Absorción de THz de banda ancha del conjunto de microbolómetros integrado con resonadores de anillo dividido

Diseño de estructura de micropuente acoplado a resonadores de anillo dividido. un Vista en sección de la estructura del micropuente. b Anillo partido con cuatro aberturas. c Estructura de doble anillo. d Un anillo partido combinado con un disco de Al. e Estructura de doble anillo combinada con un disco de Al. f Una celda unitaria única de matriz de microbolómetros THz iluminada por luz incidente vertical

La figura 2a muestra la absorción de ondas THz de estructuras periódicas de anillos divididos con diferentes anchos de apertura ( s ). Los anillos partidos tienen un radio exterior de 15 μm, un radio interior de 10 μm y un espesor de 10 nm. Cuando el ancho de apertura de los anillos partidos es de 1 μm, 2 μm, 4 μm y 6 μm, la frecuencia de absorción de resonancia es 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz y 7,1 THz, respectivamente. La absorción máxima de cada estructura es aproximadamente del 100%. Con el aumento del ancho de apertura, aumenta la frecuencia de absorción de resonancia. Las aberturas del anillo dividido se pueden considerar como capacitancia equivalente ( C ) mientras que la parte del anillo metálico del anillo dividido puede considerarse como inductancia equivalente ( L ) y la frecuencia de resonancia (\ (\ omega \)) se puede expresar como \ (\ omega =\ frac {1} {\ sqrt {LC}} \). El aumento del ancho de la abertura da como resultado la reducción de la capacitancia equivalente y el aumento de la frecuencia de resonancia. Por lo tanto, se puede lograr una alta absorción de resonancia a una frecuencia más baja con un ancho de apertura más pequeño del anillo dividido. La Figura 2b muestra la absorción de ondas THz de estructuras periódicas de anillos divididos con diferentes anchos de anillo ( d ). Los anillos partidos tienen un radio exterior de 15 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un espesor de 10 nm. Puede verse que con la disminución del ancho del anillo, la frecuencia de absorción de resonancia y la absorción máxima disminuyen. El pico de absorción alcanza el 100% a 5,7 THz y el 97% a 5,3 THz con un ancho de anillo de 5 μm y 3 μm, respectivamente. Cuando el ancho del anillo es de 1 μm, la frecuencia de absorción de resonancia es de 5 THz y la absorción máxima disminuye al 60%. La disminución de la frecuencia de absorción de resonancia se atribuye al aumento de la inductancia equivalente a medida que disminuye el ancho del anillo.

un Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de anillos divididos con diferentes anchos de apertura ( s ). Los anillos partidos tienen un radio exterior de 15 μm, un radio interior de 10 μm y un espesor de 10 nm. b Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de anillos divididos con diferentes anchos de anillo ( d ). Los anillos partidos tienen un radio exterior de 15 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un grosor de 10 nm

La estructura periódica de anillo dividido puede proporcionar una alta absorción de ondas de THz en la frecuencia de resonancia. Sin embargo, el pico de absorción es estrecho. Para aumentar el ancho de banda de absorción, las estructuras periódicas de varias combinaciones diferentes de anillo dividido y disco de Al se integran en matrices de estructuras de micropuentes. La Figura 3a muestra la absorción de ondas THz de estructuras periódicas de anillo doble con diferentes radios externos del anillo dividido interno ( r _i ). La estructura de doble anillo tiene un ancho de apertura de 2 μm y un grosor de 10 nm. El radio exterior del anillo partido exterior es de 17 μm y el ancho de ambos anillos partidos es de 2 μm. Las estructuras de doble anillo tienen dos picos de absorción. A medida que el radio exterior del anillo dividido interior aumenta de 11 a 13 μm, una frecuencia de absorción de resonancia se mantiene sin cambios en 3,3 THz mientras que la otra frecuencia de absorción de resonancia disminuye de 5,1 a 4,3 THz. Los picos de absorción a frecuencias más bajas y más altas son contribuidos, respectivamente, por el anillo dividido externo y el anillo dividido interno. A medida que los dos anillos partidos se acercan, los dos picos de absorción se acoplan entre sí y forman una banda de absorción más ancha. Sin embargo, esta estructura exhibe una absorción relativamente baja de 25 a 55% en la banda de absorción de 3,2 a 5,2 THz.

un Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de anillo doble con diferentes radios externos del anillo dividido interno ( r _i ). Las estructuras de doble anillo tienen un ancho de apertura de 2 μm y un espesor de 10 nm. El radio exterior del anillo partido exterior es de 17 μm y el ancho de ambos anillos partidos es de 2 μm. b Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de un anillo dividido y un disco de Al con diferentes radios del disco ( r _d ). Las estructuras periódicas tienen un espesor de 10 nm. El anillo partido tiene un radio exterior de 17 μm, un ancho de anillo de 2 μm y un ancho de apertura de 2 μm. c Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de dos anillos divididos y un disco de Al con diferentes radios del disco ( r _d ). Las estructuras periódicas tienen un espesor de 10 nm. Los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 14 μm, respectivamente

Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de un anillo dividido y un disco de Al con diferentes radios del disco ( r _d ) se muestra en la Fig. 3b. Las estructuras periódicas tienen un espesor de 10 nm. El anillo partido tiene un radio exterior de 17 μm, un ancho de anillo de 2 μm y un ancho de apertura de 2 μm. Las estructuras periódicas tienen dos picos de absorción. Uno de los picos de absorción se encuentra cerca de 4,3 THz, que no cambia con el radio del disco de Al. Con el aumento del radio del disco de 6 a 12 μm, el otro pico de absorción a mayor frecuencia se mueve hacia la dirección de menor frecuencia y el cambio de pico de absorción no es significativo. El pico de absorción cercano a 4,3 THz lo aporta el anillo dividido, mientras que el pico de absorción a una frecuencia más alta que se mueve con el cambio de estructura del disco lo aporta el disco de Al. Cuando el radio del disco es de 12 μm, se obtiene una absorción de banda ancha con un ancho de aproximadamente 2 THz. La Figura 3c muestra la absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de dos anillos divididos y un disco de Al con diferentes radios del disco ( r _d ). Las estructuras periódicas tienen un espesor de 10 nm. Los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 14 μm, respectivamente. La frecuencia de absorción de resonancia es de alrededor de 4,2 THz para el anillo dividido exterior y entre 5,5 y 6 THz para el anillo partido interior. Cuando el radio del disco de Al es de 7 μm, el pico de absorción de resonancia es de 8,2 THz. Cuando el radio del disco es de 9 μm, su pico de absorción se mueve a 6,5 ​​THz y se acopla con el pico de absorción del anillo dividido interno. La estructura periódica de una combinación de dos anillos partidos y un disco de Al proporciona una absorción de banda ancha en 4-7 THz. La mayor absorción en la banda alcanza el 90% y la menor absorción es superior al 40%.

La Figura 4 muestra la distribución de la densidad de energía del campo eléctrico, la densidad de energía del campo magnético y la pérdida de potencia en la estructura periódica de doble anillo combinada con un disco de Al a diferentes frecuencias de absorción de resonancia. La estructura periódica tiene un espesor de 10 nm. Los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 14 μm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 9 μm. Como se muestra en la Fig. 3c, esta estructura periódica tiene cuatro picos de absorción a las frecuencias de 4,28 THz, 5,74 THz, 6,5 THz y 8,5 THz. La distribución de la densidad de energía del campo eléctrico, la densidad de energía del campo magnético y la pérdida de potencia en las cuatro frecuencias de absorción de resonancia muestra las principales áreas de absorción de la onda THz en la estructura. Puede verse que el anillo partido exterior, el anillo partido interior y el disco contribuyen principalmente a la absorción de resonancia a 4,28 THz, 5,74 THz y 6,5 THz, respectivamente. Esto apoya el análisis previo de los picos de absorción. El pico de baja absorción a 8,5 THz se atribuye al acoplamiento de estructuras periódicas. La Figura 4d muestra la vista en sección de la distribución de la densidad del campo eléctrico en la estructura periódica de doble anillo combinada con un disco de Al a frecuencias de absorción de resonancia de 5,74 THz y 6,5 THz. Se puede observar un fuerte campo eléctrico en la capa de metal y la capa dieléctrica. La absorción se atribuye principalmente a la pérdida óhmica en la capa de metal y la pérdida dieléctrica en la capa dieléctrica. La mayor parte de la absorción ocurre en la capa de soporte y puede transformarse en un aumento de temperatura del VO _x película fina.

Vista superior de la distribución de la densidad del campo eléctrico ( a ), distribución de la densidad del campo magnético ( b ), pérdida de energía ( c ) y vista en sección de la distribución de la densidad del campo eléctrico ( d ) en la estructura periódica de dos anillos divididos combinados con un disco de Al a diferentes frecuencias de absorción de resonancia. La estructura periódica tiene un espesor de 10 nm. Los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 14 μm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 9 μm

Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de dos anillos partidos y un disco de Al con diferentes espesores ( t ) se muestra en la Fig. 5. En las estructuras periódicas de la Fig. 5a, los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 1 µm, un ancho de apertura de 2 µm y un radio exterior de 17 µm y 15 µm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 13 μm. La distancia entre estructuras adyacentes es de 1 μm. Los picos de absorción de diferentes estructuras se acoplan y forman una banda de absorción ancha. A medida que aumenta el grosor de la capa de absorción, el ancho de banda de absorción se vuelve más estrecho. Sin embargo, cuando el espesor es superior a 30 nm, la característica de absorción de la estructura periódica no cambia significativamente, mostrando una absorción relativamente estable. En las estructuras periódicas de la Fig. 5b, los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 13 μm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 9 μm. La distancia entre estructuras adyacentes es de 2 μm. Cuando el espesor de la capa de absorción es de 10 nm, esta estructura periódica proporciona una absorción de banda ancha en 4-7 THz con una absorción de onda de THz del 40-90% en la banda. A medida que aumenta el espesor, la banda de absorción se convierte gradualmente en dos picos de absorción independientes. Aunque el pico de absorción es muy alto, es difícil formar una banda ancha de absorción de onda THz.

Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de dos anillos partidos y un disco de Al con diferentes espesores ( t ). un Dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 1 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 15 μm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 13 μm. b Dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 13 μm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 9 μm

Para investigar la propiedad de absorción bajo iluminación de incidencia oblicua, absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de dos anillos partidos y un disco de Al con diferentes ángulos de incidencia de 0 ° (incidencia normal), 10 °, 20 °, 40 °, 60 ° y 80 ° se simulan y se muestran en la Fig. 6. En las estructuras periódicas, los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 13 μm , respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 9 μm y un grosor de 10 nm. La distancia entre estructuras adyacentes es de 2 μm. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, las dos frecuencias máximas de absorción se mueven ligeramente hacia la dirección de frecuencia más baja. Cuando el ángulo de incidencia es inferior a 30 °, el cambio de la tasa de absorción máxima no es significativo. Sin embargo, la fuerza de absorción disminuirá significativamente cuando el ángulo de incidencia sea mayor de 40 °.

Absorción de ondas THz de estructuras periódicas de una combinación de dos anillos partidos y un disco de Al con diferentes ángulos de incidencia. Los dos anillos partidos tienen un ancho de anillo de 2 μm, un ancho de apertura de 2 μm y un radio exterior de 17 μm y 13 μm, respectivamente. El disco de Al tiene un radio de 9 μm y un grosor de 10 nm

Conclusiones

Se estudian estructuras periódicas basadas en resonadores de anillo dividido de Al en una matriz de estructura de micropuente con un tamaño unitario de 35 μm × 35 μm con el fin de mejorar la absorción de ondas de THz y aumentar el ancho de banda de absorción de los microbolómetros de THz. La frecuencia de absorción de resonancia de los resonadores de anillo dividido está determinada por el ancho de apertura y el ancho del anillo. Las estructuras periódicas con una combinación de anillos divididos y disco de Al se integran en matrices de estructuras de micropuentes. Al acoplar los picos de absorción de diferentes estructuras, el ancho de banda de absorción aumenta de manera efectiva. La alta absorción de ondas de THz en el rango de frecuencia de 4 a 7 THz con una absorción de 40 a 90% se logra mediante la estructura periódica de doble anillo combinada con un disco. La estructura cumple con los requisitos de los microbolómetros THz para tamaño de píxel pequeño, alta absorción y respuesta de amplio espectro.

Métodos

Realizamos simulaciones numéricas de elementos finitos utilizando CST Microwave Studio 2016. Simulamos una sola celda unitaria cúbica de una matriz de microbolómetros de THz con un tamaño de 35 μm × 35 μm, como se muestra en la Fig. 1f. El vector de onda k propagado a través de la z dirección con campo eléctrico perfecto en x – z plano y campo magnético perfecto en y – z avión. Configuramos los puertos de entrada y salida en las caras superior e inferior de la celda unitaria cúbica, que se indican como puerto "1" y puerto "2", respectivamente. La simulación produjo el complejo S dependiente de la frecuencia parámetros, de los cuales obtuvimos la reflectancia R =| S ₁₁ | ² en el puerto "1" y transmitancia T =| S ₂₁ | ² en el puerto "2" con condiciones de contorno periódicas (PBC) a lo largo de la x y y direcciones. La absorción de la estructura periódica se calculó mediante A =1 - | S ₁₁ | ² - | S ₂₁ | ² . Para las estructuras propuestas en la Fig. 1b-e, la capa de absorción de Al y la capa de reflexión se modelaron utilizando el modelo Drude con una frecuencia de plasma de \ ({\ omega} _ {p} =\) 92,700 cm ⁻¹ y una frecuencia de dispersión de \ ({\ omega} _ {\ tau} =\) 408 cm ⁻¹ [26]. La capa de soporte y pasivación con un espesor total de 400 nm se modeló como óptica Si ₃ N ₄ película con una permitividad de dispersión del modelo de segundo orden (ajuste) en CST y una permeabilidad de 1. La cavidad se modeló con una permitividad de 1 y una permeabilidad de 0 S / m.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen en el artículo.

Abreviaturas

THz:

Terahercios

IR:

Infrarrojos

Al:

Aluminio

Si ₃ N ₄ :

Nitruro de silicio

VO _x :

Óxido de vanadio

ROIC:

Circuito integrado de lectura

Si:

Silicio

PBC:

Condiciones de contorno periódicas

Roles de ROS y detención del ciclo celular en la genotoxicidad inducida por nanoestructura de núcleo de nanobarra de oro / capa de plata Puntos de carbono dopados con N emisores multicolores derivados del ácido ascórbico y precursores de fenilendiamina