Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz Metamaterial Absorber
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.
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.
Protocol
Representative Results
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 Lumeri…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 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).
