,0) dla obszaru przęsła. Należy pamiętać, że nie można modyfikować zakresu z. Ustaw minimalną i maksymalną częstotliwość symulacji w zakładce częstotliwość/długość fali. Wybierz minimum 1 THz i maksimum 4 THz i upewnij się, że impuls na wykresie sygnału w funkcji czasu w prawym dolnym rogu okna zanika do zera na długo przed 20 psec.
6. Kliknij lewym przyciskiem myszy strzałkę obok opcji Monitory i wybierz profil pola w dziedzinie częstotliwości. Naciśnij e, aby edytować właściwości monitora i wprowadź "r95" w oknie nazwy monitora. W zakładce geometria wprowadź współrzędne środkowe (0,0,95) i obszar przęsła (30,30,0). Powtórz i utwórz drugi monitor profilu pola w dziedzinie częstotliwości o nazwie "t95" ze współrzędnymi środkowymi (0,0,-95) i zakresami (30,30,0). Kliknij lewym przyciskiem myszy strzałkę obok opcji Monitory i wybierz właściwości globalne. W zakładce profil częstotliwości/mocy wprowadź 100 w oknie punktów częstotliwości. Rysunek 2 przedstawia widok perspektywiczny wyświetlany w Lumerical po wykonaniu kroków 1.1-1.6. Sprawdź, czy wymagania dotyczące pamięci są kompatybilne z Twoim komputerem, klikając lewym przyciskiem myszy strzałkę obok ikony Sprawdź na górnym pasku narzędzi i wybierając opcję Sprawdź wymagania dotyczące pamięci symulacji. Zapisz plik, nadając mu odpowiednią nazwę, taką jak "Jove.sim".
7. Uruchom symulację, klikając lewym przyciskiem myszy ikonę Uruchom.
8. Po zakończeniu symulacji wprowadź następujące informacje w oknie monitu skryptu. Zwróć uwagę, że można również wprowadzić następujący tekst w edytorze tekstu i zapisać plik jako plik .lsf. Skrypt można następnie uruchomić, klikając lewym przyciskiem myszy strzałkę obok opcji Uruchom, wybierając skrypt, a następnie lokalizując plik skryptu zapisany na komputerze. Zwróć uwagę, że symbol # oznacza comment.
   

load("Jove_sim"); # wczytuje plik symulacji
f = getdata("r95","f"); # Pobiera dane o odbiciu i częstotliwości z monitora R95
R = skrzynia biegów("r95"); # definiuje R jako macierz zawierającą dane odbicia
A = 1-R; # oblicza absorpcję
fthz=f/1e12; # konwertuje częstotliwość na THz
wykres(fthz,A,R,"Częstotliwość(THz)","Absorpcja","Odbicie"); # wykreśl dane na jednym wykresie
legend("Absorpcja","Odbicie");
filename = "Jove_sim.csv"; # Eksportuj dane do Excela Import
rm(nazwa pliku); # usuń plik, jeśli już istnieje
lambda = c/f; # konwertuje częstotliwość na długość fali
for(i=1:długość(lambda)) {
  write(nazwa_pliku,liczba2str(f(i)) + "," + num2str(fthz(i)) + "," + num2str(R(i)) + "," + num2str(A(i)) + "," );
} # wyprowadza plik .csv w formacie kolumnowym częstotliwości, odbicia i absorpcji

2. Produkcja jednopasmowego absorbera metamateriału THz

Rysunek 3 pokazuje najważniejsze etapy produkcji.

1. Oczyścić kawałek krzemu o wymiarach 15 mm na 15 mm w sekwencyjnych roztworach ciepłego (50 °C) opticlearu, acetonu i izopropanolu za pomocą mieszania ultradźwiękowego po wstępnym podgrzaniu zlewki zawierającej rozpuszczalnik przez 10 minut. Należy pamiętać, że protokół ten może być również używany do wytwarzania kilku urządzeń na płytce o średnicy 4 cali.
2. Odparować dwuwarstwę metalu o długości fali 20 nm/100 nm Ti/Au na powierzchnię 15 mm na 15 mm za pomocą parownika wiązki elektronów Plassys 450 MEB (rysunek 3, krok 1). Należy pamiętać, że grubość metalu musi być większa niż głębokość skóry przy żądanej częstotliwości roboczej.
3. Oczyść próbkę zgodnie z wcześniejszym opisem w sekcji 2.1
4. Nanieś primer VM651 na próbkę za pomocą pipety i pozostaw na 20 sekund do odpoczęcia. Wirować próbkę z prędkością 4 000 obr./min przez 5 sekund, a następnie piec na kontaktowej płycie grzejnej w temperaturze 120 °C przez 60 sekund.
5. Wyjmij poliimid Dupont PI2545 z zamrażarki. Odczekaj 20 minut, aż butelka osiągnie temperaturę pokojową. Jest to niezbędne, ponieważ otwarcie butelki bezpośrednio po wyjęciu z zamrażarki spowoduje kondensację wilgoci wewnątrz butelki i pogorszenie właściwości folii poliimidowej. Dozuj PI2545 na próbkę za pomocą pipety i odczekaj 20 sekund, aż się rozluźni. Wirować próbkę przy użyciu 2-stopniowej procedury wirowania z następującymi ustawieniami - (i) końcowa prędkość wirowania 500 obr./min, przyspieszenie 100 ^obr./min, czas końcowego wirowania 5 sek. (ii) końcowa prędkość wirowania 6 000 obr./min, przyspieszenie 500 obr./min-1, czas końcowego wirowania 60 sek. Piecz próbkę na kontaktowej płycie grzejnej w temperaturze 140 °C przez 5 minut (Rysunek 3, Krok 2). Jeśli wymagana jest grubsza folia poliimidowa, należy albo odwirować wiele warstw, albo zmniejszyć końcową prędkość wirowania. Aby uzyskać grubość warstwy poliimidowej 3 μm przy minimalnym ściegu krawędziowym, trzy warstwy PI2545 są przędzone przy użyciu powyższego protokołu.
6. Utwardzać poliimid na kontaktowej płycie grzejnej w temperaturze 220 °C przez 10 minut. Po tej procedurze utwardzania PI2545 będzie nieprzepuszczalny dla większości rozpuszczalników i kwasów i można go usunąć tylko za pomocą plazmy tlenowej. PI2545 można nakręcić na atrapę silikonu, utwardzić jak powyżej, a grubość folii zmierzyć poprzez zarysowanie poliimidu i użycie profilometru powierzchni DEKTAK do pomiaru wysokości stopnia.
7. Osadź 15% 2010 poli(metakrylan metylu), znany jako PMMA, na próbce. Wirować z prędkością 5 000 obr./min przez 60 sekund i piec w piecu konwekcyjnym w temperaturze 180 °C przez 30 minut. Przed pieczeniem usuń nadmiar rezystu, który wkradł się na tylną stronę próbki, za pomocą acetonu. Wyjąć próbkę z pieca i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej (~5 min). Nanieś 4% 2041 PMMA na próbkę, wiruj z prędkością 5 000 obr./min przez 60 sekund i piecz w piecu konwekcyjnym w temperaturze 180 °C przez 60 minut (Rysunek 3, krok 3). Usuń nadmiar rezystu, który wkradł się na tylną stronę próbki, za pomocą acetonu przed pieczeniem.
8. Napisz żądane zadanie na nagrywarce wiązki elektronów Vistec VB6 przy użyciu dawki 450 μC/cm². Plik zadania został zaprojektowany w Tanner L-Edit, podzielony na wielokąty przez Layout Beamer i ostatecznie przesłany do programu Beam Writer za pomocą oprogramowania BELLE opartego na Javie.
9. Badać próbkę w roztworze 1:1 MIBK:IPA w temperaturze 23 °C przez 60 sekund (rysunek 3, krok 4). Wypłukać w zlewce z izopropanolem. Sprawdź wierność wzoru w mikroskopie optycznym. Jeśli cechy są słabo rozdzielcze, usuń rezyst w opticlear, acetonie i izopropanolu i zacznij od nowa od 2,2.
10. Oceń próbkę za pomocą_O2 za pomocą ashera baryłkowego Gala Plasmaprep₅ przez 1 minutę przy 0,1 mbar i mocy RF 50 W. Odparować 20 nm Ti i 150 nm Au za pomocą parownika wiązki elektronów Plassys 450 MEB (rysunek 3, krok 5).
11. Włożyć próbkę do zlewki z ciepłym acetonem i umieścić zlewkę w gorącej łaźni wodnej o temperaturze 50 °C. Po 4 godzinach wyjąć próbkę z łaźni wodnej i za pomocą pipety odessać trochę ciepłego acetonu i obficie spryskać próbkę (Rysunek 3, krok 6). Sprawdź próbkę na oko, aby sprawdzić, czy metal unosi się z obszarów, w których obecny był PMMA. Jeśli start postępuje powoli, umieść zlewkę w ultradźwiękowej łaźni wodnej na 2 minuty. Sprawdź próbkę pod mikroskopem optycznym.
12. Protokół opisuje wytwarzanie jednopasmowego absorbera THz, jednak wielopoziomowe dwupasmowe i szerokopasmowe absorbery można wytwarzać, powtarzając kroki 2.3-2.11 i układając kilka krzyżówek na warstwach poliimidu.

3. Charakterystyka jednopasmowego absorbera metamateriału THz

Rysunek 4 pokazuje podstawowy układ instrumentu FTIR.

1. Włączyć dopływ azotu do spektrometru IFS 66V/S Fourier Transform Infra Red (FTIR). Naciśnij przycisk "FIR" z przodu jednostki sterującej spektrometru, aby włączyć lampę łuku Hg. Ustabilizowanie mocy lampy zajmuje około 15 minut. Włóż wielowarstwowy rozdzielacz wiązki 6 μm do odpowiedniego gniazda w zespole interferometru.
2. Odpowietrzyć komorę próbki spektrometru i włożyć jednostkę refleksyjną PIKE 30 °. Umieść otwór 4 mm na górze otworu jednostki odbicia, a na nim umieść złote lustro. Apertura 4 mm określa obszar próbki, który będzie badany, podczas gdy złote lustro jest niezbędne do wykonania pomiaru tła.
3. Opróżnij komorę na próbkę i poczekaj, aż ciśnienie spadnie do 5 mbar. Spektrometr może pracować w środowisku z oczyszczonym azotem, jednak rozmiar sygnału zwykle spada do mniej niż 20% w porównaniu z próżnią.
4. Uruchom oprogramowanie OPUS i załaduj plik konfiguracyjny (konfiguracja podczas instalacji urządzenia) do wykonywania pomiarów w zakresie od 30 ^cm-1 do 300 ^cm-1 (1-9THz). Plik ten ustawia wiele parametrów spektrometru, takich jak prędkość skanera, apertura źródła, typ źródła, metoda zbierania danych i tryb wykonywania transformaty Fouriera. Upewnij się, że dioda LED z przodu komory detektora na zielono, wskazując, że skaner działa. Sprawdź, czy kształt interferogramu jest zgodny z oczekiwaniami.
5. Uruchom 100 skanów w tle, aby uzyskać widmo tła.
6. Przewietrzyć komorę na próbkę, zdjąć lusterko i umieścić próbkę stroną zadrukowaną do dołu na otworze. Upewnij się, że środek próbki znajduje się pośrodku otworu. Opróżnić komorę na próbkę.
7. Uruchom 1 000 skanów próbek, aby uzyskać widmo próbki. Widmo próbki zostanie porównane z referencyjnym widmem tła i końcowym widmem odbicia otrzymanej próbki. Należy pamiętać, że jeśli sygnał docierający do detektora jest niski, może być wymagana większa liczba skanów próbek w celu zmniejszenia szumu (np. 10 000 skanów). Należy wykonać powtórne skanowanie próbek, aby upewnić się, że zmierzone dane są wiarygodne i spójne.
8. Dane z zakończonego skanowania mogą zostać przekonwertowane na plik tekstowy i analizowane w trybie offline. Ciągła płaszczyzna uziemienia próbki oznacza, że nie ma transmisji, ergo widmo absorpcyjne można znaleźć, odejmując odbicie od 1.

Results

Rysunek 5(a) pokazuje eksperymentalnie uzyskane i symulowane widma absorpcyjne dla absorbera MM z poliimidowym dystansem dielektrycznym o grubości 3,1 μm. Ta struktura MM ma okres powtarzania 27 μm i wymiary K = 26 μm, L = 20 μm, M = 10 μm i N = 5 μm. Przeprowadzono również pomiary eksperymentalne na próbkach bez warstwy ERR, aby potwierdzić, że absorpcja jest konsekwencją struktury MM, a nie dielektryka. Próbka poliimidu o grubości 7,5 μm bez struktury ERR ma maksymalną absorpcję wynoszącą 5 % w całym z...

Discussion

Protokół ten opisuje symulację, wytwarzanie i charakterystykę absorberów metamateriałów THz. Istotne jest, aby takie struktury o długości poniżej długości fali były dokładnie symulowane, zanim jakikolwiek wysiłek zostanie zaangażowany w kosztowne procedury produkcyjne. Lumeryczne symulacje FDTD dostarczają informacji nie tylko o widmie absorpcji MM, ale także o lokalizacji absorpcji, co jest niezbędną wiedzą pomocną w umieszczeniu przetwornika i uzyskaniu maksymalnej odpowiedzi. Ponadto algorytm optymalizacyjny w Lumeric...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Lumerical FDTD	Lumerical
Silicon wafel	Technologie		Jednostronnie polerowany
parownik Plassys 450 MEB	Plassys Bestek
VM651 Primer	Dupont
PI2545	Dupont
Metyloizobutyl Keton	Sigma-Aldrich
Isopropanol	Sigma-Aldrich
Plasmaprep5 barrel Asher	Gala Instrumente
VB6 UHR EWF beam writer	Vistec
Tanner L-Edit	Tanner Inc.
Układ Beamer	GenISys Inc.
Polimetakrylan metylu (PMMA)	Sigma-Aldrich	293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v/s FTIR	Bruker
Pike 30spec	Lampa łukowa Pike Technologies
Hg	Bruker
Au	Thor Labs	PF05-03-M01
Mikroskop optyczny Leica INM20	Leica microsystems
6 mm Mylar Beamsplitter	Bruker