Моделирование, изготовление и характеристика ТГц метаматериала Амортизаторы

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Этот протокол описывает моделирования, изготовления и характеристики ТГц метаматериала амортизаторов. Такие амортизаторы, в сочетании с соответствующим датчиком, применение в ТГц изображений и спектроскопии.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Grant, J. P., McCrindle, I. J. H., Cumming, D. R. S. Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers. J. Vis. Exp. (70), e50114, doi:10.3791/50114 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Метаматериалы (MM), искусственные материалы разработаны, чтобы иметь свойства, которые не могут быть найдены в природе, были широко изучены, так как первая теоретическая 1 и экспериментальная демонстрация 2 их уникальные свойства. ММ может обеспечить высокую управляемый электромагнитный отклик, и на сегодняшний день были продемонстрированы в каждом технологически соответствующих спектральном диапазоне, включая оптический 3, ближней ИК-4, ИК середине 5, ТГц 6, миллиметровых волн 7, 8 и микроволновые радио 9 полос. Приложения включают идеальной линзы 10, датчики 11, телекоммуникаций 12, плащи невидимости 13 и фильтров 14,15. Недавно мы разработали одну полосу 16, двухдиапазонный 17 и 18 широкополосного ТГц метаматериала устройства поглотителя способны более 80% поглощения на резонансный пик. Концепция М. поглотителя EspeciallУ важным на ТГц частотах, где трудно найти сильных частотно-селективных ТГц амортизаторы 19. В нашем MM поглотителя терагерцового излучения поглощается в толщину ~ λ/20, преодолевая толщины ограничение традиционных амортизаторов длины волны квартала. MM амортизаторы естественно поддаются обнаружению ТГц приложений, таких как термодатчики, и если интегрирована с подходящими источниками ТГц (например, ЛКК), может привести к компактной, высокой чувствительностью, низкой стоимостью, в режиме реального времени ТГц системы визуализации.

Introduction

Этот протокол описывает моделирования, изготовления и характеристик одну полосу и широкополосные поглотители ТГц ММ. Устройство, показанное на рисунке 1, состоит из поперечных металлических и диэлектрических слоев на верхней плоскости земли металл. Крестообразные структуры является примером электрических кольцевой резонатор (ERR) 20,21 и пары сильно однородное электрическое поле, но ничтожно в магнитном поле. По спаривания ERR с землей самолет, магнитная составляющая падающей волны ТГц индуцирует ток в разделах ERR, что параллельно направлению E-поля. Электрического и магнитного отклика может быть настроен независимо друг от друга и импеданс структуры соответствуют свободного пространства путем изменения геометрии ERR и расстояние между двумя металлическими элементами. Как показано на рисунке 1 (г), симметрия структуры приводит к поляризации нечувствительны ответ поглощения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Рисунок 5 () показывает, полученные в эксперименте и моделирование спектров поглощения для MM поглотителя с 3,1 мкм полиимида диэлектрической прокладкой. Эта структура имеет MM повторить периодом 27 мкм и размеры K = 26 мкм, L = 20 мкм, M = 10 мкм и N = 5 мкм. Экспериментальные измерения были выполнены также на образцах без ERR слоя, чтобы подтвердить, что поглощение стало следствием MM структуры, а не диэлектрик. 7,5 мкм полиимида образца, не ERR структура имеет максимум поглощения 5% во всем диапазоне частот, представляющих интерес, см. Рисунок 5 (а), тем самым проверяя, что на поглощение резонансной частоты является результатом MM структуры. Экспериментальные данные показывают, резонансный пик на 2,12 ТГц 77% поглощения величины. Этот результат находится в хорошем согласии с моделируемой максимальное поглощение 81% при 2,12 ТГц. Рис. 5 (б) приведены экспериментальные данные дляMM амортизаторы с тем же ERR геометрии для различных полиимида толщиной от 1-7.5 мкм, а для поглотителя, где диэлектрическая составляет 3 мкм из SiO 2. Как полиимида увеличении толщины от 1 мкм до 3,1 мкм пик поглощения увеличивается, но при полиимида толщиной более 3,1 мкм наблюдается небольшое сокращение максимального значения поглощения. Различные красного смещения от 0,25 ТГц наблюдается как полиимида увеличении толщины от 1 мкм до 7,5 мкм. Амортизаторы, что было SiO 2 в качестве диэлектрика вместо полиимида были также изучены. Максимальное значение поглощения 65% при 1,90 ТГц была измерена для таких MM поглотитель с толщиной 3 мкм SiO 2 слоя диэлектрика.

Эффективной диэлектрической и магнитной проницаемости могут быть извлечены из моделируемых данных через инверсию S параметров 22. Получить параметры для моделирования поглотителя MM с 3,1 мкм полиимида прокладка являются дирастопыренные на рисунке 5 (с) Как можно видеть реальные части оптических констант пересечь близка к нулю -. условие, необходимое для отражения нулю, в то время, когда реальная часть диэлектрической проницаемости положительно вещественной части проницаемости отрицательна и наоборот - условие, необходимое для передачи нуля. На частоте максимума поглощения, ω 0, то пик мнимой части магнитной проницаемости подразумевая высокое поглощение.

Lumerical FDTD также может быть использована для определения местоположения поглощения в ММ структуры. Моделирование поглощения мощности распределения для ERR, диэлектрические слои и заземления показаны на рисунках 6 (переменного тока), а сечение распределения электроэнергии в плоскости х при у = 3 мкм показано на рисунке 6 (г). Из этих графиков видно, что большая часть энергии рассеивается в виде омические потери в ERR слоя и, какдиэлектрические потери в первые 500 нм полиимида ниже этого слоя. В регионах максимальные потери поглощения происходят между соседними ячейками блока и вокруг внутреннего края крест.

Параметр р L1 L2 L3 h1 h2 h3
Цена (мм) 22 17 15,4 15 0,7 1,2 2,0

Таблица 1. Геометрические параметры многослойных поглотителя.

Метаматериала амортизаторы по своей природе узкополосных устройств, как правило, являются пропускная способность No Moповторно чем на 20% в центре резонансной частоты. Некоторые приложения, такие как ТГц-спектроскопии, требуют датчики, которые показывают поглощение широкополосного ТГц. Мы разработали две стратегии для реализации таких поглощение широкополосного доступа. Первое, изображенные на рисунке 7 (АС) в стек чередующихся слоев металлического ошибается и диэлектрических слоев на вершине непрерывную плоскость земли. В разных слоях мы разрабатываем кресты различной длины (L 1 - L 3) для того, чтобы поддерживать несколько резонансных режимах близко расположенными друг с другом в спектре поглощения. По настройку диэлектрической толщины (H 1 - H 3) многослойная структура может быть импеданса соответствуют свободного пространства на каждой резонансной частоте и широкополосного поглощения получены. Стандартном электронном пучке процесс регистрации используется для выравнивания ошибается в верхней части друг с другом. Наш второй стратегии является включение четыре ошибается в четыре "цвета" супер-пикселей, см. Рисунок 7 (г), на синглэлектронной диэлектрический слой, т. е. плоскости земли / диэлектрик / металлические ошибается. Такое устройство значительно проще в изготовлении, чем многослойные поглотителя.

Экспериментально полученного спектра поглощения и моделируемых данных для многослойной MM поглотителя, с размерами, указанными в таблице 1, приведены на рис 8 (а). Также нанесены это экспериментально полученные спектр поглощения для одного ERR рук длиной 17 мкм и диэлектрической толщиной 2 мкм. Один слой структура имеет один пик резонанса на 5,42 ТГц где 78% излучения поглощается EM. В отличие от 3-х слойная Устройство имеет три резонансов на 4,32, 5,31 и 5,71 ТГц с поглощением величины 66%, 77% и 80% соответственно. Вследствие этих трех тесно положение резонансного пика получаем широком диапазоне частот, от 4,08 ТГц до 5,94 ТГц, где поглощение более чем на 60%. Принимая центральная частота 3-слойная структура, чтобы быть 5,01 TГц по максимуму половину ширины (FWHM) поглощения составляет 48% от центральной частоты. Это почти в два с половиной раза FWHM единой структуры слоя (полувысоте одного слоя составляет 20%). Экспериментальные данные находятся в разумном согласии с моделируемой спектра.

Чтобы понять происхождение спектральных характеристик моделируемых распределений поглощения в плоскости хг из трех резонансов приведены на рисунке 9 (переменного тока). Резонанса на 4,84 ТГц в первую очередь связано с возбуждением нижнего слоя ERR в то время как резонансы на 5,16 ТГц и 5,70 ТГц в основном вследствие возбуждения среднего и высшего ERR слоев соответственно. Эти распределения ясно показывают, что каждый ERR способствует широкополосного поглощения.

Изображение СЭМ-четыре цвета пикселя супер-поглотитель ТГц показано на рисунке 7 (г). Рис. 8 (б) показывает моделирование и опытомrimental спектры поглощения для супер-пиксель с руку длиной 17 мкм, 15 мкм, 13 мкм и 11 мкм и руку шириной 6 мкм. Пиксель период составляет 44 мкм, а полиимида толщиной 2 мкм. Четыре резонансы наблюдаются в обоих моделирования и экспериментальных данных. Недостатком такого супер-пиксельной структуры является то, что, как показано на рисунке 8 (б), есть некоторая поляризация зависимость. Для обеих поляризаций супер-поглотитель пиксель имеет более чем 50% поглощения между 5,08 и 7,27 ТГц; диапазоне 2,19 ТГц. FWHM для поляризации TE составляет 37%, а это 41% для поляризации TM, представляющий двойной FWHM в один пиксель.

Рисунок 1
Рисунок 1. (А) Схема ERR ММ-поглотитель и (б) сеченияполной поглотителя ММ. Индуцируется ток в разделах ERR, что параллельно с поля Е (направление обозначается синим стрелкам в (а). Анти-параллельных изображений ток течет в регионах заземления imemdiately ниже креста, в результате чего резонансный отклик. (с) СЭМ изображение элементарной ячейки и (вставка) части массива. (D) Имитация спектры поглощения для различных поляризации падающего угла поляризации показывает нечувствительность MM поглотителя. Каждый последующий участок от 0-90 ° компенсируются одной крупной единицей оси ординат.

Рисунок 2
Рисунок 2. 3D Схема моделирования установки.

Рисунок 3
Рисунок 3. Изготовление одного поглотителя MM группы. 1) A 20 nm/100нм Ti / Au стек выпаривают на 15 мм на 15 мм раздела кремний. 2) PI2545 является спина покрыта на образец, запеченный при температуре 140 ° С и затем отверждается при температуре 220 ° C. 3) би-слоя на 15% 2010 года и 4% 2041 является спин покрытием и выпекать при температуре 180 ° C. 4) После воздействия 100 кэВ электронного пучка образец разработан в решении MIBK и ПНД. В 2010 году PMMA, благодаря своей низкой молекулярной массой, развивается быстрее, чем в 2041 ПММА. Это приводит к желаемому профилю навес, необходимых для достижения успешных старта. 5) 20 nm/150 нм Ti / Au фильм выпаривают на образец. 6) Нежелательные регионах металла поднял-офф путем погружения образца в стакане теплой ацетона.

Рисунок 4
Рисунок 4. Схема инфракрасной Фурье спектрометр 27.


Рисунок 5. (А) Экспериментальная и моделирования данных MM поглотитель с полиимида толщиной 3,1 мкм. Также построены является поглощение в 7,5 мкм полиимидной пленки. (Б) Экспериментальные спектры поглощения ММ с различной толщины диэлектрической прокладкой и типа. (С) Извлеченные оптических параметров моделируемой 3,1 мкм полиимида MM поглотителя. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 6
Рисунок 6. Диссипации энергии в ММ absorbeГ структуру с 3,1 мкм полиимида прокладка на частоте 2,12 ТГц. Рассеивание энергии в () ERR слой, (б) в центре полиимида, (в) плоскости земли и (г) XZ плоскости у = 3 мкм.

Рисунок 7
Рисунок 7. (А) вид сверху на 3-слойная поглотителя MM и (б) поперечное сечение полного устройства. (С) СЭМ изображения из 9 ячеек из нескольких слоев поглотителя и (г) SEM изображение одного "супер-пиксель" широкополосный поглотитель. Ориентацию поляризации TE показано на вставке.

Рисунок 8
Рисунок 8. (А) Экспериментальная и моделирования (FDTD) данные многослойные поглотителя. Также построены является экспериментомдр. Спектр поглощения для одного поглощающий слой. (Б) спектры поглощения для "супер-пиксель" широкополосный поглотитель.

Рисунок 9
Рисунок 9. (Переменного тока) Поглощение распределения в плоскости х при у = 0 мкм на трех резонансных частотах. Горизонтальные белые линии обозначают Au слоев.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Этот протокол описывает моделирования, изготовления и характеристики ТГц метаматериала амортизаторов. Важно, такие югу от длины волны структуры точно моделируется перед любым усилием стремится к дорогостоящим процедурам изготовления. Lumerical FDTD моделирования предоставлять информацию не только на MM спектр поглощения, но и расположение поглощения, необходимые знания, чтобы помочь размещения преобразователя и получить максимальный отклик. Кроме того, алгоритм оптимизации в Lumerical могут быть реализованы быстро создать соответствующую структуру поглотителя для заданного показателя качества (например, частота положение, максимум поглощения, поглощения минимум, пропускной способности и т.д.). Моделирование, изготовление и характеристика одного поглотителя мм диапазона может быть завершен менее чем за 24 часа позволяющие быстрого прототипирования любой дизайн. Наши многослойные широкополосный поглотитель состоит из трех отдельных электронного пучка записи шагов (два с регистрацииТЭЦ) и может быть реализован менее чем за 4 дня. Мы также изготовлены амортизаторы, которые имеют SiO 2 и Si 3 N 4 изолирующих областей между ERR и заземления. Эти слои были сданы на хранение PECVD и дальнего толщиной от 0,6 до 3 мкм. Величины поглощения были похожи на устройствах с полиимида диэлектрические слои однако было красное смещение в частотном положении амортизаторы той же толщины.

Красота метаматериалов является их масштабируемость, присущие - поглотитель структур были продемонстрированы от мм 23 региона до инфракрасных и оптических частот 24. Эти устройства состоят из стандартных металлических ERR / диэлектрик / металлическая структура с соответствующими ERR размера функции и изоляторов типа и толщины. В нашей конструкции резонансных частот позиции в основном зависит от периода, крест расстоянии вытянутой руки структуры и изоляторов типа, а absorptioп величина которого определяется толщина изоляционного слоя. Резонансные частоты позицию нашей вырез крест дизайн синего сдвинутый по сравнению с более традиционными целом дизайн креста (без вырезать разделы). Это позволяет пикселя периода должны быть сокращены для конкретных целевых резонансной частоте (например, 2,52 ТГц) и имеет важное значение для применения ТГц изображений. Основное преимущество нашего устройства является то, что в отличие от более сложных и интенсивных вычислений ERR геометрии наших ERR геометрия является простым для понимания и вычислительно нетребовательны. Хотя мы используем теории эффективной среды для описания нашей метаматериала амортизаторы, другое объяснение центрирования на вмешательство теории недавно были предложены 25.

Исследование излучения ТГц, с длинами волн в диапазоне от 30 мкм до 3 мм, разрослась в последние десятилетия. Этот интерес стимулируется уникальным свойствам лучей ТГц; они могут проникать материиLs, такие как пластик, бумага и много органических соединений, в том числе человеческие ткани, без опасности или потенциальной опасности, связанной с ионизирующим излучением, таких как рентгеновские лучи. Кроме того, ТГц могут быть использованы для определения конкретных материалов по их характерным спектрам, в том числе взрывчатых веществ, опасных химических веществ, наркотиков и ДНК, молекулярные вращения и колебания происходят в этом диапазоне длин волн. Соответственно ТГц изображений нашла применение в таких областях, как безопасность, здравоохранение, фармацевтика, автомобилестроение, материаловедения и неразрушающего контроля.

Однако есть много невыполненных возможностей из-за отсутствия недорогих, компактных и легко адаптируется оборудования. Настоящее ТГц системы визуализации стоимость> £ 250k, используйте зеркала для оптики и механически растровый один пиксель. Еще одно ограничение существующих коммерческих систем является время, необходимое для получения изображения от механических развернут один детектор пикселей, принимая минут до нескольких часов тØ составлять детальные изображения. ИК решетки фокальной плоскости, как правило, содержащей массив размером 640x320 пикселей зачитано на 30 Гц, были использованы для ТГц приложений визуализации 26, однако эти датчики имеют менее 5% поглощение в ТГц области и не обеспечивают достаточно чувствительны обнаружения. Интеграция нашей одной полосы или широкополосного ТГц метаматериала поглотитель с термодатчиком, таких как диод рп или резистивных болометров, в фокальной плоскости поймут устройство, способное поглощать 80% терагерцового излучения на резонансной частоте. Такое устройство обеспечивает высокую чувствительность, частотно-селективных в режиме реального времени, компактны, комнатной температуры ТГц датчика изображения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Эта работа поддерживается инженерным и физическим научным исследованиям Совета грант № EP/I017461/1. Мы также хотели бы отметить вклад сыграл технический персонал Nanofabrication центра Вт Джеймс.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics