Simulering, tillverkning och karakterisering av THz metamaterial Absorbenter
Summary
Detta protokoll beskriver simulering, tillverkning och karakterisering av THz metamaterial absorbenter. Sådana absorbatorer, när den kombineras med en lämplig sensor, har tillämpningar inom THz avbildning och spektroskopi.
Abstract
Metamaterial (MM), har konstgjorda material konstruerade att ha egenskaper som inte kan finnas i naturen, varit allmänt undersökts sedan den första teoretiska en och experimentell demonstration 2 av deras unika egenskaper. MMS kan ge en mycket styrbar elektromagnetisk svar och hittills har visats i alla tekniskt relevanta spektralområde inkluderande den optiska 3, nära IR 4, i mitten IR 5, THz 6, mm-våg 7, mikrovågsugn 8 och radio 9 band. Applikationer inkluderar perfekta linser 10, sensorer 11, telekommunikation 12, slängkappor osynlighet 13 och filter 14,15. Vi har nyligen utvecklat enda band 16, dual band 17 och bredband 18 THz metamaterial enheter absorbatorn kan mer än 80% absorption vid resonans topp. Konceptet med en MM-absorbator är especially viktigt vid THz frekvenser där det är svårt att hitta starka frekvensselektiva THz absorbenter 19. I vår MM absorbator den THz-strålning absorberas i en tjocklek av ~ λ/20, övervinna tjockleken begränsning av traditionella absorbenter kvarts våglängd. MM absorbenter lånar naturligtvis sig THz upptäckt applikationer, såsom värmesensorer, och om integrerat med lämpliga THz källor (t.ex. QCLs), kan leda till kompakt, mycket känslig, låg kostnad, realtid THz bildsystem.
Introduction
Detta protokoll beskriver simulering, tillverkning och karakterisering av enstaka band och bredband THz absorbenter MM. Anordningen, som visas i figur 1, består av en metall kors och ett dielektriskt skikt på toppen av en metall jordplan. Den korsformade konstruktionen är ett exempel på en elektrisk ringresonatom (ERR) 20,21 och kopplar starkt till enhetliga elektriska fält, men försumbart till ett magnetfält. Genom att para ERR med ett jordplan, inducerar den magnetiska komponenten av infallande vågen THz en ström i de sektioner av ERR som är parallella med riktningen av E-fältet. Den elektriska och magnetiska svar kan sedan avstämmas oberoende och impedansen hos strukturen anpassas till fritt utrymme genom att variera geometrin hos ERR och avståndet mellan de två metalliska elementen. Såsom visas i figur 1 (d), symmetrin av strukturen resulterar i en polarisationsokänslig absorptions respons.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver simulering, tillverkning och karakterisering av THz metamaterial absorbenter. Det är väsentligt sådana sub-våglängd strukturer exakt simuleras innan någon ansträngning har åtagit sig att kostsamma tillverkningsprocedurer. Lumerical FDTD simuleringar ger information om inte bara MM absorptionsspektrum, men också platsen för absorption, grundläggande kunskaper för att hjälpa placering av givare och få maximal respons. Dessutom optimeringsalgoritm i Lumerical kan genomföras för att…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av teknik och Physical Science Research Council licensnummer EP/I017461/1. Vi vill också att erkänna bidrag spelas av teknisk personal av James Watt Nanotekniklaboratoriet Centre.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalogue 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 |
References
- Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans. Microw. Theory. 47, 2075-2084 (1999).
- Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Microw Theory. 47, 2075-2084 (1999).
- Smith, D. R., Padilla, W. J., Vier, D. C., Nemat-Nasser, S. C., Schultz, S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys. Rev. Lett. 84, 4184-4187 (2000).
- Dolling, G., Wegener, M., Linden, S. Realization of a three-functional-layer negative-index photonic metamaterial. Opt. Lett. 32, 551-553 (2007).
- Zhang, S., et al. Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials. Phys. Rev. Lett. 95, 137404 (2005).
- Linden, S., et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science. 306, 1351-1353 (2004).
- Landy, N. I., et al. Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging. Phys. Rev. B. 79, 125104-12 (2009).
- Gokkavas, M., et al. Experimental demonstration of a left-handed metamaterial operating at 100 GHz. Phys. Rev. B. 73, 193103 (2006).
- Smith, D. R., Kroll, N. Negative refractive index in left-handed materials. Phys. Rev. Lett. 85, 2933-2936 (2000).
- Wiltshire, M. C. K., et al. Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging. Science. 291, 849-851 (2001).
- Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
- Kabashin, A. V., et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing. Nat. Mater. 8, 867-871 (2009).
- Dolling, G., Enkrich, C., Wegener, M., Soukoulis, C. M., Linden, S. Low-loss negative-index metamaterial at telecommunication wavelengths. Opt. Lett. 31, 1800-1802 (2006).
- Schurig, D., et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
- Chen, H. T., et al. Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials. Nat. Photonics. 2, 295-298 (2008).
- Ma, Y., Khalid, A., Saha, S. C., Grant, J. P., Cumming, D. R. S. THz band pass filter on plastic substrates and its application on biological sensing. IEEE Photonics Society Winter Topicals Meeting Series. , 50-51 (2010).
- Grant, J., et al. Polarization insensitive terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 1524-1526 (2011).
- Ma, Y., et al. A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 945-947 (2011).
- Grant, J., Ma, Y., Saha, S., Khalid, A., Cumming, D. R. S. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 3476-3478 (2011).
- Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photon. 1, 97-105 (2007).
- D. Schurig, J. J. M., Justice, B. J., Cummer, S. A., Pendry, J. B., Starr, A. F., Smith, D. R. Microwave Cloaking Realized. Science. 314, 889 (2006).
- Padilla, W. J., et al. Electrically resonant terahertz metamaterials: Theoretical and experimental investigations. Phys. Rev. B. 75, 041102 (2007).
- Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys. Rev. E. 71, (2005).
- Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R., Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
- Hao, J. M., et al. High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial. Appl. Phys. Lett. 96, 251104 (2010).
- Chen, H. T. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt. Express. 20, 7165-7172 (2012).
- Lee, A. W. M., Hu, Q. Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array. Optics Letters. 30, 2563-2565 (2005).
- Thermo Nicolet Corporation. . An Introduction to Fourier Transform Infared Spectroscopy. , (2001).
