为了实现对微量样品的传感检测,必须对THz波进行局域场增强,这不仅能减少待测物的样本量,还将大大提高THz波与物质相互作用的强度,从而提高传感灵敏度。为此,人们提出了许多新的器件结构和原理来实现THz传感器的局域场增强,例如光子晶体的带隙效应、等离子体谐振、光腔谐振以及超材料等。You等将待测物放置在THz等离子体阵列波导的上表面,利用局域在表面附近的SPP波完成了对待测物厚度和折射率的传感[9]。但是这种由金属、塑料微带构成的杂化结构制作非常困难,并且还需要对SPP波进行近场探测。而在结构制作和传输性质的测试方面,超材料结构具有独特的优势。通过合理地设计超材料结构的形状和参数,可以非常容易地在传感所需要的波段获得强烈的谐振场增强。同时,作为一种尺寸较小的二维平面结构,超材料还具有易于集成、便于放置待测物等优势,因此在THz传感领域得到了广泛的应用。
本小节介绍基于双开口谐振环结构的超材料对薄膜厚度进行传感的实验,在深入分析了器件传感机理的基础上,对超材料在THz薄膜传感方面的性能进行了研究。
本小节所使用的超材料为经典的双开口谐振环结构,其结构参数如图6.18(a)所示。器件的基底为厚度为500μm、电阻率为10 kΩ·cm的高阻硅,上层为200 nm厚的金属结构。THz波段的超材料结构尺寸位于微米量级,利用传统的光刻工艺即可以对其进行制备。超材料器件的加工与前文所述的硅刻蚀工艺略有不同,主要体现在显影之后的步骤上,这里对其进行简单的说明。
图6.18
(a)超材料器件的结构参数;(b)样品的显微照片[10]
(1)制作掩膜版。清洗基底材料,涂覆光刻胶,并用显影液进行显影,这些步骤和深硅刻蚀的工艺流程相同。(www.xing528.com)
(2)蒸镀金属。用热蒸镀的方法在光刻胶上表面蒸镀一层金属铜,要求其厚度大于两倍的趋肤深度,这里蒸镀的金属厚度为200 nm。由于光刻胶上有微结构,被溶解掉的光刻胶部分将露出硅表面,经热蒸发被直接蒸镀上金属,对于存在光刻胶的部分,金属将沉积在光刻胶上。
(3)剥离。由于微结构的上表面覆盖有金属层,采用浸泡剥离法将沉积在光刻胶上的金属剥离。剥离所用的溶液为丙酮溶液,它可以溶解光刻胶,同时一并带走光刻胶上的金属,而直接镀在硅表面上的金属结构将被保留,从而形成超材料。
(4)激光划片。最终得到的超材料样品如图6.18(b)所示。在进行传感实验之前,首先对超材料样品的传输性质进行研究,实验装置示意图如图6.19(a)所示。首先测试表面未覆盖PVA薄膜的超材料样品的传输谱,THz光束经过抛物面镜会聚后垂直入射样品表面,其光斑直径为4 mm,偏振方向为竖直方向。保持室温和干燥环境,在垂直于光束入射方向的平面内对样品进行旋转,可以测量其在不同偏振入射光下的传输谱线。
图6.19
(a)实验装置示意图;(b)裸超材料样品和覆盖三层PVA薄膜的样品照片[10]
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