一種設(shè)計(jì)和制備無(wú)襯底Au/SiNx/Au超構(gòu)薄膜作為MFPA的太赫茲吸收體的方法

太赫茲技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注，其優(yōu)勢(shì)包括太赫茲波可穿透非偏振物體的強(qiáng)大能力，以及太赫茲光譜區(qū)域可表征眾多材料和分子的特征吸收帶。另外，太赫茲波對(duì)被探測(cè)人員和物體的傷害較小。與X射線(xiàn)等傳統(tǒng)探測(cè)方法相比，這一特點(diǎn)使太赫茲技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，太赫茲探測(cè)器還通常用于探測(cè)隱蔽物體以及無(wú)創(chuàng)醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用。而缺乏靈敏的太赫茲探測(cè)器是阻礙太赫茲技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。

超構(gòu)材料（Metamaterials）是由亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)（如超構(gòu)原子）組成的人工復(fù)合材料，具有可調(diào)整的電磁（EM）特性。超構(gòu)材料吸收體在眾多電磁波譜中都顯示出了巨大的應(yīng)用潛力，因?yàn)樗鼈兛梢哉{(diào)整頻率相關(guān)的吸收特性。特別是在太赫茲區(qū)域，通過(guò)調(diào)整材料的長(zhǎng)度、厚度及空間等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以顯著增強(qiáng)太赫茲能量的信號(hào)檢測(cè)。因此，超構(gòu)材料為解決上述問(wèn)題提供了極具前景的平臺(tái)。

將超構(gòu)薄膜吸收體與雙材料懸臂梁相結(jié)合，可以增強(qiáng)對(duì)太赫茲能量的吸收，并可將所吸收的能量轉(zhuǎn)化為生物材料懸臂梁的形變。該探測(cè)單元可排成陣列從而形成超構(gòu)材料焦平面陣列（MFPA），當(dāng)與光學(xué)讀出系統(tǒng)結(jié)合后，該陣列可用于太赫茲實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，北京理工大學(xué)趙清教授課題組在IEEE Photonics Journal發(fā)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(xué)、北京量子信息科學(xué)研究院趙清教授，主要從事量子物理與數(shù)學(xué)、信息科學(xué)的交叉研究工作。

這項(xiàng)研究論文報(bào)道了一種設(shè)計(jì)和制備無(wú)襯底Au/SiNx/Au超構(gòu)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(shù)來(lái)研究其吸收特性。另外，研究人員利用MEMS技術(shù)制備了無(wú)襯底結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還采用太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）系統(tǒng)測(cè)量了MFPA頻率相關(guān)的吸收特性。研究結(jié)果表明，該Au/SiNx/Au超構(gòu)薄膜設(shè)計(jì)可以提高吸收率并實(shí)現(xiàn)頻率選擇。另外，該超構(gòu)薄膜在光學(xué)讀出太赫茲實(shí)時(shí)成像、雙波長(zhǎng)分光光度法和多功能器件中具有潛在的傳感應(yīng)用價(jià)值。

（a）MFPA像素結(jié)構(gòu)的俯視圖；（b）MFPA像素結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。

該器件中的像素結(jié)構(gòu)由兩個(gè)懸臂梁和一個(gè)Au/SiNx/Au超構(gòu)薄膜吸收體組成，如上圖所示。像素結(jié)構(gòu)尺寸為150 μm × 150 μm。其懸臂梁是兩個(gè)折疊的SiNx/Au基生物材料梁，懸臂梁寬度為2.5 μm。超構(gòu)薄膜吸收體由六個(gè)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(jié)構(gòu)；加固物可以提高吸收體強(qiáng)度。在像素結(jié)構(gòu)的橫截面視圖中，從下到上共有四層結(jié)構(gòu)：第一層為SiNx層，用作結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。吸收體采用了金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)。

（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(jié)構(gòu)的SEM圖；（d）MFPA像素結(jié)構(gòu)的3D形貌。

用于測(cè)量反射率和透過(guò)率的THz-TDS原理圖

這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)并制備了一種集成了Au/SiNx/Au超構(gòu)薄膜吸收體陣列和雙材料懸臂梁的100 x 100太赫茲M(mǎn)FPA，并對(duì)其進(jìn)行了表征和理論模擬。該MFPA像素尺寸為150 μm × 150 μm，具有無(wú)襯底結(jié)構(gòu)。利用THz-TDS進(jìn)行測(cè)量，具有極高的吸收率。測(cè)量結(jié)果顯示，研究中制備的MFPA在1.36THz處可達(dá)到98.7%的諧振吸收率，與理論結(jié)果一致。通過(guò)模擬研究，采用修正的光致發(fā)光（PL）強(qiáng)度模型和非對(duì)稱(chēng)Asym2sig模型來(lái)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(guān)系。研究結(jié)果表明，該無(wú)襯底太赫茲M(mǎn)FPA及其分析方法可廣泛應(yīng)用于太赫茲技術(shù)中，如雙波長(zhǎng)分光光度法和太赫茲成像等。

這項(xiàng)研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（61874137，61306141）的支持。該研究第一作者為北京理工大學(xué)Zhigang Li。

論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9796544

審核編輯 ：李倩