被动红外传感使用电浆共振尘埃粒子

文摘

我们目前的计算和实验结果的尘埃粒子,可以调到优先反射或发射红外辐射在8 - 14μm带。粒子由薄金属亚波长光栅的表面上的一个简单的四分之一波长谐振腔。这个设计创造了独特的红外吸收共振相结合的电浆共振光栅的自然共振腔。我们表明,共振峰很容易调整通过改变光栅的几何形状或腔的厚度。在这里,我们提出一个计算设计算法以及实验结果,验证设计方法。

1。介绍

大多数对象,人为或自然,反射和发射红外(IR)辐射在一个相对平滑的谱;然而,通过应用结构共振吸收这些材料的表面,反射和发射光谱可以增强或减少特定波长(如图1)。此外,通过混合小共振粒子(< 100μ米)为几个不同的波长,我们可以创建红外尘埃反射或发射特征光谱特征。这样material-by-design粒子将有用的各种实际应用的。例如,当应用于基础表面,共振粒子可以用来优化一个红外反射模仿其他自然或人为的表面。这可能是有用的作为高光谱成像系统的校准标准。另外,如果粒子的化学官能团,有许多远程大气遥感应用程序可以探索。

2。使用电浆光栅红外吸收器

众所周知,金属表面的亚波长范围内表现出不同寻常的光波长的电磁特性。特别是,局部表面等离子体共振的出现创造了良好定义的吸收带。这一现象进行了研究,利用调查人员意识到新类型的传感器,光学过滤器,和吸收器(1- - - - - -5]。这项工作的目的是数值和实验研究plasmonic-based共振吸收长波红外(LWIR)乐队(8 - 14μ米),可以制成小(~ 100μm×100μm×25μ米)尘埃粒子。尘埃颗粒可以用于定制反射率/表面发射率或分散在空气和用于大气遥感应用程序。

有许多小的共振吸收”尘埃像“结构可以用来优先吸收,因此热排放,不同波长的红外辐射包括介质环谐振器,谐振贴片天线,plasmonic-based谐振器。这些不同的结构比较基于(1)选定波长的能力有效地吸收红外能量在8 - 14μm带,(2)轻松地调整共振吸收的能力,(3)易于制造,和(4)的生产成本。根据这些标准,我们选择调查,在相对简单的表面细节,plasmon-based设计如图2。的构建块的设计是两个薄的谐振腔,一个在图的顶部2和其他在底部。每个腔由一层薄薄的黄金地平面,薄介质衬底层(由硒化锌(奈米)在我们的设计),和黄金制成的亚波长金属光栅。中间的结构是一种相对较厚的硅层所需的机械刚度。顶部和底部的对称层需要自粒子,当分散,东方自己随机。

这个设计的强烈共振行为是由于两种不同的组合共振现象。第一种是表面等离子体共振是兴奋的黄金在亚波长光栅。第二个是空腔共振兴奋的衬底区域奈米光栅层和金属之间的地平面层。通过调整奈米衬底的厚度对于一个给定的光栅周期和责任周期,一个强大的吸收共振可以在任何波长8 - 14微米波段内的兴奋。创建小尘粒、大样本是切碎成小(~ 100μm×100μm×25μ米粒子。

3所示。计算建模和设计

两种不同的计算模型是用来严格设计和验证共振结构如图2。第一个方法是一个完全周期性平面方法称为严格的耦合波方法。第二种方法,有限元法(FEM),被用来调查——的尺寸粒子效果。这两个方法的简要描述以及仿真结果提出了在接下来的两个部分。

3.1。无限周期结构的建模使用严格耦合波分析

两种方法广泛用于模拟无限周期亚波长光栅的电磁特性。第一次使用有效介质理论提供封闭近似的有效介电常数的函数(光栅结构6]。虽然有吸引力从计算的角度来看,近似表达式是准确的只有光栅的周期比波长小得多的照明。当光栅周期接近波长,称为共振政权,这些封闭表达式所基于的假设不再有效。对于我们的设计,我们假设光栅周期仅略小于材料的波长,因此不能准确地利用有效介质理论。

我们采用第二种方法使用一个严格的电磁模型。这种方法虽然计算更加困难,是能产生准确的结果的任何周期光栅的大小和形状。一些严格的电磁模型可用于计算。我们选择的严格耦合波(RCW)算法最初提出的Moharam和盖洛德7]。我们的具体实现是基于增强透射系数矩阵方法引入Moharam和盖洛德7和后来精制拉兰8]和Noponen Turunen [9]。为了简便起见,我们读者参考上面的引用有关RCW的方法。时准确,RCW方法假设光栅结构,如图2在横向方向上是无限的。——的尺寸样品的影响研究3所示。3。

3.1.1。RCW仿真结果为无限周期表面

图3呈现典型的模拟,使用RCW方法计算结果。在图中,样品的反射率计算的函数通常事件Planewave波长和偏振。

对于这个模拟奈米衬底厚度是假定为1.8μ米,金光栅周期是3.0μ50%的工作周期。黄金光栅被假定为100纳米厚,和黄金地面的飞机是300纳米厚。黄金的电磁材料特性确定使用模型中给出(10]。奈米层,无损的折射率在所有使用模拟。事件字段通常被认为是事件从顶部。在这个设计中,一个非常强大的共振吸收,近乎完美的吸收,预计在9.5附近μ平行极化的m(电极化沿轴光栅),只有弱共振发生的情况下垂直极化(电偏振垂直于光栅的轴)。

3.1.2。反射率对几何参数的敏感性

给定一个特定的底物和金属化材料,如奈米和黄金,尘埃粒子的反射率可以通过适当调整图所示的几何参数的选择2:具体来说,(1)奈米层的厚度,用h图2;(2)光栅周期,用Λ图2;(3)光栅的责任周期由(w /Λ图给出2);(4)金光栅层的厚度和黄金地平面。假设金层厚度足以预防传播(即。,much thicker than the penetration depth), the variables given by 1–3 above will have the most effect on the LWIR reflectance.

在图4,我们现在的奈米衬底厚度共振的影响行为。随着厚度的增加从1.5到2.5μ从8.3到13.2 m,共振下降变化μm,分别。因此,共振行为可以通过调优通过不同的奈米衬底的厚度。

图4

μ μ 使用RCW方法仿真结果,提出垂直入射的反射在LWIR乐队的奈米衬底厚度是不同的从1.5到2.5m。对于这个仿真,光栅周期固定在3.050%的工作周期。平行偏振入射波是正常事件。随着衬底厚度的增加,共振吸收峰向长波长转移但仍然强劲。共振也保持相对固定的带宽随着衬底厚度是不同的。

另外,对于一个给定的衬底厚度、共振吸收特征可以通过不同光栅周期调谐和责任周期。如图5是一个示例的模拟反射率的衬底厚度是固定在2.0μm和光栅周期是不同的从1.0到3.0μm。对于这个仿真,占空比是固定在50%。而显然谐振波长随光栅周期,比不同衬底厚度变化不敏感。此外,通过改变光栅周期,与所有其他参数固定,共振的振幅会相差很大。最后,我们不同光栅的责任周期,同时保持衬底厚度和光栅周期固定在2.0和3.0μm,分别。如图6,光栅占空比有很大影响不仅共振波长,而且在共振的振幅和带宽。

对入射角的敏感性也评估使用RCW代码。一个典型的结果的情况下平行和垂直极化如图7。在这里,仿真结果预测,平行极化(图的共振频率7(一))应该慢慢增加随着入射角的增加从正常发病率(图中0度)附近放牧角度(80度)。有趣的是,对于平行极化(图7(一))共振波长和入射角的变化相对较小(< 1μ米)即使near-grazing入射角度。共振尘埃粒子的特定应用程序,这是一个有吸引力的功能由于粒子的取向对事件字段无法很好的得到控制。

(一)

(b)

3.2。迭代的设计

作为数据4通过7演示,共振吸收性能的结构如图2有一个复杂的依赖数量的几何参数。因此,它不太可能,任何简单的分析设计方程可以推导出,用于确定一个最优的结构对于一个给定的期望响应。因此,我们实现了一个数值迭代算法设计。RCW方法是用来计算的全波解反射波长的函数,偏振,和入射角几何给定衬底的厚度、光栅周期和工作周期。然后使用一个优化算法来优化几何,直到目标函数是最小化。目标函数可能取决于应用程序,但在大多数情况下我们选择最小化所需的总反射对一些波长乐队。大量的迭代优化算法可以采用包括传统衍生算法,遗传算法,或直接模式搜索算法。遗传和模式搜索算法的一个优势是,他们不需要衍生品,因此在nondifferentiable工作,随机,不连续目标函数。简单遗传算法和直接模式搜索算法实现和测试应用程序的兴趣。虽然这两种方法产生了类似的结果,但模式搜索算法通常是计算更便宜。

3.3。使用有限元方法建模有限光栅效应

RCW方法,准确和计算效率,假定无限周期的光栅。我们的应用程序中,样品是切碎成小(~ 100μm×100μm×25μ米粒子。因此,重要的是要理解的影响相对较小(< 10波长)——的尺寸粒子对整个设计的有效性。进行这些模拟我们使用商业EM解算器,基于Ansys。模拟进行了使用基于有限元解算器和光栅结构变化从25到100年μm。

图8情节的模拟表面电流密度50μm×50μm×5μm以固定入射波长的电浆粒子10μm。当前是一个直接后果的空间分布的有限的横向尺寸和将影响总吸收能量。在图9情节,我们相同的粒子的平均反射波长的函数。总吸收时略少,共振波长略转向更长的波长,——的尺寸粒子仍然表现相同的一般特征吸收无限周期预测前面描述的。

4所示。实验制备

制作样品,薄(80微米)2英寸硅片首次安装到一个3英寸(350 - 500微米)硅晶片载体使用Aquabond 55胶粘剂产品蜡。承运人薄片放在热板在温度为80°C。少量的蜡涂抹在表面中心开始向外和工作。薄的硅片小心地放在蜡。平板玻璃盘子放在薄圆片的顶部,其次是黄铜的体重。这是保持尽可能平坦的硅片在安装过程。热板处于关机状态,和蜡被允许冷却至室温。多余的蜡,在安装硅片被轻轻擦了1%的水清洁的解决方案。晶片组装是放置在一个真空电子束蒸发器。一条毯子金属化铬2000紧随其后的300黄金是蒸发晶片。 The assembled structure was then moved to another vacuum e-beam evaporator, and a 1.8-micron-thick layer of ZnSe was evaporated onto the surface. Depositions were performed at 145°C, with a base pressure of。120 -一层氧化钇(Y₂O₃)是把第一个促进底物之间的附着力和奈米。

奈米光刻是通过第一旋转涂布AZ # 5214的晶片装配图像反转光致抗蚀剂的速度为40秒4000 rpm。这种光刻胶热板在110°C烤2分钟,暴露在JBA真空接触对准器20秒钟的灯泡强度4 mW /厘米²烤,电炉烘烤(逆转)为40秒124°C,和洪水暴露了25秒。抵制当时发达300年AZ MIF光刻胶开发人员60秒和冲洗去离子的水(DI) 1分钟。然后用氮气干燥晶片。由此产生的光刻在显微镜下检查清理。之前加载晶片组装成光栅结构的电子束蒸发器,每桶的光刻胶清洁等离子亚设。图案的晶片组装放入真空电子束蒸发和300的金属化钛(Ti)其次是1000黄金。金属发射使用丙酮、异丙酯和去离子水移除多余的金属。制造过程是图形如图10。

5。实验表征

实验表征结果为样本,使用前面描述的方法是捏造数据所示11和12。对于这些样品,奈米衬底厚度是固定在1.8μ3.0 m和线性黄金光栅间距μ50%的工作周期。

进行了红外反射和发射测量那些时光560年采用Nicolet傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪与反射率发病率达到收集红外发射模块和一个输入端口或光致发光。在室温下的反射率被作为入射偏振的函数。虽然极化发射可以很容易地发现在室温条件下,提高了信噪比的数据在一个温度升高。实验结果,匹配建模结果,展示设计附近的一个强大的共振吸收和热发射波长。

6。选择偏振不敏感的设计

使用在图描述的共振粒子的一个缺点2是他们对偏振敏感。这减少了总吸收能量的一半。为了解决这个问题,我们研究了大量的设计,对入射场偏振不敏感。这些结构,如图13,由二维数组的黄金条(通常被称为一个网眼结构),金属块,圆洞。每一个结构如图11分析了使用RCW方法。这些结构的分析,归纳阵列(图13 (c))显示,大部分的承诺。图12提出了数值模拟正常的反射波长的函数。一个强大的、近乎完美,吸收预计平行和垂直极化。此外,正如在前面的设计,共振波长很容易调整通过不同介质衬底层的厚度。应该注意的是,结果如图14还没有被实验验证。

(一)孔阵列

(b)电容贴片阵列

(c)归纳阵列(网眼)