Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz Metamaterial Absorber

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Summary

Dieses Protokoll beschreibt die Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz Metamaterial-Absorber. Derartige Absorber, wenn sie mit einem geeigneten Sensor gekoppelt, haben Anwendungen in THz-Bildgebung und Spektroskopie.

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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

Metamaterialien (MM), haben künstlichen Materialien entwickelt, um Eigenschaften, die nicht in der Natur gefunden werden kann, weit verbreitet, da die erste theoretische 1 und 2 experimentelle Demonstration ihrer einzigartigen Eigenschaften untersucht. MMs kann eine präzise steuerbare elektromagnetische Antwort, und bis dato in allen technisch relevanten Spektralbereich einschließlich der optischen 3, in der Nähe IR 4, Mitte IR 5, THz 6, mm-Welle 7, Mikrowelle 8 und radio 9 Bands nachgewiesen. Zu den Anwendungen gehören perfekte Linsen 10, Sensoren 11, Telekommunikations-12, Unsichtbarkeitsmäntel 13 und Filter 14,15. Wir haben kürzlich einzelne Bande 16, Dualband 17 und 18 THz Breitband Metamaterial Absorber Vorrichtungen, die größer als 80% Absorption bei der Resonanzspitze entwickelt. Das Konzept eines MM-Absorber ist especially wichtig bei THz-Frequenzen, wo es schwierig ist, finden starke frequenzselektiven THz Absorber 19. In unserem MM Absorber die THz-Strahlung wird in einer Dicke von ~ λ/20 absorbiert, die Überwindung der Dicke Begrenzung der traditionellen Viertelwellenlänge Absorber. MM-Absorber eignen sich natürlich THz Detektion von Anwendungen, wie beispielsweise thermische Sensoren, und wenn mit geeigneten Quellen integriert THz (zB QCL) konnte zu kompakten, hochempfindliche, niedrige Kosten, Echtzeit THz bildgebenden Systemen führen.

Introduction

Dieses Protokoll beschreibt die Simulation, Herstellung und Charakterisierung von einzelnen Band und Breitband-THz MM-Absorber. Die Einrichtung, die in 1 dargestellt, besteht aus einem metallischen Traverse und eine dielektrische Schicht auf einem metallischen Masseplatte. Die kreuzförmige Struktur ist ein Beispiel eines elektrischen Ringresonator (ERR) 20,21 und Paare fest an gleichmäßige elektrische Felder, aber vernachlässigbar zu einem magnetischen Feld. Durch die Kombination der ERR mit einer Grundplatte, induziert das Magnetfeld des einfallenden THz-Welle einen Strom in den Abschnitten des ERR, die parallel zu der Richtung des E-Feld sind. Die elektrische und magnetische Antwort kann dann unabhängig eingestellt werden und die Impedanz der Struktur an freien Raum durch Veränderung der Geometrie des ERR und den Abstand zwischen den beiden metallischen Elemente abgestimmt. Wie in 1 (d), die Symmetrie der Struktur führt zu einer polarisationsunempfindlichen Absorption Reaktion gezeigt.

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Protocol

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Representative Results

Figur 5 (a) zeigt die experimentell erhaltenen und simulierten Absorptionsspektren für eine MM-Absorber mit einem 3,1 um dicke Polyimid dielektrischen Abstandshalter. Das MM-Struktur hat eine Repeat-Periode von 27 um und Abmessungen K = 26 um, L = 20 um, M = 10 um und N = 5 um. Experimentelle Messungen wurden auch Proben durchgeführt mit keine Schicht ERR zu bestätigen, dass die Absorption war eine Folge des MM-Struktur und nicht die von Dielektrikum. Die 7,5 um dicke Polyimid Probe mit keine Struktur hat eine maximale Absorption von 5% über den Frequenzbereich von Interesse ERR, siehe 5 (a), wodurch verifiziert wird, dass bei der Resonanzfrequenz Absorption ist ein Ergebnis der MM-Struktur. Die experimentellen Daten zeigt eine Resonanzspitze bei 2,12 THz von 77% Absorption Größenordnung. Dieses Ergebnis ist in sehr guter Übereinstimmung mit dem simulierten Absorptionsmaximum von 81% bei 2,12 THz. Abbildung 5 (b) zeigt die experimentellen Daten fürMM-Absorber mit der gleichen Geometrie ERR für unterschiedliche Polyimid Dicken im Bereich von 1 bis 7,5 um und für einen Absorber, wo das Dielektrikum 3 um SiO 2. Da die Dicke erhöht sich von 1 um bis 3,1 um die Peak-Absorption nimmt Polyimid, aber Polyimid Dicken größer als 3,1 um es eine leichte Verringerung der Peak-Absorption Wert. Eine deutliche Rotverschiebung von 0,25 THz wird beobachtet, wie die Dicke steigt von 1 um bis 7,5 um Polyimid. Absorber, SiO 2 als Dielektrikum anstelle von Polyimid hatten, wurden ebenfalls untersucht. Ein Absorptionsmaximum von 65% bei 1,90 THz wurde für solch eine MM-Absorber mit einem 3 um dicke SiO 2 dielektrische Schicht gemessen.

Die effektive Permittivität und Permeabilität können aus den simulierten Daten über Inversion der S-Parameter 22 extrahiert werden. Die abgerufenen Parameter für die simulierte MM-Absorber mit 3,1 um dicke Polyimid Spacers sind digespreizten in 5 (c) Wie beobachtet werden kann die Realteile der optischen Konstanten überqueren nahe Null -. eine Bedingung für Nullreflexion erforderlich, während, wenn der Realteil der Dielektrizitätskonstante positiv ist der Realteil der Permeabilität ist negativ und umgekehrt - eine Voraussetzung für die Null-Übertragung erforderlich. Bei der Frequenz der maximalen Absorption, ω 0, gibt es einen Spitzenwert der imaginären Komponente der Permeabilität impliziert hoher Absorption.

Lumerical FDTD kann auch verwendet werden, um den Ort der Absorption innerhalb des MM-Struktur festzulegen. Die simulierten Leistungsabsorption Verteilungen für das ERR, Dielektrikum und den Grundebenenschichten sind in den 6 gezeigt (ac), während ein Querschnitt des Energieverteilungssystems in der xz-Ebene bei y = 3 um in 6 (d) gezeigt wird. Aus diesen Plots ist es klar, dass die Mehrheit der Energie als Ohmscher Verlust im ERR Schicht und als abgeführtDielektrizitätsverlust in den ersten 500 nm aus Polyimid unterhalb dieser Schicht. Die Bereiche maximaler Absorptionsverlust treten zwischen benachbarten Einheitszellen und um den inneren Rändern des Kreuzes.

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

Tabelle 1. Geometrischen Parameter des Multi-Layer-Absorber.

Metamaterial Absorber sind von Natur aus Schmalband-Geräte; die Bandbreite typischerweise no moerneut als 20% des mittleren Resonanzfrequenz. Mehrere Anwendungen wie THz-Spektroskopie, nach Sensoren, die Breitband-THz-Absorption aufweisen. Wir haben zwei Strategien entwickelt, um solche breitbandige Absorption zu realisieren. Die erste, in Figur 7 dargestellt (ac) ist abwechselnden Schichten von metallischen und dielektrischen Schichten ERRS auf einem kontinuierlichen Masseebene stapeln. In verschiedenen Schichten wir Design Kreuzen von unterschiedlichen Längen (L 1 - L 3), um mehrere Resonanzmoden eng im Absorptionsspektrum positioniert unterstützen. Durch Abstimmen der dielektrischen Dicke (h 1 - h 3) der Mehrschicht-Struktur sein kann, um freien Platz in jeder Resonanzfrequenz impedanzangepasst und breitbandige Absorption erhalten. Ein Standard Elektronenstrahls Registrierungsprozess verwendet wird, um das Ausrichten auf ERRS übereinander. Unsere zweite Strategie ist es, zu integrieren vier irrt in einem Vier "color" Super-Pixel, siehe Abbildung 7 (d) auf eine single dielektrischen Schicht dh Grundebene / Dielektrikum / metallic irrt. Eine solche Vorrichtung ist wesentlich einfacher als die mehrschichtige Absorber herzustellen.

Die experimentell erhaltenen Absorptionsspektrum und die simulierten Daten für eine mehrschichtige MM Absorber, mit Dimensionen in der Tabelle 1 angegeben, sind in 8 (a) gezeigt. Auch aufgetragen ist die experimentell erhaltenen Absorptionsspektrum für einen einzigen der Armlänge 17 um und dielektrische Dicke von 2 um ERR. Die eine Schicht-Struktur eine einzelne Resonanz Peak bei 5,42 THz wo 78% der EM-Strahlung absorbiert wird. Im Gegensatz dazu hat der 3-Schicht-Gerät drei Resonanzen bei 4,32, 5,31 und 5,71 THz mit Absorption Größenordnungen von 66%, 77% bzw. 80%. Aufgrund dieser drei eng Position Resonanzspitzen erhalten wir ein breites Frequenzband von 4,08 THz bis 5,94 THz, wo die Absorption größer als 60%. Unter der zentralen Frequenz des 3-Schicht-Struktur auf 5,01 T betragenHz die Halbwertsbreite (FWHM) der Resorption beträgt 48% der Mittenfrequenz. Dies ist fast zweieinhalb Mal die FWHM der einlagigen Struktur (FWHM der einzelnen Schicht beträgt 20%). Die experimentellen Daten ist in guter Übereinstimmung mit dem simulierten Spektrum.

Um den Ursprung der Spektraleigenschaften die simulierten Absorption Verteilungen in der xz-Ebene der drei Resonanzen in 9 (ac) aufgetragen sind verstehen. Die Resonanz bei 4,84 THz ist in erster Linie mit Anregungslicht von der unteren Schicht zugeordnet ERR während die Signale bei 5,16 und 5,70 THz THz hauptsächlich eine Folge der Erregung des mittleren und oberen Schichten jeweils ERR. Diese Verteilungen zeigen deutlich, dass jeder ERR trägt zur breitbandige Absorption.

Ein SEM-Bild einer Vierfarben Superpixels THz Absorber in 7 (d) gezeigt. 8 (b) zeigt das simulierte und Erfahrungenrimental Absorptionsspektren für eine super-Pixel mit Armlängen von 17 um, 15 um, 13 um und 11 um und arm Breiten von 6 um. Die Pixel beträgt 44 um, während das Polyimid beträgt 2 um. Vier Resonanzen sind sowohl in der Simulation und experimentellen Daten beobachtet. Der Nachteil eines solchen Super-Pixel-Struktur ist, dass, wie in 8 (b) gezeigt, dass eine Polarisationsabhängigkeit. Für beide Polarisationen der Superpixels Absorber größer als 50% Absorption zwischen 5,08 und 7,27 THz; einen Bereich von 2,19 THz. Die FWHM für TE-Polarisation ist 37%, während es 41% TM-Polarisation ist, was das Doppelte der FWHM der einzelnen Pixel.

Abbildung 1
Abbildung 1. (A) Schematische Darstellung des ERR des MM-Absorber und (b) Querschnittkompletter MM Absorber. Ein Strom wird in den Abschnitten des ERR, die parallel zu dem E-Feld (Richtung durch blaue Pfeile in (a) bezeichnet sind induziert. Antiparallel Bild Stromflüsse in den Regionen der Masseebene imemdiately unterhalb der Querschnitt, was in einer Resonanzreaktion. (c) REM-Aufnahme der Elementarzelle und (kleines Bild) Abschnitt des Arrays. (d) Simulierte Absorptionsspektren für verschiedene Vorfall Polarisationswinkeln zeigt Polarisationseffekten der MM-Absorber. Jede nachfolgende Grundstück von 0-90 ° versetzt von einer großen Einheit der Ordinatenachse.

Abbildung 2
Abbildung 2. 3D Schematische Darstellung der Simulation Set-up.

Abbildung 3
Abbildung 3. Herstellung von Single-Band MM-Absorber. 1) Ein 20 nm/100nm Ti / Au Stapel wird auf einen 15 mm × 15 mm-Abschnitt aus Silizium eingedampft. 2) PI2545 ist Spin auf die Probe beschichtet, bei 140 ° C und dann bei 220 ° C gehärtet 3) Eine Bi-Schicht von 15% und 4% 2010 2041 ist Spin beschichtet und bei 180 ° C eingebrannt 4) Nach Bestrahlung mit einem 100 keV Elektronenstrahl die Probe in einer Lösung von MIBK und IPA entwickelt. Die 2010 PMMA aufgrund seiner niedrigeren Molekulargewichts schneller entwickelt als das 2041 PMMA. Dies führt zu der gewünschten Überhang Anforderungsprofil zu erreichen erfolgreiche Abheben. 5) Ein 20 nm/150 nm Ti / Au-Film wird auf die Probe verdampft. 6) Unerwünschte Bereiche aus Metall durch Eintauchen der Probe in ein Becherglas mit warmem Aceton-abgehoben.

Abbildung 4
Abbildung 4. Schema einer Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer 27.


Abbildung 5. (A) Experimentelle und simulierte Daten eines MM-Absorber mit einer Polyimid-Dicke von 3,1 um. Ebenfalls eingezeichnet ist die Absorption von einem 7,5 um dicken Polyimidfilms. (B) Experimentelle Absorptionsspektren für MMs mit unterschiedlichen dielektrischen Abstandshalter Dicke und Art. (C) extrahiert optischer Parameter aus den simulierten 3,1 um dicke Polyimid MM-Absorber. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 6
Abbildung 6. Energiedissipation in einem MM absorberr Struktur mit einer 3,1 um dicke Polyimid Abstandhalter mit einer Frequenz von 2,12 THz. Energiedissipation in (a) das ERR-Schicht, (b) der Mittelpunkt der Polyimid, (c) die Massefläche und (d) xz-Ebene bei y = 3 um.

Abbildung 7
Abbildung 7. (A) Draufsicht der 3-Schicht-MM-Absorber und (b) Querschnitt des kompletten Gerätes. (C) REM-Aufnahme von 9 Elementarzellen der Multi-Layer-Absorber und (d) REM-Aufnahme von einer einzigen "Super-Pixel" Breitband Absorber. Die Orientierung für die TE-Polarisation in der Bildleiste dargestellt.

Abbildung 8
Abbildung 8. (A) Experimentelle und simuliert (FDTD) Daten des mehrschichtigen Absorber. Auch aufgetragen ist das Experimental Absorptionsspektrum für eine einzelne Schicht Absorber. (B) Absorptionsspektren für die "Super-Pixel" Breitband Absorber.

Abbildung 9
Abbildung 9. (Ac) Absorptionsverteilung in der xz-Ebene bei y = 0 um an den drei Resonanzfrequenzen. Die horizontale weiße Linien bezeichnen Au-Schichten.

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Discussion

Dieses Protokoll beschreibt die Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz-Metamaterial-Absorber. Es ist wichtig, wie Sub-Wellenlängen-Strukturen sind genau simuliert, bevor jede Anstrengung, um kostspielige Fertigung Verfahren verpflichtet. Lumerical FDTD Simulationen geben Auskunft über den MM nicht nur Absorptionsspektrums sondern auch den Ort der Absorption, wesentliche Erkenntnisse, um die Platzierung eines Wandlers zu unterstützen und den maximalen Antwort. Neben der Optimierungsalgorithmus in Lumerical implementiert werden, um rasch eine entsprechende Absorberstruktur für eine vordefinierte Gütezahl (zB Frequenz Position Absorptionsmaximum, Absorptionsminimum, Bandbreite usw.). Simulation, Herstellung und Charakterisierung eines einzelnen Bandes MM Absorber kann in weniger als 24 Stunden ermöglicht Rapid Prototyping von jedem Design abgeschlossen sein. Unsere Multi-Layer-Breitband-Absorber besteht aus drei separaten Elektronenstrahl write Schritte (zwei Eintragung sTEP) und könnte in weniger als 4 Tage umgesetzt werden. Wir haben auch Absorber, die SiO 2 und Si 3 N 4 die isolierenden Bereiche zwischen den ERR und die Masseebene hergestellt. Diese Schichten wurden durch PECVD abgeschieden und reichten in der Dicke zwischen 0,6 und 3 um. Die Absorption Umfänge waren ähnlich Geräte mit dielektrischen Schichten Polyimid jedoch gab es eine Rotverschiebung in der Frequenzlage für Absorber von der gleichen Dicke.

Die Schönheit von Metamaterialien ist ihre inhärente Skalierbarkeit - Absorber Strukturen aus dem mm 23 Region bis hin zu Infrarot-und optischen Frequenzen 24 demonstriert. Diese Geräte bestehen aus dem Standard-metallic ERR / Isolator / Metall-Struktur mit den entsprechenden ERR Strukturgröße und Isolator Art und Dicke. In unserem Entwurf die Resonanzfrequenz Position ist vor allem abhängig von der Zeit, Traverse Länge der Struktur und Isolator-Typ, während die absorption Größe durch die Dicke der isolierenden Schicht bestimmt. Die Resonanzfrequenz Position unserer cut-out cross design ist blau verschoben im Vergleich zu herkömmlichen gesamten Querschnitt Designs (no-cut out Abschnitte). Dadurch kann der Pixelperiode bis zu einem bestimmten gezielten Resonanzfrequenz (zB 2,52 THz) reduziert werden und hat wichtige Implikationen für THz bildgebende Anwendungen. Ein großer Vorteil unserer Einrichtung ist, dass im Gegensatz zu den immer komplexer und rechenintensiver ERR Geometrien unserer ERR Geometrie ist einfach zu verstehen und rechnerisch anspruchslos. Während wir effektives Medium Theorie unsere Metamaterial Absorber beschreiben zu verwenden, hat eine andere Erklärung Zentrierung auf Störungen Theorie vor kurzem 25 vorgeschlagen.

Die Erforschung THz-Strahlung mit Wellenlängen zwischen 30 um und 3 mm, hat in den letzten zehn Jahren keimte. Dieses Interesse wurde von den einzigartigen Eigenschaften von THz-Strahlen angeregt worden, sie können materia eindringenls wie Kunststoffe, Papier und vielen organischen Verbindungen, einschließlich menschlichem Gewebe, ohne die Gefahren oder potentielle Gefahren, die mit ionisierender Strahlung wie Röntgenstrahlung verbunden. Darüber hinaus kann THz verwendet werden, um bestimmte Materialien über ihre charakteristische Spektren, darunter Sprengstoff, gefährliche Chemikalien, Drogen und DNA identifizieren als molekulare Drehungen und Schwingungen in diesem Wellenlängenbereich auftreten. Dementsprechend THz-Bildgebung hat Anwendungen in Bereichen wie Sicherheit, Gesundheitswesen, Pharma-, Automobil, Materialwissenschaften und zerstörungsfreie Prüfung gefunden.

Allerdings gibt es viele Möglichkeiten offen wegen der fehlenden kostengünstige, kompakte und leicht einsetzbare Geräte. Anwesend THz Bildgebungssystemen Kosten> £ 250k, nutzen Spiegel für Optik und mechanisch rastern ein einzelnes Pixel. Eine weitere Einschränkung der bestehenden kommerziellen Systemen ist die Zeit, um ein Bild aus der mechanisch gerastert einzelnes Pixel-Detektor zu produzieren, wobei Minuten bis Stunden to kompilieren detaillierte Bilder. IR Brennebenen-Arrays, typischerweise umfassend Arraygrößen von 640x320 Pixel bei 30 Hz zu lesen, haben für THz Bildgebungsanwendungen 26 verwendet worden aber diese Sensoren weisen weniger als 5% Absorption im THz-Bereich und bieten nicht empfindlich genug Detektion. Integration der einzelnen Bande oder Breitband THz Metamaterial Absorber mit einem thermischen Sensor, wie beispielsweise eine pn-Diode oder resistiven Bolometer, in eine Fokalebenenanordnung würde erkennen, eine Einrichtung zur Absorption 80% der THz-Strahlung auf der Resonanzfrequenz. Eine solche Vorrichtung würde einen hochempfindlichen, frequenzselektiven, Echtzeit-, kompakte, Raumtemperatur THz bildgebenden Sensor.

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Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Diese Arbeit wird durch das Engineering and Physical Sciences Research Council Grantnummer EP/I017461/1 unterstützt. Wir wollen auch den Beitrag des technischen Personals der James Watt Nanofabrication Center spielte anzuerkennen.

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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