THz Metamaterial Absorbers 시뮬레이션, 제조 및 특성

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Summary

이 프로토콜은 THz metamaterial absorbers의 시뮬레이션, 제조 및 특성을 설명합니다. 이러한 absorbers는 적절한 센서를 함께 사용하면, THz 이미징 및 분광의 응용 프로그램이 있습니다.

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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

Metamaterials (MM)는 자연에서 발견되지 않을 수 있습니다 속성을 가지고 설계 인공 재료는 널리 자신의 고유 한 속성의 첫 번째 이론 및 실험 시연이 때문에 탐구되었습니다. MMS는 매우 제어 전자기 응답을 제공 할 수 있으며, 최신 IR 4, 중반 IR 5, THz 6 mm 파 7, 전자 레인지 8 라디오 9 밴드 근처에있는 광학 3를 포함 해 모든 기술적 관련 스펙트럼 범위에서 입증되었습니다. 응용 프로그램 완벽한 렌즈 10, 센서 11, 통신 12, 투명 망토 13 필터 14,15가 포함되어 있습니다. 우리는 최근 싱글 밴드 16 듀얼 밴드 17 공명 피크에서보다 큰 80 %를 흡수 할 수있는 광대역 THz 18 metamaterial 흡수 장치를 개발했습니다. MM 흡수의 개념은 especiall입니다이 강력한 주파수 선택 THz absorbers에게 19를 찾아하기가 어렵습니다 THz 주파수에서 Y 중요합니다. 우리 MM 흡수에서 THz 방사선은 기존의 분기 파장 absorbers의 두께 제한을 극복 ~ λ/20의 두께에 흡수된다. MM absorbers 자연스럽게 같은 열 센서 THz 감지 응용 프로그램에 자신을 빌려하고, 적절한 THz 소스와 통합하는 경우 (예 : QCLs), 컴팩트 매우 민감한, 낮은 비용, 실시간 THz 이미징 시스템으로 이어질 수 있습니다.

Introduction

이 프로토콜은 단일 밴드와 광대역 THz의 MM의 absorbers의 시뮬레이션, 제조 및 특성에 대해 설명합니다. 그림 1에 표시된 장치, 금속 십자가와 금속 접지면 위에 유전체 층으로 구성되어 있습니다. 십자가 모양의 구조는 공진기 전기 링 (ERR) 20,21과 강력하게 균일 한 전기장에 커플하지만, negligibly 자기 필드의 예입니다. 접지면과 ERR 페어링으로 사건 THz 파의 자기 구성 요소는 E-필드의 방향에 평행 ERR의 섹션에서 전류를 유도한다. 전기 및 자기 응답 한 후 독립적으로 조정 및 구조의 임피던스는 ERR의 기하학과 두 금속 요소 사이의 거리를 변화하여 빈 공간을 일치 될 수 있습니다. 그림 1 (d)에, 편광 문자를 구분 흡수 반응의 구조 결과의 대칭에 표시.

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Protocol

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Representative Results

그림 5는 (a) 두께 3.1 μm와 MM 흡수를위한 실험적으로 얻어진 및 시뮬레이션 흡수 스펙트럼은 유전체 스페이서를 폴리이 미드 보여줍니다. 이 MM 구조는 27 μm 및 치수 K = 26 μm, L = 20 μm, M = 10 μm와 N = 5 μm의 반복 - 기간이 있습니다. 더이 흡수가 유전체의 MM 구조의 결과였다가 아닌 확인하는 층을 ERR와 실험 측정은 샘플에 수행되지 않았습니다. 더는 구조가 관심의 주파수 범위에 걸쳐 5 % 최대 흡수가 ERR와 7.5 μm 두께 샘플을 폴리이 미드없고, 따라서 공진 주파수 흡수에 MM 구조의 결과입니다 확인, (A) 그림 5를 참조하십시오. 실험 데이터 77 %의 흡수 규모의 2.12 THz에서 공명 피크를 보여줍니다. 이 결과는 2.12 THz에서 81%의 시뮬레이션 흡수 최대 우수한 계약입니다. 그림 5 (B)에 대한 실험 데이터를 보여줍니다같은과 MM absorbers는 다른이 1-7.5 μm 이르기까지 두께를 폴리이 미드와 유전체는 SIO 2 3 μm이다 흡수를위한 기하학을 ERR. 1 μm에서 3.1 μm 정상 흡수 증가로 두께 증가를 폴리이 미드하지만시는 3.1 μm보다 큰 두께 폴리이 미드로 정상 흡수 값에 약간의 감소가 있습니다. 1 μm에서 7.5 μm로 두께 증가를 폴리이 미드로 0.25 THz의 독특한 붉은 색 변화가 관찰된다. 대신 폴리이 미드의 유전으로 SIO 2했다 Absorbers도 공부했다. 1.90 THz에서 65%의 최대 흡수 값은 3 μm 두께 SIO이 유전체 층과 같은 MM 흡수에 대한 측정되었다.

효과적인 유전율과 투자율은 S 매개 변수 (22)의 역전을 통해 가상 데이터로부터 추출 할 수 있습니다. 3.1 μm로 시뮬레이션 MM 흡수에 대한 검색 매개 변수 두꺼운 스페이서는 디 아르 폴리이 미드그림 5 (C)에 splayed 관찰 할 수있는 바와 같이 광학 상수의 실제 부분을 가까이 제로에 건너 -. 유전율의 실제 부분이 긍정적 동안 때마다 제로 반사에 필요한 조건을 투자율의 실제 부분을 제외하고 반대의 경우도 마찬가지 - 영 전송에 필요한 조건. 최대 흡수, ω 0의 주파수에서 높은 흡수 뜻 투자율의 허수 성분의 피크가 있습니다.

Lumerical FDTD는 MM 구조 내에서 흡수의 위치를​​ 설정하는 데 사용할 수 있습니다. ERR, 유전체 및 접지 비행기 레이어에 대한 시뮬레이션 전력 흡수 분포는 그림 6에 표시됩니다 (AC) Y의 xz 평면에서 전력 분배의 크로스 섹션 = 3 μm는 그림 6 (D)에 표시되는 동안. 이 플롯에서 그 에너지의 대부분 ERR 레이어 등 오옴 손실로 소산되어 분명하다의 첫 번째 500 nm의에서 유전체 손실은 아래 층을 폴리이 미드. 최대 흡수 손실의 지역은 인접한 단위 세포 사이 십자가의 내부 가장자리 주위에 발생합니다.

매개 변수 L1 L2 L3 H1 H2 H3
값 (mm) 22 17 15.4 15 0.7 1.2 2.0

표 1. 멀티 레이어 흡수의 기하학적 매개 변수입니다.

Metamaterial absorbers는 본질적으로 협 대역 기기, 대역폭은 일반적으로 MO 더있을 이유가 없다중앙 공진 주파수의 20 % 이상 다시. 이러한 THz 분광 등의 여러 응용 프로그램, 광대역 THz의 흡수를 전시 센서를 필요로합니다. 우리는 광대역 흡수를 실현하는 두 전략을 개발했습니다. 첫 번째는, 그림 7에 도시 (AC) 연속 접지면의 상단에 번갈아 금속의 층 ERRs 및 유전체 레이어를 쌓아하는 것입니다. 다른 레이어에서 우리는 길이 (L 1 - L 3) 서로 다른 설계 십자가 밀접하게 흡수 스펙트럼에서 함께 위치 여러 가지 공진 모드를 지원하기 위해 인치 조정하여 유전체 두께 (H 1 - H 3) 멀티 레이어 구조는 각 공진 주파수에서 빈 공간을 임피던스 정합 및 광대역 흡수가 입수 할 수 있습니다. 표준 전자 빔 등록 절차는 서로의 상단에 ERRs 정렬하는 데 사용됩니다. 두 번째 전략은 네가 4 "컬러"슈퍼 픽셀로 ERRs 통합하고, singl에, 그림 7 (D)를 참조전자 유전체 층 즉, 접지면 / 유전체 / 금속은 ERRs. 이러한 장치는 다층 흡수보다 조작하기가 훨씬 쉽습니다.

실험적으로 얻은 흡수 스펙트럼과 표 1에 명시된 크기와 다층 MM 흡수에 대한 시뮬레이션 데이터는 (a) 그림 8에 표시됩니다. 또한 하나의 실험적 얻은 흡수 스펙트럼은 팔 길이 17 μm, 2 μm의 유전체 두께 ERR입니다 꾸몄다. 하나의 레이어 구조는 EM 방사의 78 %가 흡수 5.42 THz에서 하나의 공진 피크가 있습니다. 반면, 3 층 장치는 4.32, 5.31 세 resonances 각각 66%, 77 % 및 80 % 흡수 magnitudes과 5.71 THz 있습니다. 우리가 4.08 THz의 흡수가 60 % 이상입니다 5.94 THz로, 넓은 주파수 대역을 얻을 세 가지 밀접하게 위치 공진 봉우리하기 때문에. 5.01 T로 3 층 구조의 중심 주파수를 촬영Hz에서 흡수의 전체 폭 반 최대 (FWHM)은 중앙 주파수의 48 %입니다. 이것은 단일 층 구조 (단일 층의 FWHM 20 %)의 거의 두 배 반 FWHM입니다. 실험 데이터는 가상 스펙트럼과 합리적인 합의에 있습니다.

세 resonances의 xz 평면에서 시뮬레이션 흡수 분포는 그림 9 (AC)에 해본 된 스펙트럼 특성의 기원을 이해합니다. 5.16 THz와 5.70 THz의 resonances은 주로 중, 상단의 흥분의 결과 아르 각각 레이어 ERR 동안 4.84 THz의 공명은 주로 아래의 여진과 관련된 것은 레이어를 ERR. 이 배포판은 명확 각각 광대역 흡수에 기여 ERR 것을 알 수있다.

네 색 슈퍼 픽셀 THz 흡수의 SEM 이미지는 그림 7 (D)로 표시됩니다. 그림 8은 (B)를 보여줍니다 시뮬레이션과 expe17 μm, 15 μm, 13 μm 및 11 μm, 6 μm의 팔 폭의 팔 길이와 슈퍼 픽셀에 대한 rimental 흡수 스펙트럼. 이 두께 2 μm이다 폴리이 미드 동안 픽셀 기간은 44 μm이다. 네 resonances은 시뮬레이션과 실험 데이터 모두에서 관찰됩니다. 이러한 슈퍼 픽셀 구조의 단점은 그림 8 (B)에 도시 된 바와 같이, 일부 편광 의존도가 때문이다. 두 polarizations를 들어 슈퍼 픽셀 흡수는 5.08와 7.27 THz 사이의보다 큰 50 %의 흡수가, 2.19 THz 범위를. 이 단일 픽셀의 더블 FWHM을 대표하는 TM 분극에 대한 41%하는 동안 TE의 양극화에 대한 FWHM은 37 %입니다.

그림 1
그림 1. (A)의 도식은 MM 흡수의 ERR 및 (b) 단면전체 MM 흡수의. 현재는 E 필드 (()에 파란색 화살표로 표시 방향에 평행 ERR의 섹션에서 유도됩니다. 안티 - 병렬 이미지를 현재의 흐름은 imemdiately 십자가 아래의 지상 비행기의 지역에서의 결과 공진 응답. 단위 세포와 배열의 (삽입) 섹션의 (C) SEM 이미지입니다. MM 흡수의 편광 무감각 함을 보여주는 다른 사고 편광 각도에 (D) 시뮬레이션 흡수 스펙트럼. 0-90 °에서 각각의 연속 된 줄거리가 오프셋입니다 종좌표 축 중 하나를 주요 단위로.

그림 2
그림 2. 시뮬레이션의 3D 도식 설정.

그림 3
그림 3. 단일 밴드 MM 흡수의 제작. 1) 20 nm/100나노 미터 티 / 호주 스택 실리콘 15mm 섹션으로 15mm에 증발된다. 2) PI2545는 140에 구운 샘플에 코팅 스핀입니다 ° C 그리고 220에서 치료 ° C. 3) 15% 2010 년 4% 2041의 이중 층은 180에 코팅 구운 스핀 ° C.이다 4) 100 케빈 전자빔에 노출 후 샘플 MIBK과 IPA의 솔루션 개발되었습니다. 기인은 낮은 분자량을 2010 년 PMMA는 2041 PMMA보다 빨리 개발하고 있습니다. 원하는 걸리다 프로필에있는이 결과는 성공적 리프트 - 오프 달성하기 위해 필요합니다. 5) 20 nm/150 나노 미터 티 / 호주 영화는 샘플에 증발된다. 6) 금속 원하지 않는 영역은 따뜻한 아세톤의 비커에 샘플을 immersing하여 오프 해제되어 있습니다.

그림 4
그림 4. 푸리에 변환 적외선 분광계 27 도식.


그림 5. (A)와 MM 흡수의 실험 및 시뮬레이션 데이터는 3.1 μm의 두께를 폴리이 미드. 또한 해본는 7.5 μm의 흡수가 두꺼운 필름을 폴리이 미드입니다. 서로 다른 유전체 스페이서의 두께 및 유형 MMS 용 (b)는 실험 흡수 스펙트럼. 시뮬레이션 3.1 μm의 (C) 추출 광학 매개 변수는 두꺼운 MM 흡수를 폴리이 미드. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 6
MM absorbe의 그림 6. 에너지 손실3.1 μm와 연구 구조는 두께 2.12 THz의 주파수에서 스페이서를 폴리이 미드. (A)는 층을 ERR, (b)는 폴리이 미드, (C) Y의 접지면 및 (d) xz 평면이 = 3 μm의 중심.의 에너지 손실

그림 7
그림 7. 3 층 MM 흡수하고 전체 장치의 (B) 단면의 (A) 계획보기. 다층 흡수 한 번의 '슈퍼 픽셀'광대역 흡수의 (D) SEM 이미지의 9 단위 세포의 (C) SEM 이미지입니다. TE의 양극화에 대한 방향이 삽입에 표시됩니다.

그림 8
그림 8. (A) 멀티 레이어 흡수의 실험 및 시뮬레이션 (FDTD) 데이터. 또한 해본는 실험단일 층 흡수에 대한 알 흡수 스펙트럼. '슈퍼 픽셀'광대역 흡수 용 (B) 흡수 스펙트럼.

그림 9
그림 9. 당에서 xz 평면에서 (AC) 흡수 분포의 세 공진 주파수에 = 0 μm. 가로 흰색 선은 끊을 레이어를 나타냅니다.

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Discussion

이 프로토콜은 THz metamaterial absorbers의 시뮬레이션, 제조 및 특성에 대해 설명합니다. 그것은 어떤 노력이 비용이 많이 드는 제조 절차를 위해 최선을 다하고 있습니다 전에 반드시 이러한 하위 파장 구조를 정확하게 시뮬레이션 점입니다. Lumerical FDTD 시뮬레이션은 MM 흡수 스펙트럼뿐만 아니라에 대한 정보뿐만 아니라 트랜스 듀서의 위치를​​ 지원하고 최대 응답을 얻을 수 흡수의 위치, 필수 지식을 제공합니다. 또한 Lumerical의 최적화 알고리즘은 빠르게 실력 미리 정의 된 그림 (예를 들어 주파수 위치, 흡수 최대 흡수 최소, 대역폭 등)에 대한 적절한 흡수 구조를 구축하기 위해 구현 될 수있다. 단일 밴드 MM 흡수의 시뮬레이션, 제조 및 특성은 모든 설계의 신속한 프로토 타입을 허용한지 24 시간에 완료 할 수 있습니다. 우리의 다층 광대역 흡수는 세 별도의 전자 빔 쓰기 단계 (두 등록 s의 구성TEPS)과는 이하 사일에서 실현 될 수 있습니다. 우리는 또한이 ERR 사이의 지역 및 접지 비행기 절연 SIO 2시 3 N 4가 absorbers를 조작했습니다. 이 층은 PECVD에 의해 증착 및 0.6, 3 μm 사이의 두께에 원거리되었습니다. 유전체 층은 같은 두께의 absorbers에 대한 주파수 위치에 빨간색 변화가 있다고하지만 폴리이 미드와 흡수 magnitudes는 장치와 유사했다.

metamaterials의 아름다움은 고유의 확장 성입니다 - 흡수 구조는 적외선 및 광학 주파수 24을 통해 23 mm 지역에서 증명되었습니다. 이러한 장치는 표준 금속 적절한 ERR 기능 크기와 절연체 종류와 두께 ERR / 절연체 / 금속 구조로 구성되어 있습니다. 우리의 디자인에서 공진 주파수의 위치가 기간 구조의 교차 팔 길이와 절연체 종류에 주로 의존하는 동안 absorptioN의 크기는 절연 층의 두께에 의해 결정됩니다. 우리 절개 크로스 디자인의 공진 주파수 위치는 더 전통적인 전체 크로스 디자인 (섹션을 노 컷)에 비해 파란색으로 이동합니다. 이것은 픽셀 기간이 특정 대상 공진 주파수 (예 : 2.52 THz)을 감소 할 수 있으며, THz 이미징 응용 프로그램에 대한 중요한 의미가 있습니다. 우리 장비의 가장 큰 장점은 대조적으로 더 복잡하고 계산 집약적 인이 구조는 우리 기하학 이해하고 계산 undemanding하는 간단 ERR ERR 것입니다. 우리 metamaterial absorbers을 설명하기 위해 효과적인 매체 이론을 사용하는 반면, 간섭 이론을 중심으로 다른 설명은 최근 25 제안되었습니다.

THz 방사선 연구, 30 μm 및 3mm 사이의 파장으로, 지난 10 년 burgeoned있다. 이 관심은 THz 가오리의 고유 한 특성에 의해 자극 된, 사람들은 물질을 통과 할 수이러한 X-선으로 방사선을 이온화과 관련된 위험 또는 잠재적 위험이없는 등 플라스틱, 종이와 인체 조직 등 많은 유기 화합물, 같은 있나요. 또한, THz는 분자 회전 및 진동이 파장 범위에서 발생하는 폭발물, 유해 화학 물질, 마약과 DNA 등의 자신의 특성 스펙트럼,를 통해 특정 물질을 식별하는 데 사용될 수 있습니다. 따라서 THz 이미징은 보안, 의료, 제약, 자동차, 재료 과학 및 비 파괴 시험 등의 분야에서 응용 프로그램을 발견했습니다.

그러나 저비용, 소형 쉽게 전개 장비의 부족으로 인하여 많은 이루어지지 않은 기회가 있습니다. 현재 THz 이미징 시스템 비용> £ 250K, 광학 용 거울을 사용하고 기계적으로 하나의 픽셀 래스터. 기존 상용 시스템의 추가 제한 시간 t에 분 복용, 기계적 rastered 단일 픽셀 검출기에서 이미지를 생성하는 데 필요한 시간입니다자세한 이미지를 컴파일 O. IR 초점 평면 배열, 30 Hz에서 읽기 640x320 픽셀의 일반적으로 구성된 배열 크기는하지만 이러한 센서는 THz 영역의 5 % 이하의 흡수가 있고 민감한 충분히 감지를 제공하지 않습니다 THz 이미징 응용 프로그램을 26에 사용되었습니다. 우리의 싱글 밴드 또는 초점 평면 배열에 같은 PN 다이오드 나 저항 볼로미터와 같은 열 센서,와 광대역 THz metamaterial 흡수 통합은 공진 주파수에서 THz 방사선의 80 %를 흡수 할 수있는 장치를 실현합니다. 이러한 장치는 매우 민감한, 주파수 상온 THz 이미징 센서, 컴팩트, 실시간, 선택을 제공합니다.

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Disclosures

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

Acknowledgments

이 작품은 공학 및 물리 과학 연구위원회 교부금 번호 EP/I017461/1에 의해 지원됩니다. 우리는 또한 제임스 와트 Nanofabrication 센터의 기술 직원에 의해 재생 기여를 인정하고 싶습니다.

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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