太赫茲技術因其獨特的優勢而備受關注,其優勢包括太赫茲波可穿透非偏振物體的強大能力,以及太赫茲光譜區域可表征眾多材料和分子的特征吸收帶。另外,太赫茲波對被探測人員和物體的傷害較小。與X射線等傳統探測方法相比,這一特點使太赫茲技術具有顯著優勢。此外,太赫茲探測器還通常用于探測隱蔽物體以及無創醫學成像等應用。而缺乏靈敏的太赫茲探測器是阻礙太赫茲技術發展的主要問題之一。
超構材料(Metamaterials)是由亞波長微結構(如超構原子)組成的人工復合材料,具有可調整的電磁(EM)特性。超構材料吸收體在眾多電磁波譜中都顯示出了巨大的應用潛力,因為它們可以調整頻率相關的吸收特性。特別是在太赫茲區域,通過調整材料的長度、厚度及空間等結構參數,可以顯著增強太赫茲能量的信號檢測。因此,超構材料為解決上述問題提供了極具前景的平臺。
將超構薄膜吸收體與雙材料懸臂梁相結合,可以增強對太赫茲能量的吸收,并可將所吸收的能量轉化為生物材料懸臂梁的形變。該探測單元可排成陣列從而形成超構材料焦平面陣列(MFPA),當與光學讀出系統結合后,該陣列可用于太赫茲實時成像系統。
據麥姆斯咨詢報道,近日,北京理工大學趙清教授課題組在IEEE Photonics Journal發表了以“Design and Fabrication of Substrate-free Au/SiNx/Au Metafilm for THz Sensing Application”為主題的研究論文。該研究論文通訊作者為北京理工大學、北京量子信息科學研究院趙清教授,主要從事量子物理與數學、信息科學的交叉研究工作。
這項研究論文報道了一種設計和制備無襯底Au/SiNx/Au超構薄膜作為MFPA的太赫茲吸收體的方法。研究采用了有限積分法模擬和新的顯函數來研究其吸收特性。另外,研究人員利用MEMS技術制備了無襯底結構。同時,還采用太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統測量了MFPA頻率相關的吸收特性。研究結果表明,該Au/SiNx/Au超構薄膜設計可以提高吸收率并實現頻率選擇。另外,該超構薄膜在光學讀出太赫茲實時成像、雙波長分光光度法和多功能器件中具有潛在的傳感應用價值。
(a)MFPA像素結構的俯視圖;(b)MFPA像素結構的橫截面視圖。
該器件中的像素結構由兩個懸臂梁和一個Au/SiNx/Au超構薄膜吸收體組成,如上圖所示。像素結構尺寸為150 μm × 150 μm。其懸臂梁是兩個折疊的SiNx/Au基生物材料梁,懸臂梁寬度為2.5 μm。超構薄膜吸收體由六個方形貼片和加固物組成。方形貼片尺寸為40 μm × 40 μm,為其頻率選擇表面(FSS)結構;加固物可以提高吸收體強度。在像素結構的橫截面視圖中,從下到上共有四層結構:第一層為SiNx層,用作結構層,包含懸臂梁和板;第二層為Au層,用作太赫茲輻射的反射鏡;第三層為SiNx層,用作太赫茲輻射的吸收層;第四層為Au層,用于形成FSS結構。吸收體采用了金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構。
(a)MEMS MFPA制備流程圖;(b)在4英寸硅片上制備4顆MFPA的照片;(c)MFPA像素結構的SEM圖;(d)MFPA像素結構的3D形貌。
用于測量反射率和透過率的THz-TDS原理圖
這項研究設計并制備了一種集成了Au/SiNx/Au超構薄膜吸收體陣列和雙材料懸臂梁的100 x 100太赫茲MFPA,并對其進行了表征和理論模擬。該MFPA像素尺寸為150 μm × 150 μm,具有無襯底結構。利用THz-TDS進行測量,具有極高的吸收率。測量結果顯示,研究中制備的MFPA在1.36THz處可達到98.7%的諧振吸收率,與理論結果一致。通過模擬研究,采用修正的光致發光(PL)強度模型和非對稱Asym2sig模型來研究太赫茲吸收特性。從理論上分析了吸收率與SiNx薄膜厚度和方形貼片尺寸之間的關系。研究結果表明,該無襯底太赫茲MFPA及其分析方法可廣泛應用于太赫茲技術中,如雙波長分光光度法和太赫茲成像等。
這項研究工作獲得國家自然科學基金(61874137,61306141)的支持。該研究第一作者為北京理工大學Zhigang Li。
論文鏈接:
https://ieeexplore.ieee.org/document/9796544
審核編輯 :李倩
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原文標題:利用無襯底超構薄膜吸收體,顯著提升太赫茲波的吸收率
文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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