Summary
Detta protokoll beskriver simulering, tillverkning och karakterisering av THz metamaterial absorbenter. Sådana absorbatorer, när den kombineras med en lämplig sensor, har tillämpningar inom THz avbildning och spektroskopi.
Abstract
Metamaterial (MM), har konstgjorda material konstruerade att ha egenskaper som inte kan finnas i naturen, varit allmänt undersökts sedan den första teoretiska en och experimentell demonstration 2 av deras unika egenskaper. MMS kan ge en mycket styrbar elektromagnetisk svar och hittills har visats i alla tekniskt relevanta spektralområde inkluderande den optiska 3, nära IR 4, i mitten IR 5, THz 6, mm-våg 7, mikrovågsugn 8 och radio 9 band. Applikationer inkluderar perfekta linser 10, sensorer 11, telekommunikation 12, slängkappor osynlighet 13 och filter 14,15. Vi har nyligen utvecklat enda band 16, dual band 17 och bredband 18 THz metamaterial enheter absorbatorn kan mer än 80% absorption vid resonans topp. Konceptet med en MM-absorbator är especially viktigt vid THz frekvenser där det är svårt att hitta starka frekvensselektiva THz absorbenter 19. I vår MM absorbator den THz-strålning absorberas i en tjocklek av ~ λ/20, övervinna tjockleken begränsning av traditionella absorbenter kvarts våglängd. MM absorbenter lånar naturligtvis sig THz upptäckt applikationer, såsom värmesensorer, och om integrerat med lämpliga THz källor (t.ex. QCLs), kan leda till kompakt, mycket känslig, låg kostnad, realtid THz bildsystem.
Introduction
Detta protokoll beskriver simulering, tillverkning och karakterisering av enstaka band och bredband THz absorbenter MM. Anordningen, som visas i figur 1, består av en metall kors och ett dielektriskt skikt på toppen av en metall jordplan. Den korsformade konstruktionen är ett exempel på en elektrisk ringresonatom (ERR) 20,21 och kopplar starkt till enhetliga elektriska fält, men försumbart till ett magnetfält. Genom att para ERR med ett jordplan, inducerar den magnetiska komponenten av infallande vågen THz en ström i de sektioner av ERR som är parallella med riktningen av E-fältet. Den elektriska och magnetiska svar kan sedan avstämmas oberoende och impedansen hos strukturen anpassas till fritt utrymme genom att variera geometrin hos ERR och avståndet mellan de två metalliska elementen. Såsom visas i figur 1 (d), symmetrin av strukturen resulterar i en polarisationsokänslig absorptions respons.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 5 (a) visar den experimentellt erhållna och simulerad absorptionsspektra för en MM-absorbator med en 3,1 fim tjock polyimid dielektriska distansskiktet. Denna MM strukturen har en upprepad period av 27 um och dimensioner K = 26 pm, L = 20 pm, M = 10 pm och N = 5 pm. Experimentella mätningar utfördes även på prov utan ERR skikt för att bekräfta att absorptionen var en följd av MM struktur och inte av den dielektriska. De 7,5 pm tjock polyimid prov utan ERR struktur har en maximal absorption av 5% över hela frekvensområdet av intresse, se figur 5 (a), därigenom verifiera att vid resonansfrekvensen absorptionen är ett resultat av MM strukturen. Den experimentella data visar en resonans topp vid 2,12 THz av 77% absorption storlek. Detta resultat är i utmärkt överensstämmelse med den simulerade absorptionsmaximum 81% vid 2,12 THz. Figur 5 (b) visar de experimentella data förMM absorbenter med samma ERR geometri för olika polyimid tjocklekar allt från 1 till 7,5 pm och en absorbator där den dielektriska är 3 um av SiO 2. Som polyimid tjocklek ökar från 1 pm till 3,1 um topp absorption ökar, men på polyimid tjocklekar större än 3,1 um det finns en liten minskning i topp absorptionsvärdet. En tydlig röd-förskjutning av 0,25 THz observeras som polyimid tjocklek ökar från 1 pm till 7,5 pm. Absorbatorer som hade SiO 2 som dielektrikum istället för polyimid studerades också. En maximal absorptionsvärde på 65% vid 1,90 THz mättes för en sådan en MM absorbator med en 3 ^ m tjock SiOj 2 dielektriskt skikt.
Den effektiva permittiviteten och permeabiliteten kan extraheras från de simulerade data via inversion av S-parametrarna 22. De hämtade parametrarna för den simulerade MM absorbatorn med en 3,1 um polyimid tjocka spacer är di-utspärrade i figur 5 (c) Som kan observeras de verkliga delarna av de optiska konstanterna korsar nära noll -. ett tillstånd som erfordras för noll reflektion, medan när den reella delen av dielektricitetskonstanten är positiv den reella delen av permeabiliteten är negativ och tvärtom - ett tillstånd som krävs för noll överföring. Vid frekvensen för maximal absorption, ω 0, finns det en topp av den imaginära komponenten av permeabiliteten innebär hög absorption.
Lumerical FDTD kan också användas för att fastställa platsen för absorption inom MM strukturen. De simulerade effektabsorption fördelningar för ERR, dielektriska och marken skikten plana visas i Figurerna 6 (ac) medan ett tvärsnitt av effektfördelningen i xz-planet vid y = 3 pm visas i figur 6 (d). Från dessa diagram är det uppenbart att majoriteten av energin skingras som ohmsk förlust i ERR skiktet och somdielektrisk förlust under de första 500 nm polyimid under detta skikt. De regioner av maximal absorption förlust inträffar mellan angränsande enhetsceller och runt de inre kanterna av korset.
| Parameter | p | L1 | L2 | L3 | h1 | h2 | H3 |
| Värde (mm) | 22 | 17 | 15,4 | 15 | 0,7 | 1,2 | 2,0 |
Tabell 1. Geometriska parametrar för flera lager absorbent.
Metamaterial absorbatorer är i sig smalbandiga anordningar, bandbredden typiskt att inget more än 20% av den centrala resonansfrekvensen. Flera applikationer, såsom THz spektroskopi, kräver sensorer som uppvisar bredband THz absorption. Vi har utvecklat två strategier för att förverkliga en sådan bredband absorption. Den första, visas i figur 7 (ac) är att stapla alternerande skikt av metalliskt felar och dielektriska skikt på toppen av en kontinuerlig jordplan. I olika lager vi designar korsningar av olika längd (L 1 - L 3) i syfte att stödja flera resonansmoder tätt placerade tillsammans i absorptionsspektrum. Genom att ställa den dielektriska tjockleken (h 1 - h 3) den flerskiktsstrukturen kan impedans anpassade till fritt utrymme på varje resonansfrekvens och bredband absorption erhålls. En standard elektronstråle registreringsprocess används för att rikta den felar ovanpå varandra. Vår andra strategi är att införliva fyra felar i ett fyra "färg" super-pixel, se figur 7 (d), på en single dielektriska lagret, dvs jordplanet / dielektrisk / metallic felar. En sådan anordning är mycket enklare att tillverka än den flerskiktiga absorbator.
Den experimentellt erhållna absorptionsspektrumet och de simulerade data för en flerskiktad MM absorbator, med dimensioner angivna i tabell 1, visas i fig. 8 (a). Också plottas är experimentellt erhållna absorptionsspektrumet för en enda ERR av armlängd 17 pm och dielektrisk tjocklek 2 pm. Det ena skiktet strukturen har en enda resonans topp vid 5,42 THz där 78% av EM-strålning absorberas. Däremot har det 3-lagers anordning tre resonanser vid 4,32, 5,31 och 5,71 THz med absorption storleken på 66%, 77% respektive 80%. På grund av dessa tre tätt placera resonanta toppar vi får ett brett frekvensband, från 4,08 THz till 5,94 THz, där absorptionen är större än 60%. Med den centrala frekvensen av 3-lagers struktur som 5,01 THz full bredd halvt maximum (FWHM) av absorptionen är 48% av den centrala frekvensen. Det är nästan två och en halv gånger FWHM av det gemensamma lagret struktur (FWHM den inre lagret är 20%). Den experimentella data i rimlig överensstämmelse med den simulerade spektrumet.
För att förstå ursprunget till de spektrala egenskaper de simulerade absorption distributioner i XZ-planet av de tre resonanserna är ritade i figur 9 (AC). Den resonans vid 4,84 THz främst förknippad med excitation av botten ERR lagret medan resonanser vid 5,16 THz och 5,70 THz är främst en följd av excitering av mellersta och övre ERR lager respektive. Dessa distributioner visar tydligt att varje ERR bidrar till bredband absorption.
En SEM-bild av en fyrfärgs super-bildpunkt THz absorbatorn visas i figur 7 (d). Figur 8 (b) visar simulerade och erfarenrimental absorptionsspektra för en super-pixel med arm längder 17 pm, 15 pm, 13 pm och 11 pm och bredder arm 6 pm. Pixeln perioden är 44 um, medan den polyimid tjockleken är 2 pm. Fyra resonanser observeras i både simulering och experimentella data. Nackdelen med en sådan super-bildpunkt struktur är att, såsom visas i fig. 8 (b), finns det en viss polarisering beroende. För båda polarisationerna super-pixel absorbator har mer än 50% absorption mellan 5,08 och 7,27 THz, en rad 2,19 THz. Det FWHM för TE polarisering är 37% medan den är 41% för TM polarisering, som representerar dubbelt FWHM av enstaka pixel.
Figur 1. (A) Schematisk av ERR av MM absorbatorn och (b) tvärsnittav fullständig MM absorbator. En ström induceras i de sektioner av ERR som är parallella med E-fältet (riktning betecknad med blå pilar i (a). I regionerna jordplanet imemdiately under korset en antiparallell bild flyter, vilket resulterar i en resonanssvar. (c) SEM-bild av enhetscellen och (infälld) delen av matrisen. (d) Simulerad absorptionsspektra för olika vinklar infallande polarisering visar polarisation okänslighet av MM absorbatorn. Varje successiv plot från 0-90 ° är förskjuten med en större enhet av ordinatan.
Figur 2. 3D Schematisk av simuleringen set-up.
Figur 3. Tillverkning av enstaka band MM absorbator. 1) En 20 nm/100nm Ti / Au-stapel indunstades på en 15 mm x 15 mm-sektion av kisel. 2) PI2545 är spinnbelades på provet, bakades vid 140 ° C och härdades sedan vid 220 ° C. 3) Ett dubbelskikt av 15% 2010 och 4% 2041 är spinnbelades och bakades vid 180 ° C. 4) Efter exponering för en 100 keV elektronstråle provet utvecklas i en lösning av MIBK och IPA. Den 2010 PMMA, på grund av dess lägre molekylvikt, utvecklas snabbare än 2041 PMMA. Detta resulterar i den önskade överhänget profil som krävs för att uppnå framgångsrik avlyft. 5) En 20 nm/150 nm Ti / Au-film indunstades på provet. 6) Oönskade områden av metall lyfts start genom nedsänkning av provet i en bägare med varm aceton.
Figur 4. Schematisk av en Fourier Transform Infrared Spectrometer 27.
Figur 5. (A) Experimentella och simulerade data för en MM-absorbator med en polyimid tjocklek av 3,1 | im. Också plottas är absorptionen av en 7,5 | im tjock polyimidfilm. (B) Experimentell absorptionsspektra för MMS med olika dielektriska distans tjocklek och typ. (C) Extraherade optiska parametrar från de simulerade 3,1 um polyimid tjock MM absorbator. Klicka här för att se större bild .
Figur 6. Energi försvinnande i en MM absorbeR struktur med en 3,1 fim tjock polyimid distansorganet vid en frekvens av 2,12 THz. Energiförlust i (a) ERR skiktet, (b) mitten av polyimid, (c) jordplanet och (d) xz-planet vid y = 3 fim.
Figur 7. (A) planvy av det 3-lagers MM absorbator och (b) tvärsnitt av hela anordningen. (C) SEM-bild av 9 enhetsceller av flera lager absorbent och (d) SEM-bild av en enda "super-pixel" bredband absorbator. Orienteringen för TE-polarisering visas i insättningen.
Figur 8. (A) Experimentella och simulerade (FDTD) Uppgifter om flera lager absorbator. Också plottas är experimentetal absorptionsspektrum för ett enda skikt absorbator. (B) Absorptionsspektra för "super-pixel" bredband absorbator.
Figur 9. (Ac) Absorption fördelning i xz-planet vid y = 0 xm vid de tre resonansfrekvenser. De horisontella vita linjer anger Au lager.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta protokoll beskriver simulering, tillverkning och karakterisering av THz metamaterial absorbenter. Det är väsentligt sådana sub-våglängd strukturer exakt simuleras innan någon ansträngning har åtagit sig att kostsamma tillverkningsprocedurer. Lumerical FDTD simuleringar ger information om inte bara MM absorptionsspektrum, men också platsen för absorption, grundläggande kunskaper för att hjälpa placering av givare och få maximal respons. Dessutom optimeringsalgoritm i Lumerical kan genomföras för att snabbt etablera en lämplig absorbator struktur för en fördefinierad godhetstal (t.ex. frekvens läge, absorptionsmaximum, absorption minst bandbredd osv). Simulering, tillverkning och karakterisering av ett enda band MM absorbator kan slutföras på mindre än 24 timmar så snabba prototyper av någon design. Vår flera lager bredband absorbator består av tre separata skriva elektronstrålegeneratorer steg (två registrering steps) och skulle kunna förverkligas på mindre än 4 dagar. Vi har också tillverkat absorbatorer som har SiOj 2 och Si 3 N 4 isolerande regioner mellan ERR och jordplanet. Dessa skikt avsattes av PECVD och varierade i tjocklek mellan 0,6 och 3 am. Absorp magnituder liknade enheter med polyimid dielektriska skikt men det var en röd förskjutning i frekvens läge för absorbera samma tjocklek.
Det fina med metamaterial är deras inneboende skalbarhet - absorber strukturer har visats från mm 23 regionen genom att infraröda och optiska frekvenser 24. Dessa enheter består av standarden metalliska ERR / isolator / metallic struktur med lämplig ERR funktionen storlek och isolator typ och tjocklek. I vår design resonansfrekvensen positionen beror huvudsakligen på perioden kors armlängd av strukturen och isolator typ medan absorptioN storlek bestäms av tjockleken hos det isolerande skiktet. Resonansfrekvensen position vår utskurna cross designen är blå skiftas i förhållande till mer traditionella hela kors mönster (ingen klippa ut avsnitt). Detta gör det möjligt för pixel period minskas för en viss riktad resonansfrekvens (t.ex. 2,52 THz) och har stor betydelse för THz bildprogram. En stor fördel med vår enhet är att i motsats till mer komplicerade och beräkningsintensiva ERR geometrier vår FEL geometri är enkel att förstå och beräkningsmässigt krävande. Medan vi använder effektivt medium teori för att beskriva våra metamaterial absorbenter har en annan förklaring centrering på störningar teori nyligen föreslagits 25.
Forskning om THz-strålning, med våglängder mellan 30 pm och 3 mm, har burgeoned under det senaste årtiondet. Detta intresse har stimulerats av de unika egenskaperna hos THz strålar, de kan tränga materials såsom plaster, papper och många organiska föreningar, däribland mänsklig vävnad, utan de risker eller potentiella faror med joniserande strålning som röntgenstrålning. Vidare kan THz användas för att identifiera specifika material via sin karakteristiska spektra, inklusive sprängämnen, farliga kemikalier, läkemedel och DNA, som molekylära rotationer och vibrationer förekommer i detta våglängdsområde. Därför THz bildbehandling har funnit tillämpningar inom områden som säkerhet, hälsovård, läkemedel, fordon, materialvetenskap och oförstörande provning.
Men det finns många ouppfyllda möjligheter på grund av bristen på billiga, kompakt och lätt sättas utrustning. Nuvarande THz bildhanteringssystem kostar> £ 250k, använda speglar för optik och mekaniskt raster en enda pixel. En ytterligare begränsning av befintliga kommersiella system är den tid det tar att producera en bild från mekaniskt rastered enda pixel detektor, med minuter till timmar to sammanställa detaljerade bilder. IR detektormatriser, vanligtvis bestående array storlekar 640x320 pixlar läsa ut vid 30 Hz, har använts för THz bildprogram 26 men dessa sensorer har mindre än 5% absorption i THz området och ger inte tillräckligt känslig detektion. Integration av vår enda band eller bredband THz metamaterial absorbator med en termisk sensor, såsom en pn-diod eller resistiv bolometer, till en Detektormatrisen skulle realisera en anordning som kan absorbera 80% av THz-strålning vid resonansfrekvensen. En sådan anordning skulle ge en mycket känslig, frekvens selektiv, realtid, kompakt, rumstemperatur THz bildsensor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av teknik och Physical Science Research Council licensnummer EP/I017461/1. Vi vill också att erkänna bidrag spelas av teknisk personal av James Watt Nanotekniklaboratoriet Centre.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Lumerical FDTD | Lumerical | ||
| Silicon wafer | IDB technologies | Single sided polished | |
| Plassys 450 MEB evaporator | Plassys Bestek | ||
| VM651 Primer | Dupont | ||
| PI2545 | Dupont | ||
| Methyl Isobutyl Ketone | Sigma-Aldrich | ||
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | ||
| Plasmaprep5 barrel Asher | Gala Instrumente | ||
| VB6 UHR EWF electron beam writer | Vistec | ||
| Tanner L-Edit | Tanner Inc. | ||
| Layout Beamer | GenISys Inc. | ||
| Polymethyl methacrylate (PMMA) | Sigma-Aldrich | 293261 Sigma-Aldrich | |
| IFV 66v/s FTIR | Bruker | ||
| Pike 30spec reflection unit | Pike Technologies | ||
| Hg arc lamp | Bruker | ||
| Au mirror | Thor Labs | PF05-03-M01 | |
| Leica INM20 Optical Microscope | Leica microsystems | ||
| 6 mm Mylar Beamsplitter | Bruker |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Dolling, G., Wegener, M., Linden, S. Realization of a three-functional-layer negative-index photonic metamaterial. Opt. Lett. 32, 551-553 (2007).
- Zhang, S., et al. Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials. Phys. Rev. Lett. 95, 137404 (2005).
- Linden, S., et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science. 306, 1351-1353 (2004).
- Landy, N. I., et al. Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging. Phys. Rev. B. 79, 125104-12 (2009).
- Gokkavas, M., et al. Experimental demonstration of a left-handed metamaterial operating at 100 GHz. Phys. Rev. B. 73, 193103 (2006).
- Smith, D. R., Kroll, N. Negative refractive index in left-handed materials. Phys. Rev. Lett. 85, 2933-2936 (2000).
- Wiltshire, M. C. K., et al. Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging. Science. 291, 849-851 (2001).
- Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
- Kabashin, A. V., et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing. Nat. Mater. 8, 867-871 (2009).
- 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).
- Schurig, D., et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
- Chen, H. T., et al. Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials. Nat. Photonics. 2, 295-298 (2008).
- 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).
- Grant, J., et al. Polarization insensitive terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 1524-1526 (2011).
- Ma, Y., et al. A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 945-947 (2011).
- Grant, J., Ma, Y., Saha, S., Khalid, A., Cumming, D. R. S. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 3476-3478 (2011).
- Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photon. 1, 97-105 (2007).
- 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).
- Padilla, W. J., et al. Electrically resonant terahertz metamaterials: Theoretical and experimental investigations. Phys. Rev. B. 75, 041102 (2007).
- Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys. Rev. E. 71, (2005).
- Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R., Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
- Hao, J. M., et al. High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial. Appl. Phys. Lett. 96, 251104 (2010).
- Chen, H. T. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt. Express. 20, 7165-7172 (2012).
- 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).
- Thermo Nicolet Corporation. An Introduction to Fourier Transform Infared Spectroscopy. , (2001).
