Summary

Fabricação de simulação, e Caracterização de THz Absorvedores de metamateriais

Published: December 27, 2012
doi:

Summary

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de absorvedores metamaterial THz. Tais absorventes, quando acoplado com um sensor apropriado, ter aplicações em imagiologia THz e espectroscopia.

Abstract

Metamateriais (MM), os materiais artificiais modificados para ter propriedades que não podem ser encontrados na natureza, têm sido amplamente explorados desde a primeira demonstração de uma teórica e experimental 2 às suas propriedades únicas. MMS pode dar uma resposta eletromagnética altamente controlável, e até à data tem sido demonstrado em cada faixa espectral tecnologicamente relevantes, incluindo o 3 óptico, perto IR 4, meados IR 5, 6 THz, mm-wave 7, 8 e microondas de rádio 9 bandas. As aplicações incluem lentes perfeitas 10, sensores de 11, telecomunicações 12, 13 mantos da invisibilidade e filtros 14,15. Desenvolvemos recentemente única banda 16, 17 e de banda dupla de banda larga 18 THz dispositivos absorvedores metamaterial capazes de absorção superior a 80% no pico de ressonância. O conceito de um absorvedor de MM é especially importante nas freqüências de THz, onde é difícil encontrar fortes freqüência seletiva amortecedores THz 19. No nosso MM absorvedor da radiação THz é absorvido por uma espessura de ~ λ/20, superando as limitações da espessura de absorventes de comprimento de onda tradicionais trimestre. Absorvedores MM naturalmente se prestam a aplicações de detecção de THz, tais como sensores térmicos, e se integrado com fontes adequadas de THz (por exemplo QCLs), pode levar a compacta, altamente sensível, de baixo custo, em tempo real, sistemas de THz imagem.

Introduction

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de banda única e absorvedores de banda larga MM THz. O dispositivo, mostrado na Figura 1, consiste de uma cruz de metal e uma camada dieléctrica no topo de uma placa de massa de metal. A estrutura em forma de cruz é um exemplo de um anel eléctrico ressonador (ERR) 20,21 e casais fortemente a campos eléctricos uniformes, mas de forma insignificante a um campo magnético. Por emparelhamento a ERR com um plano de massa, o componente magnético da onda incidente THz induz uma corrente nas secções do ERR, que são paralelas à direcção do campo E. A resposta eléctrico e magnético pode então ser ajustado de forma independente e a impedância da estrutura correspondente ao espaço livre através da variação da geometria do ERR e que a distância entre os dois elementos metálicos. Como mostrado na Figura 1 (d), a simetria das estrutura resulta uma resposta absorção polarização insensível.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Simulação de um único absorvente Banda THz Metamaterial</p><p class="jove_content"> Uma visão 3D da simulação de set-up é mostrado na<strong> Figura 2</strong>.</p><ol><li> Lumerical FDTD é utilizada para optimizar as características de reflexão, transmissão e absorção do absorvente metamaterial THz. Todas as unidades são dadas em um.</li><li> Definir o THz poliimida propriedades do material pela esquerda clicando<em> Materiais, adicione (n, k) material</em> E introduzi…

Representative Results

A Figura 5 (a) mostra os espectros de absorção obtidos experimentalmente e simulados para um amortecedor de MM com 3,1 um de espessura de um espaçador dieléctrico poliimida. Esta estrutura tem uma repetição MM-período de 27 ^ m e as dimensões de K = 26 uM, L = 20 um, M = 10 ^ M e N = 5 | im. Medidas experimentais foram também realizados em amostras sem ERR camada para confirmar que a absorção foi uma consequência da estrutura de MM e não do dielétrico. Os 7,5 um de espessura de poliimida a…

Discussion

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de absorvedores metamaterial THz. É essenciais tais sub-comprimento de onda estruturas são simuladas com precisão antes de qualquer esforço está empenhada em procedimentos de fabricação caros. Lumerical simulações FDTD fornecer informações não só sobre o espectro de absorção de MM, mas também o local da absorção, o conhecimento essencial para auxiliar a colocação de um transdutor e de obter a resposta máxima. Além disso, o algor…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho é apoiado pela Engenharia e Ciências Físicas Research Council número de concessão EP/I017461/1. Gostaríamos também de agradecer a contribuição jogado pela equipe técnica do Centro de Nanofabricação James Watt.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Dolling, G., Wegener, M., Linden, S. Realization of a three-functional-layer negative-index photonic metamaterial. Opt. Lett. 32, 551-553 (2007).
  5. Zhang, S., et al. Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials. Phys. Rev. Lett. 95, 137404 (2005).
  6. Linden, S., et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science. 306, 1351-1353 (2004).
  7. Landy, N. I., et al. Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging. Phys. Rev. B. 79, 125104-12 (2009).
  8. Gokkavas, M., et al. Experimental demonstration of a left-handed metamaterial operating at 100 GHz. Phys. Rev. B. 73, 193103 (2006).
  9. Smith, D. R., Kroll, N. Negative refractive index in left-handed materials. Phys. Rev. Lett. 85, 2933-2936 (2000).
  10. Wiltshire, M. C. K., et al. Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging. Science. 291, 849-851 (2001).
  11. Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
  12. Kabashin, A. V., et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing. Nat. Mater. 8, 867-871 (2009).
  13. 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).
  14. Schurig, D., et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
  15. Chen, H. T., et al. Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials. Nat. Photonics. 2, 295-298 (2008).
  16. 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).
  17. Grant, J., et al. Polarization insensitive terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 1524-1526 (2011).
  18. Ma, Y., et al. A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 945-947 (2011).
  19. Grant, J., Ma, Y., Saha, S., Khalid, A., Cumming, D. R. S. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 3476-3478 (2011).
  20. Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photon. 1, 97-105 (2007).
  21. 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).
  22. Padilla, W. J., et al. Electrically resonant terahertz metamaterials: Theoretical and experimental investigations. Phys. Rev. B. 75, 041102 (2007).
  23. Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys. Rev. E. 71, (2005).
  24. Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R., Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
  25. Hao, J. M., et al. High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial. Appl. Phys. Lett. 96, 251104 (2010).
  26. Chen, H. T. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt. Express. 20, 7165-7172 (2012).
  27. 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).
  28. Thermo Nicolet Corporation. . An Introduction to Fourier Transform Infared Spectroscopy. , (2001).

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Cite This Article
Grant, J. P., McCrindle, I. J., Cumming, D. R. Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers. J. Vis. Exp. (70), e50114, doi:10.3791/50114 (2012).

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