太赫兹技术因其独特的优势而备受关注,其优势包括太赫兹波可穿透非偏振物体的强大能力,以及太赫兹光谱区域可表征众多材料和分子的特征吸收带。另外,太赫兹波对被探测人员和物体的伤害较小。与X射线等传统探测方法相比,这一特点使太赫兹技术具有显著优势。此外,太赫兹探测器还通常用于探测隐蔽物体以及无创医学成像等应用。而缺乏灵敏的太赫兹探测器是阻碍太赫兹技术发展的主要问题之一。
超构材料(Metamaterials)是由亚波长微结构(如超构原子)组成的人工复合材料,具有可调整的电磁(EM)特性。超构材料吸收体在众多电磁波谱中都显示出了巨大的应用潜力,因为它们可以调整频率相关的吸收特性。特别是在太赫兹区域,通过调整材料的长度、厚度及空间等结构参数,可以显著增强太赫兹能量的信号检测。因此,超构材料为解决上述问题提供了极具前景的平台。
将超构薄膜吸收体与双材料悬臂梁相结合,可以增强对太赫兹能量的吸收,并可将所吸收的能量转化为生物材料悬臂梁的形变。该探测单元可排成阵列从而形成超构材料焦平面阵列(MFPA),当与光学读出系统结合后,该阵列可用于太赫兹实时成像系统。
据麦姆斯咨询报道,近日,北京理工大学赵清教授课题组在IEEE Photonics Journal发表了以“Design and Fabrication of Substrate-free Au/SiNx/Au Metafilm for THz Sensing Application”为主题的研究论文。该研究论文通讯作者为北京理工大学、北京量子信息科学研究院赵清教授,主要从事量子物理与数学、信息科学的交叉研究工作。
这项研究论文报道了一种设计和制备无衬底Au/SiNx/Au超构薄膜作为MFPA的太赫兹吸收体的方法。研究采用了有限积分法模拟和新的显函数来研究其吸收特性。另外,研究人员利用MEMS技术制备了无衬底结构。同时,还采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测量了MFPA频率相关的吸收特性。研究结果表明,该Au/SiNx/Au超构薄膜设计可以提高吸收率并实现频率选择。另外,该超构薄膜在光学读出太赫兹实时成像、双波长分光光度法和多功能器件中具有潜在的传感应用价值。
(a)MFPA像素结构的俯视图;(b)MFPA像素结构的横截面视图。
该器件中的像素结构由两个悬臂梁和一个Au/SiNx/Au超构薄膜吸收体组成,如上图所示。像素结构尺寸为150 μm × 150 μm。其悬臂梁是两个折叠的SiNx/Au基生物材料梁,悬臂梁宽度为2.5 μm。超构薄膜吸收体由六个方形贴片和加固物组成。方形贴片尺寸为40 μm × 40 μm,为其频率选择表面(FSS)结构;加固物可以提高吸收体强度。在像素结构的横截面视图中,从下到上共有四层结构:第一层为SiNx层,用作结构层,包含悬臂梁和板;第二层为Au层,用作太赫兹辐射的反射镜;第三层为SiNx层,用作太赫兹辐射的吸收层;第四层为Au层,用于形成FSS结构。吸收体采用了金属-绝缘体-金属(MIM)结构。
(a)MEMS MFPA制备流程图;(b)在4英寸硅片上制备4颗MFPA的照片;(c)MFPA像素结构的SEM图;(d)MFPA像素结构的3D形貌。
用于测量反射率和透过率的THz-TDS原理图
这项研究设计并制备了一种集成了Au/SiNx/Au超构薄膜吸收体阵列和双材料悬臂梁的100 x 100太赫兹MFPA,并对其进行了表征和理论模拟。该MFPA像素尺寸为150 μm × 150 μm,具有无衬底结构。利用THz-TDS进行测量,具有极高的吸收率。测量结果显示,研究中制备的MFPA在1.36THz处可达到98.7%的谐振吸收率,与理论结果一致。通过模拟研究,采用修正的光致发光(PL)强度模型和非对称Asym2sig模型来研究太赫兹吸收特性。从理论上分析了吸收率与SiNx薄膜厚度和方形贴片尺寸之间的关系。研究结果表明,该无衬底太赫兹MFPA及其分析方法可广泛应用于太赫兹技术中,如双波长分光光度法和太赫兹成像等。
这项研究工作获得国家自然科学基金(61874137,61306141)的支持。该研究第一作者为北京理工大学Zhigang Li。
论文链接:
https://ieeexplore.ieee.org/document/9796544
审核编辑 :李倩
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