Simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di THz Assorbitori metamateriale

Engineering

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Summary

Questo protocollo descrive la fabbricazione, simulazione e caratterizzazione di THz assorbitori metamateriale. Tali assorbitori, quando accoppiato con un apposito sensore, avere applicazioni in imaging e spettroscopia THz.

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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

Metamateriali (MM), materiali artificiali progettati per avere le proprietà che non possono essere presenti in natura, sono stati ampiamente esplorato in quanto la prima dimostrazione teorica e sperimentale 1 2 di loro proprietà uniche. MM in grado di fornire una risposta elettromagnetico altamente controllabile, e fino ad oggi sono state dimostrate in ogni gamma tecnologicamente rilevante spettrale compresa l'ottica 3, vicino IR 4, metà IR 5, THz 6, mm-wave 7, 8 e forno a microonde radio 9 bande. Le applicazioni includono lenti perfette 10, 11, sensori di telecomunicazione 12, mantelli dell'invisibilità 13 e filtri 14,15. Abbiamo recentemente sviluppato singola banda 16, 17 e dual band banda larga 18 dispositivi assorbitori THz metamateriale grado di assorbimento superiore a 80% al picco di risonanza. Il concetto di un assorbitore MM è especially importante a frequenze THz in cui è difficile trovare forti frequenza ammortizzatori selettivi THz 19. Nel nostro assorbitore MM radiazione THz è assorbito in uno spessore di ~ λ/20, superando la limitazione spessore di assorbitori tradizionali quarto d'onda. Assorbitori MM naturalmente si prestano ad applicazioni di rilevazione THz, come i sensori termici, e, se integrato con fonti THz idonei (QCLs ad esempio), potrebbe portare a compatta, altamente sensibile, a basso costo, in tempo reale THz sistemi di imaging.

Introduction

Questo protocollo descrive la fabbricazione, simulazione e caratterizzazione di singola banda e banda larga assorbitori MM THz. Il dispositivo, illustrato nella figura 1, è costituito da una croce di metallo e uno strato dielettrico sulla sommità di un piano di massa di metallo. La struttura a croce è un esempio di un anello elettrico risonatore (ERR) 20,21 e coppie fortemente a campi elettrici uniformi, ma trascurabile ad un campo magnetico. Accoppiando la ERR con un piano di massa, il componente magnetico dell'onda incidente THz induce una corrente nelle sezioni della ERR che sono paralleli alla direzione del campo elettrico. La risposta elettrici e magnetici possono essere sintonizzate indipendentemente e l'impedenza della struttura corrispondente allo spazio libero variando la geometria del ERR e la distanza tra i due elementi metallici. Come mostrato nella Figura 1 (d), la simmetria dei risultati struttura in una risposta insensibile assorbimento polarizzazione.

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Protocol

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Representative Results

Figura 5 (a) mostra gli spettri di assorbimento ottenuti sperimentalmente e simulato per un assorbitore mm con 3,1 micron di spessore distanziatore di poliimmide dielettrico. Questa struttura ha una ripetizione MM-periodo di 27 micron e dimensioni K = 26 micron, L = 20 micron, M = 10 micron e N = 5 micron. Misure sperimentali sono stati effettuati su campioni senza ERR strato per confermare che l'assorbimento è una conseguenza della struttura MM e non del dielettrico. I 7,5 micron di spessore poliimmide campione senza ERR struttura ha un assorbimento massimo del 5% su tutta la gamma di frequenza di interesse, vedi Figura 5 (a), verificando quindi che alla frequenza di risonanza di assorbimento è una conseguenza della struttura MM. I dati sperimentali mostrano un picco di risonanza a 2,12 THz di grandezza assorbimento 77%. Questo risultato è in accordo eccellente con il massimo di assorbimento simulato del 81% a 2,12 THz. Figura 5 (b) mostra i dati sperimentaliAssorbitori MM con la stessa geometria ERR per diversi spessori che vanno poliimmide 1-7,5 micron e un assorbitore in cui il dielettrico è di 3 micron di SiO 2. Come poliimmide spessore aumenta da 1 micron a 3,1 micron i aumenta l'assorbimento di picco, ma in poliimmide spessori superiori a 3,1 um vi è una leggera riduzione del valore di assorbimento di picco. Un distinto red-shift di 0,25 THz è osservata come poliimmide spessore aumenta da 1 micron a 7,5 micron. Assorbitori che avevano SiO 2 come dielettrico invece di poliimmide sono stati studiati. Un valore di assorbimento massimo del 65% a 1,90 THz è stata misurata per un assorbitore MM con spessore 3 micron SiO 2 strato dielettrico.

La permettività efficace e permeabilità possono essere estratti dai dati simulati mediante inversione del parametri S 22. I parametri recuperati per l'assorbitore MM simulato con un 3,1 micron di spessore distanziatore di poliimmide sono distrombato in Figura 5 (c) Come si può osservare la parte reale delle costanti ottiche attraversare vicino a zero -. una condizione necessaria per lo zero riflessione, mentre quando la parte reale della permittività è positiva la parte reale della permeabilità è negativo e viceversa - una condizione necessaria per lo zero della trasmissione. Alla frequenza di assorbimento massimo, 0 ω, vi è un picco del componente immaginaria della permeabilità implicando assorbimento.

Lumerical FDTD può anche essere usato per stabilire la posizione di assorbimento all'interno della struttura MM. Le distribuzioni simulate per l'assorbimento di potenza ERR, e gli strati di dielettrico piano di terra sono mostrati nelle Figure 6 (ac), mentre una sezione trasversale della distribuzione dell'energia nel piano xz y = a 3 um è illustrato nella Figura 6 (d). Da questi diagrammi è chiaro che la maggior parte dell'energia viene dissipata come perdita ohmica nel ERR strato e comeperdita dielettrica nei primi 500 nm di poliimmide di sotto di questo strato. Le regioni di perdita massimo assorbimento verificarsi tra cellule unità adiacenti e attorno ai bordi interni della croce.

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

Tabella 1. Parametri geometrici della multi-strato di assorbimento.

Assorbitori metamateriale sono dispositivi intrinsecamente a banda stretta, la larghezza di banda in genere non essendo mori al 20% della frequenza centrale di risonanza. Diverse applicazioni, come ad esempio la spettroscopia THz, richiedono sensori a banda larga che presentano assorbimento THz. Abbiamo sviluppato due strategie per realizzare tale assorbimento a banda larga. Il primo, rappresentato nella Figura 7 (ac) è di impilare strati alternati di metallo sbaglia e strati dielettrici su un piano di massa continua. In diversi strati abbiamo croci progettazione di diversa lunghezza (L 1 - L 3) al fine di supportare diverse modalità risonanti strettamente posizionati insieme nello spettro di assorbimento. Sintonizzandosi lo spessore dielettrico (h 1 - h 3) la struttura multistrato può essere accoppiato ad impedenza spazio libero per ciascuna frequenza di risonanza e la banda di assorbimento ottenuti. Un processo standard di fascio elettronico di registrazione viene utilizzato per allineare il ERR uno sopra l'altro. La nostra seconda strategia è di incorporare quattro ERR in quattro "colore" super-pixel, vedi Figura 7 (d), su un singlstrato dielettrico e piano di massa cioè / dielettrico / metallo ERR. Tale dispositivo è molto più semplice da fabbricare che il multi-strato di assorbimento.

Lo spettro di assorbimento ottenuti sperimentalmente ed i dati simulati per un multi-strato di assorbimento MM, con dimensioni riportate nella tabella 1, sono mostrati in Figura 8 (a). Inoltre tracciata è lo spettro di assorbimento ottenuta sperimentalmente per una singola ERR di lunghezza del braccio 17 micron e spessore di dielettrico di 2 pm. La struttura di uno strato ha un unico picco di risonanza a 5,42 THz dove viene assorbito il 78% della radiazione EM. In contrasto, il 3-strato del dispositivo ha tre risonanze a 4,32, 5,31 e 5,71 THz con grandezze di assorbimento di 66%, 77% e 80% rispettivamente. A causa di queste tre strettamente picchi di risonanza di posizione si ottiene una larga banda di frequenza, da 4,08 a 5,94 THz THz, dove l'assorbimento è superiore al 60%. Prendendo la frequenza centrale della struttura a 3 strati da 5,01 THz l'intero massimo metà larghezza (FWHM) di assorbimento è 48% della frequenza centrale. Questo è quasi due volte e mezzo il FWHM della struttura singolo strato (FWHM del singolo strato è del 20%). I dati sperimentali sono in ragionevole accordo con lo spettro simulato.

Per comprendere l'origine delle caratteristiche spettrali tracciati distribuzioni simulate assorbimento nel piano xz dei tre risonanze nella Figura 9 (ac). La risonanza a 4,84 THz è associato principalmente con eccitazione del fondo ERR strato mentre le risonanze a 5,16 e 5,70 THz THz sono soprattutto il risultato di eccitazione della centrale e superiore ERR strati rispettivamente. Queste distribuzioni rivelano chiaramente che ogni ERR contribuisce all'assorbimento banda larga.

Un'immagine SEM di un colore quattro super-pixel assorbitore THz è mostrato in Figura 7 (d). Figura 8 (b) mostra la simulato ed esperienzaspettri di assorbimento rimental per un super-pixel con braccia di 17 micron, 15 micron, 13 micron e 11 micron e larghezza del braccio di 6 micron. Il periodo di pixel è 44 micron mentre la poliimmide spessore 2 micron. Quattro risonanze sono osservate sia nella simulazione e dati sperimentali. Lo svantaggio di un tale super-pixel struttura è che, come mostrato nella Figura 8 (b), vi è una certa dipendenza polarizzazione. Per entrambe le polarizzazioni del super-pixel assorbitore è superiore al 50% di assorbimento tra 5.08 e 7,27 THz, una serie di 2.19 THz. La FWHM per la polarizzazione TE è del 37%, mentre è del 41% per la polarizzazione TM, che rappresenta il doppio della FWHM del singolo pixel.

Figura 1
Figura 1. (A) Schema del ERR dell'assorbitore MM e (b) sezione trasversaledi assorbitore MM completo. Viene indotta una corrente nelle sezioni della ERR paralleli al campo E (direzione indicata da frecce blu in (a). Un anti-paralleli flussi immagine correnti nelle regioni del piano di massa imemdiately sotto la croce, con conseguente risposta risonante. (c) immagine SEM della cella unitaria e (riquadro) sezione della matrice. (d) spettri di assorbimento simulato per diversi angoli di polarizzazione incidente mostrano insensibilità polarizzazione dell'ammortizzatore MM. Ogni trama successiva 0-90 ° è compensato di una unità maggiore del l'asse delle ordinate.

Figura 2
Figura 2. Schema 3D della simulazione di set-up.

Figura 3
Figura 3. Realizzazione di un ammortizzatore MM band. 1) A 20 nm/100nm Ti / Au stack è evaporato su un 15 mm da 15 mm Sezione di silicio. 2) PI2545 è spin rivestito sul campione, cotta a 140 ° C e poi indurita a 220 ° C. 3) Un bi-strato del 15% e il 4% 2010 2041 è rivestita per centrifugazione e cotto a 180 ° C. 4) Dopo l'esposizione a un fascio di elettroni 100 keV il campione viene sviluppata in una soluzione di MIBK e IPA. Il 2010 PMMA, a causa del suo basso peso molecolare, si sviluppa più velocemente del 2041 PMMA. Ciò comporta il profilo desiderato sbalzo necessaria per ottenere successo lift-off. 5) A 20 nm nm/150 Ti / Au film è evaporato sul campione. 6) aree indesiderate di metallo sono sollevati-off immergendo il campione in un becher di acetone caldo.

Figura 4
Figura 4. Schema di uno spettrometro di Fourier Transform Infrared 27.


Figura 5. (A) dati sperimentali e simulati di un assorbitore MM con una poliimmide spessore di 3,1 micron. Inoltre tracciata è l'assorbimento di un 7,5 micron di spessore pellicola di poliimmide. (B) spettri di assorbimento sperimentale per gli MMS con spessore dielettrico diverse distanziale e tipo. (C) estratto parametri ottici dei simulati 3,1 micron di spessore poliimmide assorbitore MM. Clicca qui per ingrandire la figura .

Figura 6
Figura 6. Energia dissipata in un assorbono MMStruttura r con un 3,1 micron di spessore distanziatore di poliimmide ad una frequenza di 2,12 THz. Dissipazione di energia in (a) la ERR strato, (b) il centro di poliimmide, (c) il piano di massa e (d) piano xz y = a 3 micron.

Figura 7
Figura 7. (A) vista in pianta del 3-strato di assorbimento MM e (b) sezione trasversale del dispositivo completo. (C) immagine SEM di 9 celle unitarie della multi-strato di assorbimento e (d) Immagine SEM di un singolo 'super-pixel' assorbitore a banda larga. L'orientamento di polarizzazione TE viene mostrato nel riquadro.

Figura 8
Figura 8. (A) sperimentali e simulati (FDTD) dati del multi-strato di assorbimento. Inoltre tracciata è l'esperimentoal spettro di assorbimento di un assorbitore singolo strato. (B) gli spettri di assorbimento per il 'super-pixel' assorbitore a banda larga.

Figura 9
Figura 9. (Ac) distribuzione dell'assorbimento nel piano xz in y = 0 micron a tre frequenze di risonanza. Le linee orizzontali bianche indicano i livelli Au.

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Discussion

Questo protocollo descrive la fabbricazione, simulazione e caratterizzazione di THz assorbitori metamateriale. E 'essenziale di tali sub-lunghezza d'onda strutture sono esattamente simulato prima di ogni sforzo si è impegnata a costose procedure di fabbricazione. Lumerical simulazioni FDTD fornire informazioni non solo sul spettro di assorbimento MM, ma anche la posizione del assorbimento, conoscenza essenziale per facilitare il posizionamento di un trasduttore e ottenere la risposta massima. Inoltre l'algoritmo di ottimizzazione in Lumerical può essere implementato per stabilire rapidamente una struttura adeguata assorbitore per un pre-definito cifra di merito (ad esempio posizione di frequenza, assorbimento massimo, minimo assorbimento, ecc larghezza di banda). Simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di un assorbitore singolo MM banda può essere completato in meno di 24 ore che permette la prototipazione rapida di qualsiasi progetto. Il nostro multi-strato assorbitore a banda larga è costituito da tre fasi distinte di elettroni fascio di scrittura (due registrazione sPTO) e può essere realizzato in meno di 4 giorni. Abbiamo anche fabbricato assorbitori aventi SiO 2 e Si 3 N 4 regioni di isolamento tra la ERR e il piano di massa. Questi strati sono stati depositati da PECVD e variava di spessore tra 0,6 e 3 micron. Le grandezze di assorbimento erano simili a dispositivi con poliimmide strati dielettrici tuttavia c'è stato un cambiamento nella posizione rossa frequenza per assorbitori di uguale spessore.

La bellezza dei metamateriali è la loro scalabilità intrinseca - strutture di assorbimento sono stati dimostrati dal mm 23 regione attraverso le frequenze infrarosse e ottica 24. Questi dispositivi consistono nella metallico standard di ERR / isolatore / struttura metallica con l'apposito ERR dimensione del tratto e il tipo di isolante e spessore. Nel nostro disegno posizione frequenza di risonanza dipende principalmente l', lunghezza del braccio periodo trasversale della struttura e del tipo di isolante, mentre la absorptiograndezza n è determinato dallo spessore dello strato isolante. La posizione frequenza di risonanza del nostro cut-out design croce è blu spostato rispetto ai più tradizionali progetti trasversali intere (senza tagliare sezioni). Questo permette il periodo di pixel essere ridotto per un particolare frequenza di risonanza mirata (es. 2,52 THz) e ha importanti implicazioni per applicazioni di imaging THz. Uno dei principali vantaggi del nostro dispositivo è che, al contrario più complesso e computazionalmente intensive ERR ERR geometrie nostra geometria è semplice da capire e computazionalmente impegnative. Oltre ad utilizzare la teoria efficace mezzo per descrivere i nostri assorbitori metamateriale, una diversa spiegazione incentrata sulla teoria interferenza è stata recentemente proposta 25.

La ricerca sulla radiazione THz, con lunghezze d'onda tra 30 micron e 3 mm, è fiorito negli ultimi dieci anni. Questo interesse è stato stimolato dalle proprietà uniche di raggi THz, possono penetrare materials come la plastica, la carta e molti composti organici, compresi i tessuti umani, senza i rischi o pericoli potenziali associati con radiazioni ionizzanti, come i raggi X. Inoltre, THz possono essere usati per identificare i materiali specifici tramite i loro spettri caratteristici, compresi esplosivi, sostanze chimiche pericolose, farmaci e DNA, come rotazioni molecolari e le vibrazioni si verificano in questa gamma di lunghezze d'onda. Di conseguenza THz di imaging ha trovato applicazioni in settori quali la sicurezza, la sanità, farmaceutico, automobile, scienza dei materiali e prove non distruttive.

Tuttavia ci sono molte opportunità non realizzati a causa della mancanza di attrezzature a basso costo, compatto e facilmente implementabile. Presente THz di imaging costi di sistema> £ 250k, utilizzare gli specchi per l'ottica e meccanica raster un singolo pixel. Un ulteriore limite degli attuali sistemi commerciali è il tempo necessario a produrre un'immagine dal rilevatore meccanicamente rastered singolo pixel, prendendo minuti per t oreo compilare immagini dettagliate. Matrici sul piano focale IR, dimensioni di matrice tipicamente comprendenti di 640x320 pixel lettura a 30 Hz, sono stati utilizzati per applicazioni di imaging THz 26 tuttavia questi sensori hanno meno del 5% di assorbimento nella regione THz e non forniscono abbastanza sensibile rilevamento. Integrazione della nostra singola banda o banda larga assorbitore THz metamateriale con un sensore termico, come ad esempio un diodo pn o bolometri resistivi, in una matrice sul piano focale dovrebbe realizzare un dispositivo in grado di assorbire il 80% della radiazione THz alla frequenza di risonanza. Tale dispositivo potrebbe fornire una altamente sensibile, selettivo in frequenza, in tempo reale, compatto, temperatura ambiente THz sensore di immagine.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Questo lavoro è supportato dal Dipartimento di Ingegneria e Scienze Fisiche Research Council numero di concessione EP/I017461/1. Desideriamo inoltre riconoscere il contributo svolto dal personale tecnico del Centro Nanofabrication 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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