Simulación, Fabricación y Caracterización de THz Amortiguadores metamateriales

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Summary

Este protocolo describe la simulación, fabricación y caracterización de THz amortiguadores metamateriales. Estos amortiguadores, cuando se combina con un sensor apropiado, tener aplicaciones en THz imagen y espectroscopía.

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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

Los metamateriales (MM), materiales artificiales diseñados para tener propiedades que no pueden ser encontrados en la naturaleza, han sido ampliamente explorada desde la primera demostración teórica y experimental 1 2 de sus propiedades únicas. MMS puede proporcionar una respuesta electromagnética altamente controlable, y hasta la fecha se han demostrado en cada rango espectral tecnológicamente pertinente, incluyendo la óptica 3, cerca de IR 4, mediados IR 5, THz 6, 7 mm de onda, microondas 8 y 9 bandas de radio. Las aplicaciones incluyen lentes perfectas 10, 11 sensores, telecomunicaciones 12, 13 capas de invisibilidad y filtros de 14,15. Recientemente hemos desarrollado sola banda 16, banda dual de banda ancha 17 y 18 dispositivos THz metamateriales absorbentes capaces de absorción mayor del 80% en el pico de resonancia. El concepto de un absorbedor de MM es especiallimportante y en las frecuencias de THz en los que es difícil encontrar fuertes frecuencias de THz absorbentes selectivos 19. En nuestro absorbedor de la radiación THz MM se absorbe en un espesor de ~ λ/20, superando la limitación de espesor de absorbedores tradicionales cuarto de longitud de onda. Amortiguadores MM naturalmente se prestan a aplicaciones de detección de THz, tales como sensores térmicos, y si se integra con fuentes adecuadas de THz (QCL, por ejemplo), podría conducir a compacto, de alta sensibilidad, bajo costo, en tiempo real, sistemas de imagen de THz.

Introduction

Este protocolo describe la simulación, fabricación y caracterización de banda única y absorbentes de banda ancha MM de THz. El dispositivo, que se muestra en la Figura 1, consta de una cruz de metal y una capa dieléctrica en la parte superior de un plano de tierra metálico. La estructura en forma de cruz es un ejemplo de un anillo resonador eléctrico (ERR) 20,21 y un fuerte acoplamiento a campos eléctricos uniformes, pero de manera insignificante a un campo magnético. Por el emparejamiento de la ERR con un plano de tierra, el componente magnético de la onda incidente THz induce una corriente en las secciones de la ERR que son paralelas a la dirección del campo E. La respuesta eléctrica y magnética a continuación, se puede ajustar de forma independiente y la impedancia de la estructura corresponde al espacio libre mediante la variación de la geometría de la ERR y la distancia entre los dos elementos metálicos. Como se muestra en la Figura 1 (d), la simetría de las estructura resulta en una respuesta de polarización absorción insensible.

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Protocol

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Representative Results

La figura 5 (a) muestra el espectro de absorción obtenido experimentalmente y simulados para un absorbente de 3,1 mm con una m de espesor de poliimida espaciador dieléctrico. Esta estructura MM tiene una repetición-período de 27 micras y las dimensiones K = 26 m, L = 20 m, M = 10 micras y N = 5 micras. Las medidas experimentales se llevaron a cabo también en muestras sin ERR capa para confirmar que la absorción fue una consecuencia de la estructura MM y no del dieléctrico. Los 7,5 m de espesor de poliimida muestra sin ERR estructura tiene una absorción máxima de 5% en todo el rango de frecuencia de interés, véase la figura 5 (a), verificando así que en la absorción de frecuencia de resonancia es un resultado de la estructura MM. Los datos experimentales muestran un pico de resonancia a 2,12 THz magnitud de la absorción de 77%. Este resultado está en concordancia excelente con el máximo de absorción simulado de 81% a 2,12 THz. Figura 5 (b) muestra los datos experimentales para losAbsorbedores de MM con el mismo ERR geometría diferente para poliimida espesores que van desde 1 hasta 7,5 micras y para un absorbedor donde el dieléctrico es 3 m de SiO 2. Como la poliimida aumenta el espesor de 1 m hasta 3,1 m aumenta la absorción de los picos, pero en poliimida espesores superiores a 3,1 micras hay una ligera reducción en el valor de pico de absorción. A diferencia de desplazamiento al rojo de 0,25 THz se observa como la poliimida aumenta el espesor de 1 m hasta 7,5 m. Absorbentes que tenían SiO 2 como dieléctrico en lugar de poliimida también fueron estudiados. Un valor máximo de absorción de 65% a 1,90 THz se midió por un absorbedor de MM con una capa de 3 m de espesor dieléctrico SiO 2.

La permitividad efectiva y la permeabilidad se puede extraer de los datos simulados a través de la inversión de los parámetros S 22. Los parámetros obtenidos para el absorbedor MM simulado con un 3,1 m de espesor de poliamida espaciador son diextendidos en la Figura 5 (c) Como se puede observar las partes reales de las constantes ópticas cruzar cercano a cero -. una condición necesaria para la reflexión cero, mientras que cuando la parte real de la permitividad es positiva la parte real de la permeabilidad es negativo y viceversa - una condición necesaria para el cero de transmisión. A la frecuencia de absorción máxima 0, ω, hay un pico de la componente imaginaria de la permeabilidad que implica una gran absorción.

Lumerical FDTD también se puede utilizar para establecer la ubicación de la absorción dentro de la estructura MM. Las distribuciones simuladas de energía de absorción para la ERR, dieléctricas y las capas de plano de tierra se muestran en las figuras 6 (ac), mientras que una sección transversal de la distribución de potencia en el plano xz en y = 3 micras se muestra en la Figura 6 (d). A partir de estas parcelas es evidente que la mayoría de la energía se disipa en forma de pérdida óhmica en la capa de ERR y comopérdida dieléctrica en los primero 500 nm de poliimida por debajo de esta capa. Las regiones de la pérdida de absorción máxima se producen entre celdas unitarias adyacentes y alrededor de los bordes interiores de la cruz.

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

Tabla 1. Parámetros geométricos del absorbente multi-capa.

Absorbedores de metamateriales son dispositivos inherentemente de banda estrecha; el ancho de banda normalmente ser no more del 20% de la frecuencia de resonancia centro. Varias aplicaciones, como la espectroscopia de THz, requieren sensores de banda ancha que presentan absorción THz. Hemos desarrollado dos estrategias para realizar la absorción de banda ancha tales. El primero, representado en la Figura 7 (ac) es la pila de capas alternas de metal yerra y capas dieléctricas en la parte superior de un plano de tierra continuo. En las diferentes capas que cruces diseño de diferentes longitudes (L 1 - L 3) con el fin de soportar varios modos resonantes estrechamente posicionados juntos en el espectro de absorción. Al ajustar el grosor dieléctrico (1 h - h 3) de la estructura multi-capa puede ser de impedancia a juego con el espacio libre en cada frecuencia resonante y conseguir la absorción de banda ancha. Un haz de electrones estándar proceso de registro se utiliza para alinear la ERRs uno encima de otro. Nuestra estrategia segundo es incorporar cuatro ERRs en un cuatro "color" super-pixel, véase la figura 7 (d), en un single capa dieléctrica plano de tierra, por ejemplo / dieléctrico / metálico yerra. Tal dispositivo es mucho más sencillo de fabricar que el absorbente de capas múltiples.

El espectro de absorción obtenido experimentalmente y los datos simulados para un absorbedor MM multi-capa, con las dimensiones indicadas en la Tabla 1, se muestran en la Figura 8 (a). También se representa es el espectro de absorción obtenido experimentalmente para un solo ERR de la longitud del brazo 17 micras y el espesor dieléctrico de 2 micras. La estructura de la capa uno tiene un pico sola resonancia a 5,42 THz donde se absorbe 78% de la radiación EM. En contraste, el dispositivo 3-capa tiene tres resonancias a 4,32, 5,31 y 5,71 THz con magnitudes de absorción de 66%, 77% y 80% respectivamente. Debido a estos tres picos posición muy resonantes se obtiene una banda de frecuencia ancha, de 4,08 a 5,94 THz THz, donde la absorción es mayor que 60%. Tomando la frecuencia central de la estructura 3-capa a ser 5,01 THz el ancho máximo de la mitad (FWHM) de la absorción es 48% de la frecuencia central. Esto es casi dos veces y media la FWHM de la estructura de una sola capa (FWHM de la capa única es 20%). Los datos experimentales es razonablemente de acuerdo con el espectro simulado.

Para comprender el origen de las características espectrales de absorción de las distribuciones simuladas en el plano xz de las tres resonancias se trazan en la Figura 9 (ac). La resonancia a 4,84 THz se asocia principalmente con la excitación de la parte inferior ERR capa mientras que las resonancias a 5,16 THz y THz 5,70 son principalmente consecuencia de la excitación de la mitad superior y ERR capas respectivamente. Estas distribuciones revelan claramente que cada ERR contribuye a la absorción de banda ancha.

Una imagen SEM de un color cuatro super-pixel absorbedor THz se muestra en la Figura 7 (d). Figura 8 (b) muestra la simulado y expeespectros de absorción rimentales para un super-pixel con longitudes de brazo de 17 m, micras 15 micras, 13 y 11 micras y anchos brazos de 6 micras. El período de píxel es 44 micras, mientras que el espesor de poliimida es 2 m. Cuatro resonancias se observan tanto en la simulación y los datos experimentales. La desventaja de tal estructura de super-pixel es que, como se muestra en la Figura 8 (b), hay una cierta dependencia de la polarización. Para ambas polarizaciones del absorbedor super-pixel tiene más de 50% de absorción entre 5,08 y 7,27 THz; una gama de 2,19 THz. La FWHM para la polarización TE es 37% mientras que es 41% para la polarización TM, lo que representa el doble de la FWHM del píxel.

Figura 1
Figura 1. (A) Esquema de la ERR del absorbedor de MM y (b) una sección transversalabsorbedor de MM completa. Se induce una corriente en las secciones de la ERR, que son paralelas al campo E (dirección indicada por las flechas azules en (a). Fluye una imagen anti-paralelas actuales en las regiones del plano de tierra imemdiately debajo de la cruz, lo que resulta en una respuesta resonante. (c) imagen de SEM de la celda unidad y (recuadro) sección de la matriz. (d) los espectros de absorción simulado para diferentes ángulos de incidencia de polarización que muestran insensibilidad polarización del absorbedor de MM. Cada trama sucesiva a partir de 0-90 ° se compensa por una unidad principal de el eje de ordenadas.

Figura 2
Figura 2. Esquema en 3D de la simulación de puesta a punto.

Figura 3
Figura 3. Fabricación de amortiguador único MM banda. 1) A 20 nm/100nm Ti / Au pila se evapora sobre un mm por 15 mm de sección 15 de silicio. 2) PI2545 es recubrió por centrifugación sobre la muestra, al horno a 140 ° C y luego se curó a 220 ° C. 3) Una capa bi-de 15% y 4% 2010 2041 es recubrió por centrifugación y se hornea a 180 ° C. 4) Después de la exposición a un haz de 100 keV de electrones de la muestra se desarrolla en una solución de MIBK y el IPA. El PMMA 2010, debido a su menor peso molecular, se desarrolla más rápido que el PMMA 2041. Esto da como resultado el perfil deseado voladizo requerida para alcanzar con éxito el despegue. 5) A 20 nm/150 nm Ti / Au película se evapora sobre la muestra. 6) las regiones no deseadas de metal se levantó-off mediante la inmersión de la muestra en un vaso de precipitados de acetona caliente.

Figura 4
Figura 4. Esquema de un espectrómetro de infrarrojo por transformada de Fourier 27.


Figura 5. (A) Los datos experimentales y simulados de un absorbedor de MM con un espesor de poliimida de 3,1 micras. También se representa es la absorción de un 7,5 m de espesor de película de poliimida. (B) los espectros de absorción Experimental para MMS con espesores diferentes espaciador dieléctrico y el tipo. (C) que se extrae de los parámetros ópticos simulados 3,1 m de espesor de poliamida absorbente MM. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

La figura 6
Figura 6. Disipación de energía en un absorbe MMestructura R con un 3,1 m de espesor de poliimida espaciador a una frecuencia de 2,12 THz. Disipación de energía en (a) la capa de ERR, (b) el centro de la poliimida, (c) el plano del suelo y (d) plano xz en y = 3 m.

Figura 7
Figura 7. (A) vista en planta del absorbedor mm 3-capa y (b) sección transversal del dispositivo completo. (C) Imagen de MEB de 9 celdas unitarias del absorbente de capas múltiples y (d) imagen de SEM de un único "super-pixel 'absorbedor de banda ancha. La orientación para la polarización TE se muestra en el recuadro.

Figura 8
Figura 8. (A) experimentales y simulados (FDTD) datos del absorbente multi-capa. También se representa es el experimentoal espectro de absorción para un absorbente de una sola capa. (B) Espectro de absorción para absorber la banda ancha "super-pixel".

Figura 9
Figura 9. (Ac) distribución de absorción en el plano xz en y = 0 micras, con las tres frecuencias de resonancia. Las líneas blancas horizontales denotan capas de Au.

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Discussion

Este protocolo describe la simulación, fabricación y caracterización de THz absorbedores metamateriales. Es esenciales tales sub-longitud de onda estructuras son simuladas con precisión antes de que cualquier esfuerzo se ha comprometido a procedimientos de fabricación costosos. Lumerical simulaciones FDTD proporcionan información no sólo en el espectro de absorción MM, sino también la ubicación de la absorción, el conocimiento esencial para ayudar a la colocación de un transductor y obtener la máxima respuesta. Además, el algoritmo de optimización en Lumerical se pueden implementar para establecer rápidamente una estructura absorbente apropiado para una figura predefinida de mérito (por ejemplo, posición de frecuencia, la absorción máxima, mínima absorción, etc ancho de banda). Simulación, fabricación y caracterización de un absorbedor de banda MM solo se puede completar en menos de 24 horas que permite creación rápida de prototipos de cualquier diseño. Nuestra multi-capa absorbente de banda ancha consiste en tres pasos de escritura independientes de haz de electrones (dos s de registroPTE), y podría ser realizado en menos de 4 días. También hemos fabricado absorbentes que tienen SiO 2 y Si 3 N 4 aislante regiones entre el ERR y el plano de tierra. Estas capas fueron depositados por PECVD y variaban en espesor entre 0,6 y 3 m. Las magnitudes de absorción fueron similares a los dispositivos con poliimida capas dieléctricas sin embargo, había un desplazamiento hacia el rojo en la posición de frecuencia para absorbedores del mismo espesor.

La belleza de los metamateriales es su escalabilidad inherente - estructuras absorbentes se ha demostrado a partir de la región de 23 mm a través de las frecuencias infrarrojas y ópticas 24. Estos dispositivos consisten en el metálica estándar ERR / aislador / estructura metálica con el tamaño de la característica apropiada ERR y tipo aislante y su espesor. En nuestro diseño de la posición de frecuencia resonante depende principalmente de la época, la longitud del brazo transversal de la estructura y el tipo de aislador, mientras que el absorption magnitud está determinada por el espesor de la capa aislante. La posición de la frecuencia de resonancia de nuestra corte transversal de diseño es de color azul desplazado en comparación con los diseños transversales más tradicionales enteros (sin cortar secciones). Esto permite que el período de pixel que se reduce para una determinada frecuencia de resonancia específica (por ejemplo, 2,52 THz) y tiene implicaciones importantes para las aplicaciones de imágenes THz. Una ventaja importante de nuestro dispositivo es que, en contraste con las más complejo y computacionalmente intensivo ERR ERR geometrías nuestra geometría es fácil de entender y poco exigente computacionalmente. Mientras que utilizamos la teoría medio eficaz para describir nuestros absorbedores metamaterial, una explicación diferente de centrado en teoría de la interferencia se ha propuesto recientemente 25.

La investigación sobre la radiación THz, con longitudes de onda de entre 30 micras y 3 mm, ha florecido en la última década. Este interés ha sido estimulado por las propiedades únicas de los rayos THz, ya que pueden penetrar en materials tales como plásticos, papel y muchos compuestos orgánicos, incluidos los tejidos humanos, sin los riesgos o peligros potenciales asociados con la radiación ionizante, como los rayos X. Además, THz se puede utilizar para identificar los materiales específicos a través de su espectro característico, incluyendo explosivos, productos químicos peligrosos, fármacos y el ADN, como las rotaciones moleculares y las vibraciones se producen en este rango de longitud de onda. En consecuencia THz imágenes ha encontrado aplicaciones en áreas tales como la seguridad, la salud, la industria farmacéutica, automotriz, ciencias de los materiales y ensayos no destructivos.

Sin embargo, hay muchas oportunidades no cumplidas debido a la falta de equipos de bajo costo, compacto y fácilmente desplegable. Presente THz imágenes costo sistemas> £ 250k, utilizan espejos para la óptica y mecánicamente raster un solo píxel. Una limitación adicional de los sistemas comerciales es el tiempo necesario para producir una imagen desde el detector de píxel mecánicamente rastered único, teniendo minutos a t horaso compilar imágenes detalladas. IR matrices de plano focal, que comprende típicamente tamaños de matriz de 640x320 píxeles leídos a cabo a 30 Hz, se han utilizado para aplicaciones de imágenes THz 26 sin embargo estos sensores tienen menos de 5% de absorción en la región de THz y no proporcionan suficiente sensibilidad de detección. Integración de nuestra única banda o de banda ancha de absorción THz metamaterial con un sensor térmico, tal como un diodo pn o bolómetro resistivo, en una matriz de plano focal se daría cuenta de un dispositivo capaz de absorber el 80% de la radiación THz a la frecuencia de resonancia. Tal dispositivo sería proporcionar un muy sensible, selectivo de la frecuencia, en tiempo real, compacto, temperatura ambiente THz sensor de imagen.

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

Este trabajo es apoyado por la Ingeniería y Ciencias Físicas del Consejo de Investigación el número de concesión EP/I017461/1. También queremos reconocer la contribución que desempeña el personal técnico del Centro de Nanofabricación 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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