文摘
不同的开放谐振环结构与聚酰亚胺衬底的设计。太赫兹波的传播特征结构进行了仿真和实验。结果表明,结构的透射峰向高频的金属层厚度的增加。随着衬底厚度的增加,透射峰搬到低频率和透射率降低了。的影响的“C”形开放谐振环单元结构对太赫兹波的传播特点也进行了研究。发现当“C”形开放谐振环的数量从一个增加到两个,更透射峰值出现在0.2 - 2太赫兹的频率。设计结构的透射率进行了测试,太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)。实验结果显示仿真结果的好协议。
1。介绍
太赫兹波(太赫兹)与频率之间的电磁波波长0.1太赫兹和10太赫兹(30之间μm和3毫米)[1,2]。太赫兹波位于过渡区从无线电波、红外线在电磁波谱3]。最后带电磁波谱中尚未完全认识和利用。太赫兹波的基本特征是高透射率、低能量、指纹谱。近年来,由于超快光电技术的发展,各种各样的作品进行了由于太赫兹波的重要价值4- - - - - -6]。太赫兹技术的快速发展,各种各样的太赫兹仪器已广泛应用于医学、军事、航空、和其他领域(7- - - - - -10),因此对高性能太赫兹器件的需求越来越迫切。
超材料和metasurfaces有效使太赫兹波和调节了密集的调查人员多年来的利益。打开太赫兹超材料通常由周期性金属谐振环结构数组,有共振的电磁响应(11,12]。这一特点,可以设计特定的太赫兹波传感器。1998年,艾布森在实验中发现,当一束光垂直入射到亚波长金属孔阵列结构,增强传播出现在一个特定的波长范围,与传统的经典理论的光学手术(13]。从那时起,研究人员进行了一系列的仿真和实验来调节电磁波通过使用不同的设计,包括太赫兹波。发现亚波长金属结构的介电常数有很大影响的共振传输频率(14]。太阳等人200年的折射率测量μ米厚的铜膜和500年μ米厚的铝薄膜在硅衬底利用太赫兹时域反射系统,发现折射率降低了太赫兹频率的增加(15]。马等人研究了太赫兹波的传播特性和介电响应的氧化锌导电薄膜,利用太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)和获得frequency-related电导率曲线和折射率曲线的电影16]。Carretero-Palacios等人揭示了金属薄膜的厚度和介电常数的影响基质的多孔金属网结构的传输特性(17]。目前,大多数研究太赫兹波的传播特性的研究关注不同基质的影响在周期性金属网结构的传输特性18)和金属薄膜的厚度的影响在数组结构的传输特性19,20.]。然而,它是发现周期性金属开放谐振结构的透射率仍然需要进一步改善。
目前,大多数研究集中在实现和监管的高透射率在一个频带限制的应用太赫兹设备。日元等人设计了一个单层开放谐振环阵列,实现了电磁谐振响应。开口环谐振器的电磁谐振效应(SRR)数组被称为磁等离子体共振21]。夏等人意识到双频率传输增强采用金属环阵列(22]。有多数的作品研究metasurfaces的宽带传输。与可见光相比,太赫兹波段宽的分析结果具有重要的参考意义的设计和制备表面等离子体设备,如过滤器,偏振器和微纳设备。
在这项研究中,基于聚酰亚胺基质不同的开放谐振环结构设计。结构参数对传输特性的影响的模拟研究了阵列结构。从仿真获得最优结构参数被用来制造结构。实验结果与仿真结果在良好的协议。
2。仿真模型
不同的开放谐振环结构设计如图1。黄色区域是充满了金属,和其余的聚酰亚胺。数据1(一),1 (b),1 (d)顶视图的结构和数据1 (c)和1 (e)侧面的相应结构。坐标系统的模拟也设置如图1。金属层和衬底的厚度t和d,分别。其他参数的结构可以找到数据1(一),1 (b),1 (d)。被选为铜金属层,因为它有相对稳定的化学性能和低成本,和聚酰亚胺被选为底物。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3所示。仿真结果和讨论
3.1。数值模拟
数值模拟是利用商业软件CST 2018年完成基于时域有限积分法。单元结构模型建立了CST软件如图2。太赫兹波频率范围被设置为0.2 - 2太赫兹,方便对比实验的结果。被选为真空的背景条件。的X设在沿着磁场或电场的方向Y设在沿着电场或磁场的方向,和Z设在沿着太赫兹波的入射方向,垂直单元结构表面。周期性边界条件将使元素延伸到无限平面与去年同期X和Y方向。太赫兹信号作为激励源。
(一)
(b)
(c)
3.2。结果与讨论
金属层厚度的影响太赫兹波传输特性的首次研究。厚度t设置为从0.2吗μ米- 8μ米,厚度d设置为底物d= 10μm。仿真结果如图所示3。
(一)
(b)
(c)
如数据所示3(一个),3 (b),3 (c)金属厚度的增加,透射峰的位置三个结构逐渐搬到高频和透射率略有下降。传播的特定信息山峰对于不同的金属厚度给定的表1。
下表1,可以发现,当金属厚度从0.2增加μ米- 8μm,透射峰的运动只有7 GHz, 19个GHz,和9 GHz,分别为三个结构。透射率仅减少0.4%、0.11%和0.11%,分别。这是因为当金属厚度比皮肤深度大,共振增强将饱和根据r·辛格的研究(23]。皮肤深度可以从下列方程计算(23,24]: 在哪里f是定义的频率趋肤深度,μ0真空磁导率,σ直流的直流电导率是金属。铜,其皮肤深度是85.2 nm 0.6太赫兹远小于金属厚度,所以传输峰值移动小金属厚度大于1μm。
衬底厚度的影响传输特性也进行了研究。衬底厚度的三个结构改为5μ米到25μ选为0.2 m,金属厚度μ米,其他参数保持不变。12.5μ米被选中与实验结果进行比较。
(一)
(b)
(c)
下表2,可以发现,单一的“C”谐振环,13.2 GHz的传输高峰转移到左0.672太赫兹到0.540太赫兹当衬底厚度增加到5μ米到25μm。透射率从99.45%下降到98.94%。双“C”谐振环的传输高峰转移到左12.8 GHz 0.643太赫兹到0.515太赫兹当衬底厚度增加到5μ米到25μm。透射率从98.99%下降到97.34%。方形谐振环的传输高峰转移到左10 GHz 0.694太赫兹到0.594太赫兹当衬底厚度增加到5μ米到25μm。传播率从99.51%下降到98.82%。
结果表明,当太赫兹波垂直地入射到一个特定的表面结构,激发的等离子体共振波长金属阵列孔是近似的25]。
在这个公式,代表周围介质的有效介电常数,l晶格常数,米和k表示光的不同模式,它们的值是整数。=+金属的介电常数,和分别代表实部和虚部。实部和虚部是与入射光的频率、周期和大小的洞,金属的材料,和其他因素。在我们的实际应用中,衬底的厚度远小于金属阵列结构 与c光的速度和ω入射光的频率。因此,结构包括衬底通常被认为是薄膜。电影是暴露在空气中,可以计算折射率(26]
在这个公式, 。 和代表在光波电场穿透介质薄膜和参考电场时,光波传播的自由空间。 代表光波通过介电薄膜的透光率,和这个值与衬底的厚度薄膜的结构。除了谐振传播因素,频率选择作用的亚波长金属阵列孔表面上的太赫兹波的传输特性也将改变基板的结构。考虑 ,这是衬底材料的透光率和介电常数之间的关系,我们可以得出这样的结论:
根据方程(4),亚波长金属阵列结构的太赫兹波透射率直接相关的介电常数衬底以及衬底的厚度作为一个整体,以及衬底的厚度的变化d也会导致的变化 。根据方程(2),我们可以发现的变化会导致这种转变的亚波长金属阵列结构的表面等离子体共振波长。数值模拟方程(2)- (4)来验证进行推理,结果如图所示5。它可以发现,金属孔阵列结构的透射峰位置改变衬底厚度的变化d。当衬底的厚度的增加,透射峰的位置移动到低频率。衬底厚度有很大影响金属微观结构的介电常数。因此,表面等离子体共振波长会发生改变,导致透射峰的位置的运动。
(一)
(b)
(c)
图5显示了透射峰的频率之间的关系和衬底的厚度。它可以发现,透射峰的频率减少非线性。随着衬底厚度的增加,透射峰的频率往往是稳定的。根据文献[27),影响谐振频率的主要原因是金属和衬底之间接口等离子体共振。如果衬底足够厚,它将像半无限介质和界面效应与传输峰值频率。由于这个原因,传输峰值频率将趋于一个稳定的位置。在实际应用中,我们可以实现太赫兹波的调制通过改变衬底厚度在一定范围内。
为了更好地理解传输特性提出的三个结构,单元结构的电能量密度在各自的谐振频率进行了研究,如图6。如数据所示6(一)和6 (b),因为戒指是中空的,开幕式是金属,入射太赫兹波的能量集中两边的环,揭示强场监禁和太赫兹波捕获(28,29日]。如图6 (c)、电场强度均匀对称地分布在六个空缺,这个分布偶极子的电场环的形成。此外,能量密度不是很高。这是因为相反的表面流诱导周期的抵消了磁偶极子的创建。
(一)
(b)
(c)
戒指的数量的影响传输特性进行了研究。单引号和双“C”谐振环被选作比较。金属层厚度为0.2μm,衬底厚度为12.5μm。
如图7为单一的“C”谐振环结构,只有一个高传播高峰出现在0.592太赫兹透射率为99.29%。带宽0.117太赫兹透射率高于90%。双“C”谐振环结构,四个高透射峰值的F1, F2, F3, F4出现在0.567太赫兹,1.218太赫兹,1.421太赫兹,分别和1.487太赫兹。山峰F1和F2,透射率高于90%的带宽是86 GHz和72 GHz,分别。高峰F3, F4,相应的带宽太窄,讨论。以上仿真结果给出的详细信息表3。
4所示。实验结果和讨论
4.1。实验
根据从先前的模拟和获得最优参数考虑到实际样品处理的难度,铜厚度为0.2μ米被选为金属层和聚酰亚胺厚度为12.5μ样品制备m作为衬底。
聚酰亚胺(PI)厚度为12.5μm是这三个勇士的衬底结构实验。首先,一层聚酰亚胺厚度为12.5μ米涂在硅片厚度为500μm×π旋转。然后,开放谐振环结构上形成π衬底通过积极光刻同质化,预干燥、预曝光,使太干,过度开发和其他流程。AZ5214模型被选为光致抗蚀剂,0.2μ米厚的铜被磁控溅射镀在π。剥离后,开放环铜膜上形成π衬底。迪斯科切割机(迪斯科641)用硬刀是用来切成小块样品的8毫米×8毫米。最后获得的样本后浸泡在高频(40%)3分钟和分开的硅片。最终样品的微观结构如图所示8。
(一)
(b)
(c)
传播特征的检测的样品进行了THz-TDS系统(效果显著,TAS7400)。系统主要由飞秒激光,电气控制设备,和太赫兹波产生装置。Ti:蓝宝石飞秒激光脉冲宽度为100 fs,中心波长800 nm和82 MHz的重复率是用作光源。飞秒激光脉冲分为两束。一束用于产生太赫兹脉冲,另一个作为探测光束探测太赫兹脉冲。该系统的检测宽度为0.1 5太赫兹。温度保持在21°C在实验期间,和检测环境的湿度控制在4%以下的空气干燥器,以减少水对太赫兹波的吸收,提高检测结果的准确性。
计算透射率可以由以下方程: 在哪里T(v)是透射率,ν是入射脉冲频率、功率参考 是入射脉冲的能量,和权力传播 是传输脉冲的能量。
4.2。结果与讨论
如图9(一个),样品的透射峰在0.56太赫兹透射率85.9%的单一的“C”共振结构。双“C”共振结构,传输峰值出现在0.56太赫兹透射率为82.9%,如图9 (b)。至于方形谐振环结构,透射峰在0.62太赫兹透射率为84.1%。如图9,它可以发现透射峰位置有很好的匹配的仿真和实验结果。透射率的差异主要是由于聚酰亚胺衬底对太赫兹波的吸收和轻微的金属氧化层。还有更多的传播模拟的山峰比实验。主要原因是由于聚酰亚胺衬底对太赫兹波的吸收和轻微的金属氧化层。此外,样品的尺寸误差和太赫兹波的吸收的水环境检测过程中也会导致较低的传播比较理想的仿真结果。
(一)
(b)
(c)
图10显示了单人和双人的透射谱的比较“C”谐振环结构。表4为实验结果的高峰提供特定的信息。从图中可以看出单一“C”谐振环结构,只有一个supertransmission峰值出现在0.2 - 2太赫兹。然而,对于双“C”谐振环结构,三太赫兹透射峰值出现在0.561,1.232太赫兹,和1.474太赫兹透射率为84.2%,66.2%,和28.1%,分别。这是显示的潜力提高太赫兹探测设备的灵敏度,通过添加更多的谐振环单元结构。为了提高结构的透射率,较低的其他材料太赫兹吸收如聚乙烯(30.)或低密度聚乙烯(31日)可以被认为是在未来的研究。
5。结论
三种开环结构设计和太赫兹波的传播特性进行了研究,仿真和实验。金属层厚度的影响,基板厚度、数量和开环的传输特性进行了研究。
结果表明,透射率随厚度的增加金属层和衬底。传输峰红移有金属层和衬底厚度的增大,和衬底的影响大于从金属层。为单一的“C”和广场开放谐振环结构,只有一个共振透射峰值透射率高于90%出现在0.2 - 2太赫兹的范围。然而,对于双“C”打开谐振环结构,四个传输峰值透射率高于90%出现在0.2 - 2太赫兹的范围。根据实际需求,通过改变金属层的厚度,以及衬底的厚度,调整太赫兹波传输和传输的峰值位置,从而达到预期的目的。
三个结构的传输特性实验研究。的结果与模拟传输峰值的位置有一个很好的协议。实验的透射率低于主要是因为仿真的仿真结果进行了在一个理想的环境,样品制备过程中尺寸误差和太赫兹波的吸收在检测过程中由水环境造成的。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢中国国家自然科学基金支持的项目(11504144),该项目由江苏大学的人才开始基础(15 jdg133),江苏大学的年轻的领导老师的项目。