Fabricação de simulação, e Caracterização de THz Absorvedores de metamateriais

Engineering

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Summary

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de absorvedores metamaterial THz. Tais absorventes, quando acoplado com um sensor apropriado, ter aplicações em imagiologia THz e espectroscopia.

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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

Metamateriais (MM), os materiais artificiais modificados para ter propriedades que não podem ser encontrados na natureza, têm sido amplamente explorados desde a primeira demonstração de uma teórica e experimental 2 às suas propriedades únicas. MMS pode dar uma resposta eletromagnética altamente controlável, e até à data tem sido demonstrado em cada faixa espectral tecnologicamente relevantes, incluindo o 3 óptico, perto IR 4, meados IR 5, 6 THz, mm-wave 7, 8 e microondas de rádio 9 bandas. As aplicações incluem lentes perfeitas 10, sensores de 11, telecomunicações 12, 13 mantos da invisibilidade e filtros 14,15. Desenvolvemos recentemente única banda 16, 17 e de banda dupla de banda larga 18 THz dispositivos absorvedores metamaterial capazes de absorção superior a 80% no pico de ressonância. O conceito de um absorvedor de MM é especially importante nas freqüências de THz, onde é difícil encontrar fortes freqüência seletiva amortecedores THz 19. No nosso MM absorvedor da radiação THz é absorvido por uma espessura de ~ λ/20, superando as limitações da espessura de absorventes de comprimento de onda tradicionais trimestre. Absorvedores MM naturalmente se prestam a aplicações de detecção de THz, tais como sensores térmicos, e se integrado com fontes adequadas de THz (por exemplo QCLs), pode levar a compacta, altamente sensível, de baixo custo, em tempo real, sistemas de THz imagem.

Introduction

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de banda única e absorvedores de banda larga MM THz. O dispositivo, mostrado na Figura 1, consiste de uma cruz de metal e uma camada dieléctrica no topo de uma placa de massa de metal. A estrutura em forma de cruz é um exemplo de um anel eléctrico ressonador (ERR) 20,21 e casais fortemente a campos eléctricos uniformes, mas de forma insignificante a um campo magnético. Por emparelhamento a ERR com um plano de massa, o componente magnético da onda incidente THz induz uma corrente nas secções do ERR, que são paralelas à direcção do campo E. A resposta eléctrico e magnético pode então ser ajustado de forma independente e a impedância da estrutura correspondente ao espaço livre através da variação da geometria do ERR e que a distância entre os dois elementos metálicos. Como mostrado na Figura 1 (d), a simetria das estrutura resulta uma resposta absorção polarização insensível.

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Protocol

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Representative Results

A Figura 5 (a) mostra os espectros de absorção obtidos experimentalmente e simulados para um amortecedor de MM com 3,1 um de espessura de um espaçador dieléctrico poliimida. Esta estrutura tem uma repetição MM-período de 27 ^ m e as dimensões de K = 26 uM, L = 20 um, M = 10 ^ M e N = 5 | im. Medidas experimentais foram também realizados em amostras sem ERR camada para confirmar que a absorção foi uma consequência da estrutura de MM e não do dielétrico. Os 7,5 um de espessura de poliimida amostra sem estrutura ERR tem uma absorção máxima de 5% em toda a gama de frequências de interesse, ver a Figura 5 (a), deste modo verificado que a absorção de frequência de ressonância é o resultado da estrutura de MM. Os dados experimentais mostram um pico de ressonância em 2.12 THz de magnitude de absorção de 77%. Este resultado está em excelente concordância com o máximo de absorção simulada de 81% a 2,12 THz. Figura 5 (b) mostra os dados experimentais paraAbsorvedores de MM com a mesma geometria ERR para diferentes espessuras que variam de poliimida 1-7,5 ^ m e por um absorvedor em que o dieléctrico é 3 mm de SiO2. À medida que a espessura da poliimida aumentos de 1 um para 3,1 uM os aumentos de absorção de pico, mas a poli-imida espessuras superiores a 3,1 uM há uma ligeira redução do valor de absorção de pico. Um distinto red-shift de 0,25 THz é observada como o aumento de poliimida de espessura de 1 um a 7,5 um. Absorvedores que tinham SiO 2 como dieléctrico em vez de poli-imida foram também estudados. Um valor máximo de absorção de 65% em 1.90 THz foi medido para um tal amortecedor de MM com uma espessura de SiO 3 um camada dieléctrica 2.

A permissividade efectiva e permeabilidade pode ser extraída a partir dos dados simulados através da inversão de parâmetros S 22. Os parâmetros obtidos para o absorvedor MM simulado com um 3,1 um de espessura de poli-imida são di espaçadorespalmadas na Figura 5 (c) Como pode ser observado as partes reais das constantes ópticas atravessar perto de zero -. uma condição necessária para a reflexão de zero, ao passo que, sempre que a parte real da permissividade é positivo a parte real da permeabilidade é negativo e vice-versa, - uma condição necessária para a transmissão de zero. Na frequência de absorção máxima 0, ω, existe um pico do componente imaginária da permeabilidade implica uma elevada absorção.

Lumerical FDTD pode também ser usada para estabelecer a localização da absorção dentro da estrutura de MM. As distribuições de energia simulados de absorção para o ERR dieléctrico, e as camadas planas de terra são mostradas nas Figuras 6 (ac), enquanto que um corte transversal da distribuição de energia no plano xz em y = ^ M 3 é mostrado na Figura 6 (d). A partir destes gráficos é evidente que a maior parte da energia é dissipada como perda óhmica na camada e como ERRperda dieléctrica, nos primeiros 500 nm de poliimida abaixo desta camada. As regiões de absorção máxima perda ocorre entre as células adjacentes da unidade e em torno das arestas interiores da cruz.

Parâmetro p L1 L2 L3 h1 h2 h3
Valor (mm) 22 17 15,4 15 0,7 1,2 2,0

Tabela 1. Parâmetros geométricos para o absorvente de multi-camada.

Absorvedores metamaterial são inerentemente dispositivos de banda estreita, a largura de banda tipicamente não sendo more de 20% da frequência central de ressonância. Diversas aplicações, tais como espectroscopia THz, requerem sensores que apresentam absorção de banda larga THz. Nós desenvolvemos duas estratégias para realizar absorção de banda larga tais. A primeira, representada na Figura 7 (ac) é empilhar camadas alternadas de metal e camadas dieléctricas erra no topo de uma placa de massa contínua. Em diferentes camadas que atravessa concepção de diferentes comprimentos (L 1 - L 3), a fim de suportar vários modos ressonantes intimamente posicionados juntos no espectro de absorção. Por ajuste da espessura do dieléctrico (h 1 - 3 h), a estrutura multi-camada pode ser de impedância correspondente ao espaço livre em cada uma das frequências de ressonância e absorção de banda larga obtido. Um padrão de electrões do feixe processo de registo é utilizada para alinhar o ERRs em cima da outra. A nossa estratégia segunda é a incorporação de quatro em quatro ERRs "cor" super-pixel, ver Figura 7 (d), em um single camada dielétrica de plano de terra ie / dielétrico / metálico erra. Um dispositivo deste tipo é muito mais simples de fabricar do que o absorvente de multi-camada.

O espectro de absorção obtidos experimentalmente e os dados simulados para um amortecedor de MM de multi-camada, com as dimensões indicadas na Tabela 1, são apresentados na Figura 8 (a). Também traçada é o espectro de absorção obtidos experimentalmente para uma única ERR de comprimento do braço 17 ^ m e espessura de 2 um dieléctrico. A estrutura de camada tem um pico de ressonância única em 5,42 THz, onde 78% da radiação EM é absorvida. Em contraste, o dispositivo de 3 camadas tem três ressonâncias a 4,32, 5,31 e 5,71 THz com magnitudes de absorção de 66%, 77% e 80%, respectivamente. Devido a estas três picos estreitamente posição ressonantes que obtemos uma banda de frequência de largura, de 4,08 a 5,94 THz THz, onde a absorção é maior do que 60%. Tomando a frequência central da estrutura de 3 camadas para ser 5,01 THz máximo metade da largura (FWHM) de absorção é de 48% da frequência central. Isto é quase duas vezes e meia a FWHM da estrutura de camada única (FWHM da camada única é de 20%). Os dados experimentais está de acordo razoável com o espectro simulado.

Para compreender a origem das características espectrais das distribuições de absorção simulados no plano xz das três ressonâncias são traçados na Figura 9 (ac). A ressonância em THz 4,84 está principalmente associada com a excitação do fundo ERR camada enquanto as ressonâncias de 5,16 e 5,70 THz THz são principalmente uma conseqüência da excitação do meio e topo ERR camadas respectivamente. Estas distribuições revelam claramente que cada ERR contribui para a absorção de banda larga.

Uma imagem SEM de uma a quatro cores de absorção THz super pixel é mostrado na Figura 7 (d). Figura 8 (b) mostra o simulado e expeOs espectros de absorção rimental para um super-pixel com comprimentos de braço de 17 uM, 15 uM, 13 uM e 11 uM e larguras de braço de 6 um. O período de pixel é de 44 pM, enquanto a espessura de poli-imida é de 2 ^ m. Quatro ressonâncias são observadas tanto na simulação e os dados experimentais. A desvantagem de uma tal estrutura de super-pixel é a de que, como mostrado na Figura 8 (b), existe alguma dependência da polarização. Para ambas as polarizações o absorvedor super pixel tem mais do que 50% de absorção entre 5,08 e 7,27 THz; uma gama de 2,19 THz. A FWHM para a polarização TE é de 37%, enquanto que é de 41% para a polarização TM, o que representa o dobro do FWHM do único pixel.

Figura 1
Figura 1. (A) Esquema do ERR do absorvedor MM e (b) secção transversalabsorvedor de MM completa. A corrente é induzida nas secções do ERR, que são paralelas ao campo E (direcção indicada por setas azuis em (a). An fluxos anti-paralelos de imagem actuais nas regiões do plano de terra imemdiately abaixo da cruz, resultando numa resposta ressonante. (c) imagem SEM da célula unitária e (inset) secção da matriz. (d) espectro de absorção simulado para ângulos de incidência diferentes de polarização mostrando insensibilidade polarização do absorvedor MM. Cada parcela sucessiva 0-90 ° é compensado por uma unidade principal do eixo das ordenadas.

Figura 2
Figura 2. Esquema 3D da simulação set-up.

Figura 3
Figura 3. Fabricação de amortecedor único banda MM. 1) A 20 nm/100nm pilha Ti / Au é evaporada em um 15 mm por 15 mm de secção de silício. 2) rotação PI2545 é revestida sobre a amostra, aquecidas a 140 ° C e em seguida curadas a 220 ° C. 3) Uma camada de bi-, de 15% de 2010 e 2041 é de 4% de spin revestido e cozido a 180 ° C. 4) Depois de exposição a um feixe de electrões de 100 keV, a amostra é desenvolvido em uma solução de MIBK e IPA. O PMMA de 2010, devido ao seu baixo peso molecular, se desenvolve mais rapidamente do que o PMMA 2041. Isto resulta na saliência de perfil desejado necessária para se atingir com sucesso a descolagem. 5) A 20 nm/150 nm filme Ti / Au é evaporado sobre a amostra. 6) as regiões indesejadas de metal são elevados-off por imersão da amostra, num copo de acetona quente.

Figura 4
Figura 4. Esquemático de um espectrômetro Fourier Transform Infrared 27.


Figura 5. (A) Os dados experimentais e simulados de um absorvedor de MM com uma poliimida de espessura de 3,1 ^ m. Também traçada é a absorção de um 7,5 um de espessura de filme de poliimida. (B) espectro de absorção experimental para MMS com espessura diferentes dielétrico espaçador e tipo. (C) extraídos parâmetros ópticos dos simulados 3,1 mm de espessura poliimida absorvente MM. Clique aqui para ver maior figura .

Figura 6
Figura dissipação 6. Energia num absorbe MMr estrutura com um 3,1 mm de espessura poliimida espaçador em uma freqüência de 2,12 THz. Dissipação de energia em (a) a camada de ERR, (b) o centro de poliimida, (c) o plano de terra e (d) no plano xz y = 3 um.

Figura 7
Figura 7. (A) vista de cima da camada absorvente de MM-3 e (b) secção transversal do dispositivo completo. (C) imagem SEM de 9 células unitárias de a multi-camada absorvente e (d) da imagem SEM de um único absorvedor 'super-pixel "banda larga. A orientação de polarização TE é mostrada na inserção.

Figura 8
Figura 8. (A) experimentais e simulados (FDTD) dados do absorvedor de multi-camada. Também é representada a experiênciaal espectro de absorção de um absorvedor de camada única. (B) espectro de absorção para o 'super-pixel' amortecedor de banda larga.

Figura 9
Figura 9. (Ac) de distribuição de Absorção no plano xz em y = 0 ^ M nas três frequências de ressonância. As linhas horizontais indicam as camadas brancas Au.

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Discussion

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de absorvedores metamaterial THz. É essenciais tais sub-comprimento de onda estruturas são simuladas com precisão antes de qualquer esforço está empenhada em procedimentos de fabricação caros. Lumerical simulações FDTD fornecer informações não só sobre o espectro de absorção de MM, mas também o local da absorção, o conhecimento essencial para auxiliar a colocação de um transdutor e de obter a resposta máxima. Além disso, o algoritmo de optimização de Lumerical pode ser implementado para estabelecer rapidamente uma estrutura absorvente apropriado para um número pré-definido de mérito (por exemplo, a posição de frequência, no máximo de absorção, mínimo de absorção, etc largura de banda). Fabricação, simulação e caracterização de um amortecedor único banda MM pode ser concluída em menos de 24 horas permitindo a prototipagem rápida de qualquer projeto. Nosso absorvedor de banda larga multi-camada consiste em três etapas distintas de elétrons feixe escrever (dois registro sUTEs) e pode ser realizado em menos de 4 dias. Temos também fabricado absorventes que têm SiO2 e Si 3 N 4 isolante regiões entre o ERR e do plano de terra. Estas camadas foram depositados por PECVD, variando em espessura entre 0,6 e 3 um. As magnitudes de absorção foi semelhante aos dispositivos com poliimida camadas dieléctricas no entanto houve um desvio para o vermelho na posição de frequência para absorver a mesma espessura.

A beleza dos metamateriais é a sua escalabilidade inerente - estruturas de absorção tem sido demonstrado a partir da região de 23 milímetros até as frequências do infravermelho e óptico 24. Estes dispositivos consistem no padrão metálico TRE / isolante / estrutura metálica com as características de tamanho e tipo adequados ERR isolante e espessura. Na nossa concepção da posição de frequência de ressonância é principalmente dependente do período de duração do braço, transversal da estrutura e do tipo isolador, enquanto o absorptiomagnitude n é determinado pela espessura da camada de isolamento. A posição de frequência de ressonância do nosso projeto de corte transversal é azul deslocado em relação ao mais tradicionais projetos transversais inteiros (sem cortar seções). Isto permite que o período de pixel a ser reduzida para uma frequência ressonante alvo específico (por exemplo, 2,52 THz) e tem implicações importantes para aplicações de imagiologia THz. Uma grande vantagem do dispositivo é a de que, em contraste com a mais complexa e computacionalmente intensiva ERR geometrias nosso ERR geometria é fácil de compreender e computacionalmente exigente. Enquanto usamos teoria meio eficaz para descrever nossos amortecedores de metamaterial, uma explicação diferente centrada na teoria interferência foi recentemente proposto 25.

A investigação sobre a radiação THz, com comprimentos de onda entre 30 mm e 3 mm, floresceu na última década. Este interesse tem sido estimulado pelas propriedades únicas de raios THz, pois eles podem penetrar materials, como plástico, papel e muitos compostos orgânicos, incluindo o tecido humano, sem riscos ou perigos potenciais associados com radiações ionizantes, como raios-X. Além disso, THz pode ser usado para identificar materiais específicos através do seu espectro característico, incluindo explosivos, produtos químicos perigosos, drogas e de DNA, como as rotações e vibrações moleculares ocorre nesta gama de comprimentos de onda. Assim THz imagem tem encontrado aplicações em áreas como segurança, saúde, farmacêutica, automotiva, ciência dos materiais e ensaios não-destrutivos.

No entanto, existem muitas oportunidades não cumpridas, devido à falta de equipamentos de baixo custo, compacto e de fácil implantação. Presente THz imaging custo dos sistemas> R $ 250 mil, usar espelhos para óptica e mecânica raster um único pixel. Uma outra limitação dos actuais sistemas comerciais é o tempo necessário para produzir uma imagem a partir do detector de pixels mecanicamente rastered único, tendo minutos a horas tó compilar imagens detalhadas. Matrizes de plano focal IR, tamanhos de matriz tipicamente compreendem de 640x320 pixels lidos a 30 Hz, têm sido utilizados para aplicações de imagiologia THz 26 no entanto, estes sensores têm menos de 5% de absorção na região THz e não fornecem detecção suficientemente sensível. Integração da nossa banda única ou de absorção de banda larga THz metamaterial com um sensor térmico, tal como um diodo pn ou bolómetro resistiva, em uma matriz de plano focal iria perceber um dispositivo capaz de absorver 80% da radiação THz à frequência de ressonância. Tal dispositivo seria uma freqüência altamente sensível, seletivo, em tempo real, compacto, temperatura ambiente THz sensor de imagem.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Este trabalho é apoiado pela Engenharia e Ciências Físicas Research Council número de concessão EP/I017461/1. Gostaríamos também de agradecer a contribuição jogado pela equipe técnica do Centro de Nanofabricação James Watt.

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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