模拟,太赫兹超材料吸收器的制备与表征

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Summary

该协议概述了模拟,太赫兹超材料吸收器的制备和表征。这样的吸收剂,再加上适当的传感器时,在太赫兹成像和光谱学的应用程序。

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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).

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Abstract

超材料(MM),设计的特性,可能无法在自然界中发现的人工材料,已广泛地探讨,因为其独特的性能第一的理论和实验示范2。庄家可以提供一个高度可控的电磁响应,迄今已体现在每一个技术相关的光谱范围包括光学 ,近红外,中红外,太赫兹6,毫米波,微波8和电台9个波段。应用范围包括完美的镜头,传感器11,电信12,隐形斗篷13和过滤器14,15。最近,我们已开发的单一条带16,双频段17和宽带18太赫兹超材料的吸收体的设备,能够在共振峰的吸收率大于80%。一个MM吸收的概念,是特别是包含Ÿ在太赫兹频率,它是很难找到强大的频率选择性的太赫兹吸收剂19。在我们的MM吸收剂的THz辐射被吸收在〜λ/20的厚度,克服传统的四分之一波长的吸收剂的厚度限制。 MM吸收剂自然本身太赫兹检测应用,如热传感器,如果集成了合适的太赫兹源,( 例如量子级联激光器),可能会导致结构紧凑,高度敏感,成本低,实时太赫兹成像系统。

Introduction

该协议描述了模拟,单波段和宽带太赫兹MM的吸收剂的制备与表征。的装置, 如图1中所示,由一个金属十字和一个介电层上的金属接地平面的顶部。十字形的结构的一个例子的电动环形谐振器(ERR)20,21和耦合强烈均匀电场,但可以忽略不计磁场。通过配对的ERR有一个接地平面,入射THz波的磁性组分的诱导电流的部分中的ERR是平行的方向的电场E。然后,电场和磁场的响应可以被调谐独立和自由空间匹配的阻抗的结构,通过改变ERR和两个金属元素之间的距离的几何形状。正如图1(d)中所示的结构的对称性的查询结果中的偏振不敏感吸收响应。

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Protocol

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Representative Results

图5(a)示出了实验获得的和模拟的吸收光谱为MM吸收剂,具有3.1微米厚的聚酰亚胺电介质隔板。这MM结构具有重复周期为27μm和尺寸K = 26微米,L = 20微米,M = 10微米和N = 5微米。还对样品进行实验测量没有ERR层确认吸收是一个后果的MM的结构,而不是在电介质。的7.5微米厚的聚酰亚胺样品与没有ERR结构5%感兴趣的整个频率范围内具有最大吸收,请参阅图5(a),从而证实,在共振频率吸收的MM的结构是一个结果。实验数据显示,吸收77%的幅度为2.12赫兹的共振峰。此结果是在良好的协议与模拟的81%的最大吸收为2.12 THz的图5(b)示出的实验数据。MM吸收剂具有相同的ERR为不同的聚酰亚胺从1-7.5微米的厚度范围为3μm的SiO 2的吸收体,其中的介电的几何。作为聚酰亚胺从1微米至3.1微米的峰值吸收的增加的厚度的增加,但在聚酰亚胺的厚度大于3.1微米,有一个轻微的减少的峰的吸收值。作为聚酰亚胺从1微米至7.5微米的厚度的增加,一个明显的红色移0.25 THz的观察。吸收剂有SiO 2作为代替聚酰亚胺的介电也进行了研究。甲最大吸收值的65%,在1.90 THz的3μm厚的SiO 2介质层的这种的一个MM吸收剂与测定。

可提取的有效介电常数和磁导率的模拟数据通过反演的S参数22。检索参数的模拟MM吸收了3.1微米厚的聚酰亚胺垫片的二在图5的(c)中被显示如可以观察到的光学常数的实部交叉接近于零-零反射所需的条件,而每当的介电常数的实部为正的磁导率的实数部分是负的,并反之亦然 - 零传动所需的条件。的频率处有最大吸收,ω0,存在的磁导率的虚数分量,这意味着高吸收的峰。

Lumerical软件时域有限差分也可用于建立的MM结构内的位置的吸收。 ERR,介电层和接地平面层的模拟功率吸收分布示于图6(交流),而横截面的在xz平面上的功率分布在y = 3μm而在图6(d)所示。从这些地块很显然,大部分能量被耗散作为欧姆损失的ERR层和作为在第500 nm的聚酰亚胺介电损耗下面这一层。最大吸收损失的区域发生在相邻的单元电池之间和周围的内边缘的交叉。

参数 p L1 L2 L3 H1 H2 H3
值(mm) 22 17 15.4 15 0.7 1.2 2.0

表1中的多层吸收体的几何参数。

超材料吸收器本质上是窄带器件的带宽通常是没有MO重新超过20%的中心的谐振频率。几个应用程序,如THz光谱,需要传感器表现出宽带太赫兹吸收。我们已经开发了两种策略来实现这样的宽带吸收。第一,在图7中所示的(交流)是堆叠金属ERKs的交替层和介电层的顶部连续的接地平面。在不同的层,我们设计的十字架,以支持多种谐振模式紧密地放置在一起的吸收光谱不同的长度(L 1 - L 3)。通过调谐的电介质厚度(高1 -小时3)的多层结构可以是阻抗的匹配,在每个谐振频率的自由空间,并获得宽带吸收。一个标准电子束登记的过程是用来使彼此顶部的错误。我们的第二个策略是将4 ERRS四“色”超级像素,参见图7(D),到SINGLË介电层地面平面/介电层/金属犯错。这样的装置是非常简单的比多层吸收体的制造。

实验得到的吸收光谱和模拟的多层MM吸收剂,与表1中所述的尺寸的数据,示于图8(a)。也绘制是实验得到的吸收光谱为单一ERR臂长度为17μm和介电层厚度为2μm。的一个层结构有一个单一的共振峰在5.42太赫兹的电磁辐射的78%被吸收。与此相反,在3层的设备有三个共振的吸收程度的66%,77%和80%,分别为4.32,5.31和5.71 THz的。由于这三个紧密位置我们得到一个宽的频带,从4.08太赫兹至5.94 THz的吸收是大于60%,其中的谐振峰。的3层结构的中心频率,以5.01ţ赫兹的半峰全宽(FWHM)的吸收是中心频率的48%。这是几乎两个半倍的FWHM(半峰全宽为20%的单层)的单层结构。的实验数据是在合理的协议与模拟频谱。

为了理解在xz平面上的三个共振模拟吸收分布绘制在图9(交流)的光谱特性的起源。主要是与在4.84兆赫的共振激发底部ERR THz和5.16 5.70太赫兹的共振层,而主要是中部和顶部的激励的后果ERR层。这些分布清楚地表明,每一个错误的宽带吸收。

一个四色超象素的太赫兹吸收剂的SEM图像示于图图7(d),图8(b)示出的模拟的和经验rimental吸收光谱为17微米,15微米,13微米,11微米和臂的宽度为6μm与臂的长度的超象素。像素周期为44微米,而聚酰亚胺的厚度为2μm。四共振仿真和实验数据中观察到。这样的超象素的结构的缺点是,在图8(b)所示,有一定的偏振波依赖性。对于两个偏振的超象素的吸收剂具有介于5.08和7.27 THz的大于50%的吸收; 2.19赫兹的范围内。 TE偏振的FWHM为37%,而它是TM偏振的41%,相当于单个像素的半高宽双。

图1
图1(一)的示意图ERR的MM吸收剂和(b)的横截面完整的MM减振器。电流的部分中的ERR的E字段(由蓝色箭头表示在(a)的方向是平行于诱导。的反并联图像电流流量的的接地平面imemdiately低于十字架区域,产生了共振响应。从0-90°偏移每个连续的情节(三)的SEM图像的单元电池和(插图)的阵列中的第(四)模拟吸收光谱不同的入射偏振角为表示对MM吸收剂的偏振不敏感的。由一个主要单元的纵轴。

图2
图2。3D的仿真示意图设置。

图3
图3。单波段MM吸收剂的制备。 1)20 nm/100nm的Ti / Au的堆叠被蒸发到15毫米×15毫米的硅部分。 2)PI2545是旋涂在样品上,烘烤,在140℃,然后固化,在220℃下3)15%2010和4%2041的双向层是旋涂并烘烤,在180℃下4)在曝光后至100千电子伏的电子束样品开发MIBK和IPA的溶液中。 2010年的聚甲基丙烯酸甲酯,由于其较低的分子量,发展速度比2041聚甲基丙烯酸甲酯。这结果在所需的悬更新需要达到成功剥离。 5)20 nm/150 nm的Ti / Au膜的蒸发在样品上。 6)通过浸渍样品在温暖的丙酮的烧杯中,不想要的区域的金属销解除。

图4
图4的傅立叶变换红外光谱仪27的示意图。


图5(一)的实验和模拟数据的一个MM吸收剂与聚酰亚胺厚度为3.1微米。还绘出的是吸收的7.5微米厚的聚酰亚胺膜。 (b)实验彩信吸收光谱不同的介质隔离层厚度和类型。 (三)提取的光学参数的模拟3.1微米厚的聚酰亚胺MM的吸收。 点击此处查看大图

图6
图6。能量耗散的MM absorber结构与3.1微米厚的聚酰亚胺的隔离物在频率为2.12 THz的。能量耗散(a)中的ERR层,(b)在聚酰亚胺,(c)在接地平面和(d)xz平面在y = 3微米中心。

图7
图7(一)的俯视图的3层MM吸收剂和(b)的横截面的完整装置。 (三)的SEM图像的9个单元电池的多层吸收体,和(d)的SEM图像的一个单一的“超象素”宽带吸收剂。 TE偏振的取向中的插图所示。

图8
图8(一)的实验和模拟数据(FDTD)的多层吸收体。也绘制实验人单层吸收剂吸收光谱。 (二)吸收光谱的“超级像素的宽带吸收。

图9
图9(交流)吸收在xz平面上分布在y = 0的三个谐振频率微米。水平白线表示Au层。

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Discussion

该协议描述了模拟,太赫兹超材料吸收器的制备和表征。这是必要的这样的亚波长结构准确地模拟之前的任何努力致力于昂贵的制造过程。 Lumerical软件时域有限差分模拟提供不仅MM吸收光谱上的信息,而且还吸收的位置,必要的知识,以帮助放置的换能器,并获得最大的响应。此外,该优化算法在Lumerical软件可以被实现为一个预先定义的品质因数( 例如,频率位置,最大吸收,吸收最小,带宽等)的迅速建立一个适当的吸收体结构。在不到24小时的任何设计,从而实现快速的原型设计,仿真,制造和特性,就可以完成一个单一的带MM吸收。我们的多层宽带吸波材料由三个独立的电子束写入步骤(两个注册小号TEPS),并且可以实现在少于4天。此外,我们已制作有SiO 2和Si 3 N 4的绝缘区域之间的ERR和接地平面的吸收剂。通过PECVD淀积这些层之间的厚度范围在0.6和3微米。的吸收程度的类似设备,与聚酰亚胺然而,介电层相同的厚度的吸收体中的频率位置有一个红移位。

美的超材料是其固有的可扩展性-吸收结构已被证明毫米23区,通过红外和光学频率24。这些设备包括标准金属ERR /绝缘体/金属结构体与适当的ERR特征尺寸和绝缘体的类型和厚度。在我们的设计中,谐振频率的位置期间,横臂的结构长度和绝缘体类型主要是依赖于同时的吸收情况Ň幅度是由在绝缘层的厚度来确定。我们切出交叉设计的谐振频率位置的蓝移相对于传统的全交叉设计(无切出的部分)。这允许减少为一个特定的目标共振频率( 例如,2.52赫兹)的像素周期,并为THz成像应用具有重要的意义。我们的设备的一个主要优点是,相对于更复杂的计算密集型我们的ERR错误的几何形状的几何形状是简单易懂,计算要求不高。当我们使用有效的媒介理论来描述我们的超材料吸收器,一个不同的解释干涉理论中心最近已提出25。

研究太赫兹辐射,波长30μm和3毫米之间,在过去十年中迅速发展。这种兴趣被激发太赫兹射线的独特性能,它们可以穿透时珍的LS如塑料,纸张和许多有机化合物,包括人体组织,没有电离辐射,如X射线的危害或潜在危险。此外,太赫兹,也可以使用通过它们的特征光谱,包括爆炸物,有害化学品,药品和DNA,作为分子的转动和振动发生在此波长范围内,以确定特定的材料。因此,太赫兹成像应用领域,如安全,医疗保健,医药,汽车,材料科学和非破坏性测试。

但也有许多未完成的机会,由于缺乏成本低,结构紧凑,易于部署的设备。目前太赫兹成像系统的成本> $ 250K,使用反射镜光学和机械光栅单个像素。现有的商业系统的进一步的限制是从机械光栅的单像素探测器以产生图像所花费的时间,以分钟到几小时吨o编译的详细图像。红外焦平面阵列,通常包括640x320像素读出在30 Hz,数组的大小已被用于THz成像应用程序26,但是这些传感器具有小于5%的THz区域的吸收,并且不提供足够灵敏的检测。我们的单一条带或宽带太赫兹超材料的吸收体有一个热传感器,如pn结二极管或电阻测辐射热计,成一个焦平面阵列的集成将实现能够吸收THz辐射的80%,在谐振频率的装置。这种装置将提供一个高度敏感的,频率选择性的,实时的,结构紧凑,室温THz成像传感器。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

这项工作是由工程和物理科学研究理事会授予数量EP/I017461/1的支持。我们也希望所扮演的詹姆斯·瓦特纳米加工中心的技术人员做出的贡献。

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

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References

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