Simulation, fabrication et caractérisation de THz Absorbeurs métamatériaux

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Summary

Ce protocole décrit la simulation, la fabrication et la caractérisation des absorbeurs THz métamatériaux. Ces absorbeurs, lorsqu'il est couplé avec un capteur approprié, ont des applications dans l'imagerie THz et spectroscopie.

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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

Les métamatériaux (MM), des matériaux artificiels conçus pour avoir des propriétés qui ne peuvent être trouvés dans la nature, ont été largement explorée depuis la première démonstration expérimentale théorique 1 et 2 de leurs propriétés uniques. MMs peut fournir une réponse électromagnétique hautement contrôlable, et à ce jour ont été mis en évidence dans toutes les gammes de technologies pertinentes spectrale y compris les 3 optique, le proche infrarouge 4, mi IR 5, THz 6, ondes millimétriques 7, 8 et micro-ondes de radio 9 bandes. Les applications comprennent les lentilles parfaites capteurs 10, 11, 12, télécommunications capes d'invisibilité filtres 13 et 14,15. Nous avons récemment développé une seule bande 16, bi-bande 17 et 18 appareils à large bande d'absorption THz métamatériaux capables de plus de 80% d'absorption au pic de résonance. Le concept d'un absorbeur de MM especially importante aux fréquences THz où il est difficile de trouver de solides sélectifs en fréquence THz absorbeurs 19. Dans notre absorbeur du rayonnement THz MM est absorbé dans une épaisseur d'environ λ/20, surmonter la limitation de l'épaisseur quart d'onde absorbeurs traditionnels. Absorbeurs MM se prêtent naturellement à des applications de détection THz, tels que les capteurs thermiques, et s'ils sont intégrés à des sources THz appropriés (LCQ, par exemple), pourrait conduire à des systèmes compacts, hautement sensible, à faible coût, en temps réel des systèmes d'imagerie THz.

Introduction

Ce protocole décrit la simulation, la fabrication et la caractérisation de bande unique et amortisseurs à large bande THz MM. Le dispositif, représenté sur la figure 1, se compose d'une croix métallique et une couche diélectrique au-dessus d'un plan de masse métallique. La structure en forme de croix est un exemple d'un anneau résonateur électrique (TRE) et 20,21 couples fortement à champs électriques uniformes, mais de façon négligeable à un champ magnétique. En couplant l'ERR avec un plan de masse, la composante magnétique de l'onde incidente THz induit un courant dans les sections de l'ERR qui sont parallèles à la direction du champ E. La réponse électrique et magnétique peut alors être réglé de manière indépendante et l'impédance de la structure adaptée à l'espace libre en faisant varier la géométrie du TRE et la distance entre les deux éléments métalliques. Comme le montre la Figure 1 (d), la symétrie de la structure est dans une réponse insensible à la polarisation d'absorption.

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Protocol

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Representative Results

La figure 5 (a) montre les spectres d'absorption obtenus expérimentalement et simulés pour un absorbeur avec MM de 3,1 um d'épaisseur polyimide espaceur diélectrique. Cette structure a une répétition MM-période de 27 um et dimensions K = 26 um, L = 20, M = um 10 um et N = 5 um. Des mesures expérimentales ont également été réalisées sur des échantillons sans ERR couche de confirmer que l'absorption était une conséquence de la structure MM et non du diélectrique. Les 7,5 pm d'épaisseur de polyimide échantillon sans ERR structure présente une absorption maximale de 5% sur toute la gamme de fréquence d'intérêt, voir la figure 5 (a), pour ainsi vérifier que la fréquence de résonance d'absorption est un résultat de la structure de MM. Les données expérimentales montre un pic de résonance à 2,12 THz de grandeur d'absorption de 77%. Ce résultat est en excellent accord avec le maximum d'absorption simulée de 81% à 2,12 THz. Figure 5 (b) montre les données expérimentales pourAbsorbeurs mm avec la même géométrie pour les différents ERR polyimide épaisseurs allant de 1 à 7,5 um et d'un absorbeur où le diélectrique est de 3 pm SiO 2. Comme le polyimide épaisseur augmente de 1 um à 3,1 um les augmentations d'absorption de pointe, mais en polyimide d'une épaisseur supérieure à 3,1 um il ya une légère diminution de la valeur du pic d'absorption. Un distincte décalage vers le rouge de 0,25 THz est observé que la polyimide épaisseur augmente de 1 um à 7,5 um. Absorbeurs qui avaient SiO 2 comme diélectrique au lieu de polyimide ont également été étudiés. Une valeur maximale d'absorption de 65% à 1,90 THz a été mesurée pour un tel amortisseur de MM avec un 3 um SiO 2 d'épaisseur couche diélectrique.

La permittivité et de la perméabilité effective peut être extraite à partir des données simulées par l'intermédiaire de l'inversion des paramètres S 22. Les paramètres extraits de l'absorbeur MM simulé avec de 3,1 um d'épaisseur polyimide entretoise sont diévasée à la figure 5 (c) Comme on peut le remarquer les parties réelles des constantes optiques traversent proche de zéro -. une condition nécessaire à zéro de réflexion, tandis que lorsque la partie réelle de la permittivité est positif la partie réelle de la perméabilité est négative et vice-versa - une condition nécessaire pour la transmission zéro. À la fréquence d'absorption, ω 0 maximale, il existe un pic de la composante imaginaire de la perméabilité impliquant une forte absorption.

Lumerical FDTD peut également être utilisé pour établir l'emplacement de l'absorption à l'intérieur de la structure de MM. Les distributions simulées d'absorption de puissance pour le TRE, diélectrique et les couches de plan de masse sont représentés sur les figures 6 (courant alternatif), tandis qu'une section transversale de la distribution de puissance dans le plan xz à y = 3 um est représenté sur la figure 6 (d). A partir de ces parcelles, il est clair que la majorité de l'énergie est dissipée sous forme de perte ohmique dans la couche ERR et quepertes diélectriques dans les 500 premiers nm de polyimide au-dessous de cette couche. Les régions de perte d'absorption maximale se produit entre des cellules unitaires adjacentes et autour des bords intérieurs de la croix.

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

Tableau 1. Paramètres géométriques de l'absorbeur multicouche.

Absorbeurs métamatériaux sont des dispositifs intrinsèquement à bande étroite, la bande passante étant typiquement no more de 20% de la fréquence centrale de résonance. Plusieurs applications telles que la spectroscopie THz, nécessitent des capteurs qui présentent à large bande d'absorption THz. Nous avons développé deux stratégies pour réaliser l'absorption à large bande tels. La première, représentée sur la figure 7 (ac) consiste à empiler des couches alternées de métal et de couches diélectriques se trompe au-dessus d'un plan de masse continu. Dans des couches différentes, nous croisements de conception de différentes longueurs (L 1 - L 3) afin de supporter plusieurs modes de résonance positionnées étroitement ensemble dans le spectre d'absorption. Grâce à un réglage de l'épaisseur de diélectrique (h 1 - h 3) de la structure multi-couche peut être adaptée en impédance à l'espace libre au niveau de chaque fréquence de résonance et d'absorption à large bande obtenue. Procédé d'enregistrement norme électrons du faisceau est utilisée pour aligner le TRE au-dessus de l'autre. Notre deuxième stratégie consiste à intégrer les quatre TRE dans un four "couleur" super-pixel, voir figure 7 (d), sur un single couche diélectrique plan de masse ie / diélectrique / métal TRE. Un tel dispositif est beaucoup plus simple à fabriquer que l'absorbeur multicouche.

Le spectre d'absorption obtenu expérimentalement et des données simulées pour un absorbeur de MM multi-couche, avec les dimensions indiquées dans le tableau 1, sont représentés sur la figure 8 (a). Également tracé le spectre d'absorption est obtenue expérimentalement pour un seul ERR de la longueur de bras 17 um et l'épaisseur de diélectrique de 2 um. La structure une couche a un pic de résonance unique à 5,42 THz où 78% du rayonnement EM est absorbée. En revanche, le dispositif 3-couche a trois résonances à 4,32, 5,31 et 5,71 THz avec des amplitudes d'absorption de 66%, 77% et 80% respectivement. En raison de ces trois pics de résonance position étroitement on obtient une large bande de fréquence, à partir de 4,08 THz à 5,94 THz, où l'absorption est supérieure à 60%. Prenant la fréquence centrale de la structure 3-couche à 5,01 THz la largeur à mi-hauteur (LMH) de l'absorption est de 48% de la fréquence centrale. Ce qui est presque deux fois et demie la valeur FWHM de la structure à une seule couche (FWHM de la couche unique est de 20%). Les données expérimentales sont en bon accord avec le spectre simulé.

Pour comprendre l'origine des caractéristiques spectrales d'absorption des distributions simulées dans le plan xz des trois résonances sont tracés dans la figure 9 (ac). La résonance à 4,84 THz est principalement associée à l'excitation du fond ERR couche tandis que les résonances à 5,16 THz et 5,70 THz sont principalement la conséquence de l'excitation du milieu et haut ERR couches respectivement. Ces distributions montrent clairement que chaque ERR contribue à l'absorption large bande.

Une image MEB d'une à quatre couleurs super-pixel absorbeur THz est illustré à la figure 7 (d). Figure 8 (b) montre la simulation et expéspectres d'absorption rimentale pour un super-pixel avec des longueurs de bras de 17 um, 15 um, 13 um et 11 um et la largeur de bras de 6 m. La période de pixel est de 44 um d'épaisseur tandis que le polyimide est de 2 um. Quatre résonances sont observées à la fois dans la simulation et les données expérimentales. L'inconvénient d'une telle structure super-pixel, c'est que, comme le montre la figure 8 (b), il ya une certaine dépendance à la polarisation. Pour les deux polarisations l'absorbeur super-pixel est supérieure à 50% d'absorption entre 5,08 et 7,27 THz, une gamme de 2,19 THz. La FWHM pour la polarisation TE est de 37% alors qu'il est de 41% pour la polarisation TM, ce qui représente le double de la FWHM du pixel unique.

Figure 1
Figure 1. (A) Schéma de l'ERR de l'absorbeur de MM et (b) sectionabsorbeur de MM complète. Un courant est induit dans les sections de l'ERR qui sont parallèles au champ E (direction indiquée par les flèches bleues en (a). Un courant d'image anti-parallèles en cours dans les régions du plan de masse en dessous de la croix imemdiately, résultant en une réponse de résonance. (c) image MEB de la cellule unitaire et (encart) section de la matrice. (d) spectre d'absorption simulée pour différents angles de polarisation incidente présentant insensibilité à la polarisation de l'absorbeur MM. Chaque parcelle successive de 0-90 ° est décalé par une unité principale de l'axe des ordonnées.

Figure 2
Figure 2. Schéma de la simulation 3D set-up.

Figure 3
Figure 3. Fabrication d'absorbeur à bande unique MM. 1) A 20 nm/100nm Ti / Au pile est évaporé sur un 15 mm par 15 mm de section du silicium. 2) PI2545 est appliquée par centrifugation sur l'échantillon, une cuisson à 140 ° C, puis durcie à 220 ° C. 3) Une couche bi-2010 de 15% et 4% 2041 est appliquée par centrifugation et on les cuit à 180 ° C. 4) Après l'exposition à un faisceau d'électrons de 100 keV l'échantillon est développé dans une solution de MIBK et de l'IPA. Le PMMA 2010, en raison de son faible poids moléculaire, se développe plus rapidement que le PMMA 2041. Il en résulte le profil souhaité surplomb nécessaire pour atteindre avec succès le décollage. 5) A 20 nm/150 nm Ti / Au film est évaporé sur l'échantillon. 6) régions indésirables de métal sont soulevés hors-en plongeant l'échantillon dans un bécher d'acétone chaud.

Figure 4
Figure 4. Schéma d'un spectromètre à transformée de Fourier infrarouge 27.


Figure 5. (A) Les données expérimentales et simulées d'un absorbeur de MM avec une épaisseur de polyimide de 3,1 um. Est également représentée l'absorption de 7,5 pm d'épaisseur d'un film de polyimide. (B) spectres d'absorption expérimentale pour les MMS avec une épaisseur de diélectrique d'espacement différentes et le type. (C) extraits de paramètres optiques de 3,1 um d'épaisseur simulées polyimide absorbeur MM. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 6
Figure 6. L'énergie de dissipation dans un Absorbe MMR avec la structure de 3,1 pm d'épaisseur de polyimide à une fréquence d'espacement de 2,12 THz. La dissipation d'énergie dans (a) la couche ERR, (b) le centre du polyimide, (c) le plan de masse et (d) plan xz à y = 3 um.

Figure 7
Figure 7. Vue en plan (a) de l'absorbeur MM 3-couche et (b) section transversale du dispositif complet. (C) image MEB de 9 cellules unitaires de l'absorbeur multicouche et (d) image MEB d'un seul «super-pixel 'absorbeur large bande. L'orientation de la polarisation TE est indiqué dans l'encadré.

Figure 8
Figure 8. (A) expérimentales et simulées (FDTD) de l'absorbeur de données multi-couche. Également tracé est l'expériencespectre d'absorption d'un absorbeur al seule couche. Spectres d'absorption (b) pour absorbeur large bande «super-pixel.

Figure 9
Figure 9. Absorption de distribution (ac) dans le plan xz à y = 0 um à trois fréquences de résonance. Les lignes horizontales blanches indiquent couches de Au.

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Discussion

Ce protocole décrit la simulation, la fabrication et la caractérisation des absorbeurs THz métamatériaux. Il est essentiel de tels sous-longueur d'onde structures sont simulées avec précision avant tout effort s'est engagé à des procédés de fabrication coûteux. Lumerical simulations FDTD fournir des informations non seulement sur le spectre d'absorption mm mais également l'emplacement de l'absorption, les connaissances essentielles pour faciliter le placement d'un transducteur et d'obtenir la réponse maximale. En plus de l'algorithme d'optimisation Lumerical peut être mis en oeuvre pour créer rapidement une structure d'absorption correspondant pour un chiffre prédéfini de mérite (position de fréquence, par exemple, au maximum d'absorption, absorption minimum, etc largeur de bande). Simulation, fabrication et caractérisation d'un absorbeur de MM bande unique peut être complété en moins de 24 heures permettant le prototypage rapide de toute conception. Notre absorbeur large bande multi-couche est constituée de trois étapes distinctes d'électrons du faisceau d'écriture (deux enregistrement sPTE) et pourrait être réalisé en moins de 4 jours. Nous avons également fabriqué absorbeurs ayant SiO 2 et Si 3 N 4 régions isolantes entre l'ERR et le plan de masse. Ces couches sont déposées par PECVD et à distance de l'épaisseur entre 0,6 et 3 um. Les grandeurs d'absorption sont similaires aux dispositifs de polyimide couches diélectriques mais il y avait un décalage vers le rouge dans la position de fréquence pour les absorbeurs de même épaisseur.

La beauté des métamatériaux est leur extensibilité inhérente - structures absorbantes ont été mis en évidence à partir de la région de 23 mm jusqu'à des fréquences infrarouges et optiques 24. Ces appareils se composent de la norme métallique ERR / isolant / structure métallique avec la taille caractéristique ERR et le type d'isolant et l'épaisseur. Dans notre conception de la position de la fréquence de résonance dépend principalement de la période, longueur des bras transversale de la structure et le type d'isolant tandis que le absorptiograndeur n est déterminée par l'épaisseur de la couche isolante. La position fréquence de résonance de notre découpe dessin de la croix est bleu décalé par rapport à plus traditionnels conceptions croisées entiers (sans couper les sections). Cela permet à la période de pixel être réduite pour une fréquence de résonance particulière ciblée (par exemple 2,52 THz) et a des implications importantes pour les applications d'imagerie THz. Un avantage majeur de notre dispositif est que, contrairement aux plus complexes et calcul intensif ERR ERR géométries notre géométrie est simple à comprendre et peu exigeante calcul. Alors que nous utilisons la théorie de milieu effectif pour décrire nos amortisseurs métamatériaux, une explication différente de centrage sur la théorie de l'interférence a été récemment proposé 25.

La recherche sur les rayonnements THz, avec des longueurs d'onde comprises entre 30 um et 3 mm, est en plein essor dans la dernière décennie. Cet intérêt a été stimulé par les propriétés uniques des rayons THz; elles peuvent pénétrer materials tels que les plastiques, le papier et de nombreux composés organiques, y compris les tissus humains, sans risques ou dangers potentiels associés aux rayonnements ionisants tels que les rayons X. En outre, THz peut être utilisée pour identifier des matériels spécifiques via leurs spectres caractéristiques, y compris les explosifs, les produits chimiques dangereux, des médicaments et de l'ADN, comme les rotations et les vibrations moléculaires se produisent dans cette gamme de longueur d'onde. En conséquence imagerie THz a trouvé des applications dans des domaines tels que la sécurité, la santé, les produits pharmaceutiques, l'automobile, la science des matériaux et des essais non destructifs.

Cependant, il existe de nombreuses possibilités non réalisées en raison de l'absence d'équipement à faible coût, compact et facile à déployer. Présent imagerie THz systèmes de coût> £ 250k, utilisent des miroirs pour l'optique et la mécanique raster un seul pixel. Une autre limitation des systèmes existants commerciales est le temps nécessaire pour produire une image du détecteur de pixel mécaniquement balayée, des procès-verbaux de t heureso compiler des images détaillées. Matrices plan focal IR, tailles de tableaux comprenant généralement de 640x320 pixels lues à 30 Hz, ont été utilisés pour des applications d'imagerie THz 26 Cependant ces capteurs ont moins de 5% d'absorption dans la région THz et ne fournissent pas suffisamment de détection sensible. Intégration de notre bande unique ou à large bande d'absorption THz métamatériau avec un capteur thermique, tel qu'une diode pn ou bolomètre résistif, dans une matrice à plan focal réaliserait un dispositif capable d'absorber 80% du rayonnement THz à la fréquence de résonance. Un tel dispositif offrirait une très sensible, sélective en fréquence, en temps réel, compact, température ambiante imagerie THz capteur.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgments

Ce travail est soutenu par le génie et sciences physiques Research Council subvention nombre EP/I017461/1. Nous tenons également à souligner la contribution joué par le personnel technique du Centre James Watt Nanofabrication.

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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