Absorção THz de banda larga de matriz de microbolômetro integrado com ressonadores de anel dividido

Resumo

Neste artigo, uma estrutura periódica baseada em ressonadores metálicos de anel dividido é integrada em estruturas de micro-pontes do conjunto de microbolômetros THz para atingir alta absorção de ondas THz em uma ampla faixa de frequência. Com um tamanho de unidade pequeno de 35 μm × 35 μm, o efeito da estrutura de anel dividido nas características de absorção de onda THz da matriz de estrutura de multicamadas é estudado para manipular as frequências de absorção de ressonância. A largura de banda de absorção é efetivamente aumentada pela integração de uma estrutura combinada de anel dividido e disco metálico. A absorção de THz por banda larga é formada pelo acoplamento dos picos de absorção de diferentes estruturas. A estrutura periódica de anel duplo combinada com um disco metálico fornece uma absorção de onda THz de banda larga na faixa de 4–7 THz. A maior absorção na faixa chega a 90% e a menor absorção é superior a 40%. A estrutura projetada é compatível com o processo e fácil de implementar para microbolômetros THz de pixel pequeno com alta absorção em uma ampla faixa de espectro. A pesquisa fornece um esquema para detecção de THz de banda larga e imagens em tempo real à temperatura ambiente.

Introdução

A onda Terahertz (THz) com um comprimento de onda de 30 μm a 3 mm é uma parte do espectro eletromagnético muito importante, mas raramente explorada. As aplicações da tecnologia THz incluem triagem de segurança [1, 2], medicina [3, 4], comunicação [5, 6] e astronomia [7]. A tecnologia THz tem passado por um grande progresso nos últimos anos devido ao desenvolvimento de fontes e dispositivos para geração e detecção de ondas THz [8, 9]. Os detectores THz baseiam-se principalmente no efeito fotoelétrico e no efeito térmico. Detectores de fótons, como bolômetros supercondutores, podem ser usados para detecção de alta sensibilidade e alta velocidade [10, 11]; no entanto, ele precisa ser resfriado a uma temperatura extremamente baixa. Os detectores de bolômetro térmico que absorvem a onda THz e causam mudança de temperatura de filme termossensível podem ser operados em temperatura ambiente e apresentam grandes vantagens na integração de array em larga escala, configuração simples e baixo custo [12,13,14]. A matriz do microbolômetro THz é composta de pixels com estrutura de micro-ponte, que é desenvolvida a partir da tecnologia de microbolômetro infravermelho (IR) maduro com o mesmo mecanismo de conversão térmica equipado com uma fonte THz. Uma desvantagem crítica da estrutura de micro-ponte convencional é sua má absorção da onda THz, o que causa baixa sensibilidade. Algumas melhorias foram feitas na estrutura de micro-ponte para absorção de THz aprimorada, incluindo a integração de um filme fino metálico de combinação de impedância e uma antena sintonizada na frequência alvo [15,16,17,18]. No entanto, o filme fino metálico exibe absorção limitada (≤ 50%), enquanto a estrutura de micro-ponte acoplada a antena geralmente tem um pico de absorção estreito de onda THz. A fim de alcançar alta absorção de THz em uma ampla faixa de espectro, uma fina camada dielétrica e uma fina camada de metal podem ser adicionadas na superfície superior de um absorvedor de três camadas convencional [19]. O método de fase acoplada e forte resposta de acoplamento também podem melhorar a largura de banda de absorção ou realizar absorção multibanda [20,21,22,23]. No entanto, a maioria das estruturas não podem ser integradas nos pequenos pixels com estruturas de micro-ponte de matriz de microbolômetro THz sem sacrificar as propriedades térmicas e mecânicas.

Ressonador de anel dividido é uma estrutura amplamente estudada para manipular ondas eletromagnéticas por excitação de plasmon de superfície preso na estrutura periódica [24, 25]. Neste trabalho, com o objetivo de aumentar a absorção da matriz de microbolômetros THz, um anel dividido metálico com quatro aberturas é integrado à estrutura da microponte com tamanho pequeno de 35 μm × 35 μm. Para aumentar a largura de banda de absorção, as estruturas periódicas de ressonadores de anel dividido combinadas com outro anel dividido e um disco metálico são estudadas. A absorção de THz de banda larga é obtida pelo acoplamento dos picos de absorção de diferentes estruturas. A estrutura de anel duplo combinada com um disco de alumínio (Al) fornece uma absorção de onda THz de banda larga na faixa de 4-7 THz com a maior absorção de 90% e a menor absorção acima de 40%. O método acoplado por fase e a forte resposta de acoplamento também podem melhorar a largura de banda ou a realização da absorção multibanda.

Resultados e discussão

A matriz do microbolômetro THz é composta de muitos pixels de estrutura de micro-ponte em arranjo bidimensional repetido no plano focal. Cada pixel mede a radiação THz independentemente. A estrutura de micro-ponte é mostrada na Fig. 1a, que consiste em um filme multicamadas sensível e duas pernas suportando o filme. O filme multicamadas inclui uma camada de suporte de 250 nm (nitreto de silício, Si ₃ N ₄ ), um filme termossensível de 60 nm (óxido de vanádio, VO _x ), uma camada de passivação de 150 nm (Si ₃ N ₄ ) e uma camada de absorção de onda THz (Al) de baixo para cima. As pernas são utilizadas para suporte mecânico, canais elétricos e térmicos. VO _x o filme é conectado através das pernas com os eletrodos do circuito de leitura (ROIC) integrados ao substrato de silício (Si). Onda THz absorvida pela camada de absorção causa uma mudança de temperatura do filme multicamadas e uma mudança de resistência de VO _x filme que é detectado pelo ROIC. Uma cavidade de 2 μm de altura para isolamento térmico é formada entre a camada reflexiva (Al) com uma espessura de 400 nm no substrato de Si e o filme multicamadas sensível. Neste artigo, o anel dividido com quatro aberturas, conforme mostrado na Fig. 1b, é integrado à estrutura de micro-ponte como a camada de absorção de THz. A fim de aumentar a largura de banda de absorção de THz, estrutura de anel duplo como mostrado na Fig. 1c, um anel dividido combinado com um disco de Al como mostrado na Fig. 1d e estrutura de anel duplo combinada com um disco de Al como mostrado na Fig. 1e também são estudados.

Projeto de estrutura de micro-ponte acoplada a ressonadores de anel dividido. a Vista em corte da estrutura da micro-ponte. b Split-ring com quatro aberturas. c Estrutura de anel duplo. d Um anel dividido combinado com um disco de Al. e Estrutura de anel duplo combinada com um disco de Al. f Uma única célula unitária de matriz de microbolômetro THz iluminada por luz incidente vertical

A Figura 2a mostra a absorção da onda THz de estruturas de anel dividido periódicas com diferentes larguras de abertura ( s ) Os anéis divididos têm um raio externo de 15 μm, um raio interno de 10 μm e uma espessura de 10 nm. Quando a largura de abertura dos anéis divididos é 1 μm, 2 μm, 4 μm e 6 μm, a frequência de absorção de ressonância é 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz e 7,1 THz, respectivamente. O pico de absorção de cada estrutura é de cerca de 100%. Com o aumento da largura da abertura, a frequência de absorção de ressonância aumenta. As aberturas do anel dividido podem ser consideradas como capacitância equivalente ( C ), enquanto a parte do anel metálico do anel dividido pode ser considerada como indutância equivalente ( L ) e a frequência de ressonância (\ (\ omega \)) pode ser expressa como \ (\ omega =\ frac {1} {\ sqrt {LC}} \). O aumento da largura de abertura resulta na redução da capacitância equivalente e no aumento da frequência de ressonância. Portanto, a absorção de alta ressonância em uma frequência mais baixa pode ser alcançada com uma largura de abertura menor do anel dividido. A Figura 2b mostra a absorção da onda THz de estruturas de anel dividido periódicas com diferentes larguras de anel ( d ) Os anéis divididos têm um raio externo de 15 μm, uma largura de abertura de 2 μm e uma espessura de 10 nm. Pode-se observar que com a diminuição da largura do anel, a frequência de absorção da ressonância e o pico de absorção diminuem. O pico de absorção atinge 100% a 5,7 THz e 97% a 5,3 THz com uma largura de anel de 5 μm e 3 μm, respectivamente. Quando a largura do anel é de 1 μm, a frequência de absorção de ressonância é 5 THz e o pico de absorção diminui para 60%. A diminuição da frequência de absorção da ressonância é atribuída ao aumento da indutância equivalente à medida que a largura do anel diminui.

a Absorção de onda THz de estruturas de anel dividido periódicas com diferentes larguras de abertura ( s ) Os anéis divididos têm um raio externo de 15 μm, um raio interno de 10 μm e uma espessura de 10 nm. b Absorção de onda THz de estruturas periódicas de anel dividido com diferentes larguras de anel ( d ) Os anéis divididos têm um raio externo de 15 μm, uma largura de abertura de 2 μm e uma espessura de 10 nm

A estrutura de anel dividido periódico pode fornecer alta absorção de onda THz na frequência de ressonância. No entanto, o pico de absorção é estreito. A fim de aumentar a largura de banda de absorção, estruturas periódicas de várias combinações diferentes de anel dividido e disco de Al são integradas em arranjos de estrutura de micro-ponte. A Figura 3a mostra a absorção da onda THz de estruturas periódicas de anel duplo com raio externo diferente do anel dividido interno ( r _i ) A estrutura de anel duplo tem uma largura de abertura de 2 μm e uma espessura de 10 nm. O raio externo do anel bipartido externo é de 17 μm e a largura de ambos os anéis bipartidos é de 2 μm. As estruturas de anel duplo têm dois picos de absorção. À medida que o raio externo do anel dividido interno aumenta de 11 para 13 μm, uma frequência de absorção de ressonância permanece inalterada em 3,3 THz, enquanto a outra frequência de absorção de ressonância diminui de 5,1 para 4,3 THz. Os picos de absorção na frequência mais baixa e na frequência mais alta são, respectivamente, contribuídos pelo anel dividido externo e pelo anel dividido interno. Conforme os dois anéis divididos se aproximam, os dois picos de absorção são acoplados um ao outro e formam uma banda de absorção mais ampla. No entanto, esta estrutura exibe uma absorção relativamente baixa de 25–55% na banda de absorção de 3,2–5,2 THz.

a Absorção de onda THz de estruturas periódicas de anel duplo com diferentes raios externos do anel dividido interno ( r _i ) As estruturas de anel duplo têm uma largura de abertura de 2 μm e uma espessura de 10 nm. O raio externo do anel bipartido externo é de 17 μm e a largura de ambos os anéis bipartidos é de 2 μm. b Absorção da onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de um anel dividido e um disco de Al com diferentes raios do disco ( r _d ) As estruturas periódicas têm espessura de 10 nm. O anel dividido tem um raio externo de 17 μm, uma largura de anel de 2 μm e uma largura de abertura de 2 μm. c Absorção da onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al com raios diferentes do disco ( r _d ) As estruturas periódicas têm espessura de 10 nm. Os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 14 μm, respectivamente

Absorção da onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de um anel dividido e um disco de Al com diferentes raios do disco ( r _d ) é mostrado na Fig. 3b. As estruturas periódicas têm espessura de 10 nm. O anel dividido tem um raio externo de 17 μm, uma largura de anel de 2 μm e uma largura de abertura de 2 μm. As estruturas periódicas têm dois picos de absorção. Um dos picos de absorção está localizado próximo a 4,3 THz, o que não muda com o raio do disco de Al. Com o aumento do raio do disco de 6 para 12 μm, o outro pico de absorção na frequência mais alta se move em direção à direção da frequência mais baixa e a mudança no pico de absorção não é significativa. O pico de absorção próximo a 4,3 THz é contribuído pelo anel dividido, enquanto o pico de absorção em frequência mais alta, movendo-se com a mudança da estrutura do disco, é contribuído pelo disco de Al. Quando o raio do disco é de 12 μm, uma absorção de banda larga é obtida com uma largura de cerca de 2 THz. A Figura 3c mostra a absorção da onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al com raios diferentes do disco ( r _d ) As estruturas periódicas têm espessura de 10 nm. Os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 14 μm, respectivamente. A frequência de absorção de ressonância é em torno de 4,2 THz para o anel dividido externo e entre 5,5 e 6 THz para o anel dividido interno. Quando o raio do disco de Al é de 7 μm, o pico de absorção de ressonância está em 8,2 THz. Quando o raio do disco é de 9 μm, seu pico de absorção se move para 6,5 THz e acopla-se ao pico de absorção do anel dividido interno. A estrutura periódica de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al fornece uma absorção de banda larga em 4-7 THz. A maior absorção na faixa chega a 90% e a menor absorção é superior a 40%.

A Figura 4 mostra a distribuição da densidade de energia do campo elétrico, densidade da energia do campo magnético e perda de potência na estrutura de anel duplo periódica combinada com um disco de Al em diferentes frequências de absorção de ressonância. A estrutura periódica possui espessura de 10 nm. Os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 14 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 9 μm. Conforme mostrado na Fig. 3c, essa estrutura periódica tem quatro picos de absorção nas frequências de 4,28 THz, 5,74 THz, 6,5 THz e 8,5 THz. A distribuição da densidade de energia do campo elétrico, densidade da energia do campo magnético e perda de potência nas quatro frequências de absorção de ressonância mostra as principais áreas de absorção da onda THz na estrutura. Pode-se observar que o anel bipartido externo, o anel bipartido interno e o disco contribuem principalmente para a absorção da ressonância em 4,28 THz, 5,74 THz e 6,5 THz, respectivamente. Isso apóia a análise anterior dos picos de absorção. O pico de baixa absorção em 8,5 THz é atribuído ao acoplamento de estruturas periódicas. A Figura 4d mostra a vista em corte da distribuição da densidade do campo elétrico na estrutura de anel duplo periódica combinada com um disco de Al em frequências de absorção de ressonância de 5,74 THz e 6,5 THz. Um forte campo elétrico pode ser observado na camada de metal e na camada dielétrica. A absorção é atribuída principalmente à perda ôhmica na camada de metal e perda dielétrica na camada dielétrica. A maior parte da absorção ocorre na camada de suporte e pode ser transformada em aumento de temperatura do VO _x filme fino.

Vista superior da distribuição da densidade do campo elétrico ( a ), distribuição de densidade de campo magnético ( b ), perda de energia ( c ) e vista em corte da distribuição da densidade do campo elétrico ( d ) na estrutura periódica de dois anéis divididos combinados com um disco de Al em diferentes frequências de absorção de ressonância. A estrutura periódica possui espessura de 10 nm. Os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 14 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 9 μm

Absorção de onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al com diferentes espessuras ( t ) é mostrado na Fig. 5. Nas estruturas periódicas da Fig. 5a, os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 1 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 15 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 13 μm. A distância entre estruturas adjacentes é de 1 μm. Os picos de absorção de diferentes estruturas são acoplados e formam uma ampla banda de absorção. Conforme a espessura da camada de absorção aumenta, a largura de banda de absorção torna-se mais estreita. Porém, quando a espessura é maior que 30 nm, a característica de absorção da estrutura periódica não muda significativamente, mostrando uma absorção relativamente estável. Nas estruturas periódicas da Fig. 5b, os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 13 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 9 μm. A distância entre estruturas adjacentes é de 2 μm. Quando a espessura da camada de absorção é de 10 nm, esta estrutura periódica fornece uma absorção de banda larga em 4–7 THz com uma absorção de onda THz de 40–90% na banda. À medida que a espessura aumenta, a banda de absorção gradualmente se torna dois picos de absorção independentes. Embora o pico de absorção seja muito alto, é difícil formar uma ampla banda de absorção da onda THz.

Absorção de onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al com diferentes espessuras ( t ) a Dois anéis divididos têm uma largura de anel de 1 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 15 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 13 μm. b Dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 13 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 9 μm

A fim de investigar a propriedade de absorção sob iluminação de incidência oblíqua, absorção de onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al com diferentes ângulos de incidência de 0 ° (incidência normal), 10 °, 20 °, 40 °, 60 ° e 80 ° são simulados e mostrados na Fig. 6. Nas estruturas periódicas, os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 13 μm , respectivamente. O disco de Al tem raio de 9 µm e espessura de 10 nm. A distância entre estruturas adjacentes é de 2 μm. À medida que o ângulo de incidência aumenta, as duas frequências de absorção de pico se movem ligeiramente em direção à frequência mais baixa. Quando o ângulo de incidência é inferior a 30 °, a alteração da taxa de absorção de pico não é significativa. No entanto, a força de absorção diminuirá significativamente quando o ângulo de incidência for maior que 40 °.

Absorção da onda THz de estruturas periódicas de uma combinação de dois anéis divididos e um disco de Al com diferentes ângulos de incidência. Os dois anéis divididos têm uma largura de anel de 2 μm, uma largura de abertura de 2 μm e um raio externo de 17 μm e 13 μm, respectivamente. O disco de Al tem um raio de 9 μm e uma espessura de 10 nm

Conclusões

Estruturas periódicas baseadas em ressonadores de anel dividido de Al em matriz de micro-ponte com um tamanho de unidade de 35 μm × 35 μm são estudadas com o objetivo de melhorar a absorção da onda THz e aumentar a largura de banda de absorção dos microbolômetros THz. A frequência de absorção de ressonância de ressonadores de anel dividido é determinada pela largura da abertura e pela largura do anel. Estruturas periódicas com uma combinação de anéis divididos e disco de Al são integradas em arranjos de estrutura de micro-ponte. Ao acoplar os picos de absorção de diferentes estruturas, a largura de banda de absorção é efetivamente aumentada. A alta absorção da onda THz na faixa de frequência de 4–7 THz com absorção de 40–90% é alcançada pela estrutura periódica de anel duplo combinada com um disco. A estrutura atende aos requisitos de microbolômetros THz para tamanho de pixel pequeno, alta absorção e resposta de amplo espectro.

Métodos

Realizamos simulações numéricas de elementos finitos usando o CST Microwave Studio 2016. Simulamos uma única célula unitária cúbica de matriz de microbolômetro THz com um tamanho de 35 μm × 35 μm, conforme mostrado na Fig. 1f. O vetor de onda k propagado através do z direção com campo elétrico perfeito em x – z plano e campo magnético perfeito em y – z avião. Definimos as portas de entrada e saída nas faces superior e inferior da célula unitária cúbica, que são indicadas como porta “1” e porta “2”, respectivamente. A simulação produziu complexo dependente da frequência S parâmetros, a partir dos quais obtivemos a refletância R =| S ₁₁ | ² na porta “1” e transmitância T =| S ₂₁ | ² na porta “2” com condições de contorno periódicas (PBC) ao longo do x e y instruções. A absorção da estrutura periódica foi calculada via A =1 - | S ₁₁ | ² - | S ₂₁ | ² . Para as estruturas propostas na Fig. 1b-e, a camada de absorção de Al e a camada de reflexão foram modeladas usando o modelo Drude com uma frequência de plasma de \ ({\ omega} _ {p} =\) 92.700 cm ⁻¹ e uma frequência de espalhamento de \ ({\ omega} _ {\ tau} =\) 408 cm ⁻¹ [26]. A camada de suporte e passivação com uma espessura total de 400 nm foi modelada como Si ótico ₃ N ₄ filme com uma permissividade de dispersão do modelo de segunda ordem (ajuste) em CST e uma permeabilidade de 1. A cavidade foi modelada com uma permissividade de 1 e uma permeabilidade de 0 S / m.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados que sustentam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

THz:: Terahertz
IR:: Infravermelho
Al:: Alumínio
Si ₃ N ₄ :: Nitreto de silício
VO _x :: Óxido de vanádio
ROIC:: Circuito integrado de leitura
Si:: Silício
PBC:: Condições de limite periódicas

Papéis de ROS e parada do ciclo celular na genotoxicidade induzida pela nanoestrutura de núcleo de ouro nanorod / casca de prata Pontos de carbono N-dopados emissores multicoloridos derivados dos precursores do ácido ascórbico e da fenilenodiamina

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