太赫茲超材料仿真設計與制備研究

王晨陽，賀訓軍，姜久興，孫晨光

摘要：設計了一種在近紅外太赫茲波段產生電磁響應的超材料器件，該器件單元結構是由全對稱的金屬四開口諧振環與本征硅襯底組成。通過仿真模擬設計出合理的結構與尺寸的金屬諧振環，達到想要的諧振效果。分析了表面電場強度與表面電流流向，以便了解電磁響應機理。通過光刻剝離工藝制備出四開口超材料諧振環，并基于光泵浦探測系統研究了太赫茲光譜透射實驗樣品后的光頻譜響應特征。結果表明：當入射的太赫茲波電場矢量電場與超材料襯底同一條邊平行或垂直時，太赫茲都在1THz附近，且響應特征相似。這說明了該全對稱結構對于入射太赫茲波的極化并不敏感。此設計在隱身技術、光電器件、傳感器和寬帶通信等領域具有潛在的應用前景。

關鍵詞：超材料;光刻;太赫茲;極化

DOI：10.15938/j.jhust.2022.01.015

中圖分類號： TB34? ? ? ? ?文獻標志碼： A? ? ? ? ? ?文章編號： 1007-2683（2022）01-0115-06

Simulation Design and Fabrication of Terahertz Metamaterials

WANG Chenyang，HE Xunjun，JIANG Jiuxing，SUN Chenguang

（School of Sciences， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：We have designed a metamaterial device which can generate electromagnetic response in nearinfrared terahertz band. The device unit structure is composed of a fully symmetrical metal four split resonant ring and an intrinsic silicon substrate. The reasonable structure and size of metal resonant ring are designed by simulation to achieve the desired resonance effect. In order to understand the electromagnetic response mechanism， the surface electric field strength and the surface current direction were analyzed. We have fabricated a four-opening metamaterial resonant ring by photolithography， and studied the electromagnetic response characteristics of terahertz transmission samples by optical pumping detection system. The results show that when the incident terahertz wave electric field vector field is parallel or perpendicular to the same edge of the metamaterial substrate， the terahertz is near 1thz， and the response characteristics are similar. This shows that the fully symmetric structure is not sensitive to the polarization of incident terahertz wave. Our design has potential applications in stealth technology， optoelectronic devices， sensors and broadband communications.

Keywords：metamaterials; photolithography; terahertz; polarization

0引言

近幾年來的科研中，許多學者都致力于太赫茲電磁波領域的研究。由于其特有的電磁特性，太赫茲在未來通訊領域、醫療領域、安檢領域等有著非常重要的科研意義，并且對生產有著非常重要的應用價值[1]。由于太赫茲所處頻段，在科研領域稱之為“太赫茲空隙”。隨著近些年超短脈沖激光的發展，太赫茲脈沖輻射研究逐漸成熟，這對于研究太赫茲電磁效應提供了很大的幫助[2]。然而自然界中對太赫茲脈沖響應的天然物質很少，而超材料對于太赫茲卻有很強的電磁響應能力。超材料是一種人工設計的亞波長復合結構，由于其負折射率與磁導率等特性得到廣泛關注[3]。大多超材料由金屬開口諧振環（SSR）單元和襯底組成，所以金屬開口諧振環成為研究超材料的主要模型。新加坡南洋理工大學課題組設計出一種鏡像的TARs（非對稱的金屬諧振器陣列），研究了其非對稱性下產生的Fano共振的特性，但是該器件對于入射波的極化方向有局限性[4]。山東科技大學課題組研究出一種基于石墨烯寬帶超材料吸收器，該吸收器對于不同偏振角度的入射波并不敏感，在較寬頻帶的吸波特性相似，該課題組只是做了仿真模擬實驗，并沒有做出實驗測試樣品[5]。

設計了一個全對稱的四開口圓形金屬諧振環，通過仿真研究其太赫茲透射的電磁特性，并利用liftoff光刻剝離工藝制備出實驗樣品進行實驗測試。結果表明：當太赫茲電磁波的電場矢量平行于或垂直于同一條超材料襯底邊時，太赫茲透射過超材料樣品的電磁響應沒有明顯變化，這種全對稱結構對于電磁極化并不敏感[6]。

1實驗

1.1仿真設計研究

圖1為本文設計的基于硅底的四開口圓形金屬諧振環周期結構。襯底為高阻硅材料，厚度為500μm，頂層的開口金屬環為金材料，厚度為0.2μm。

由于入射電磁場的影響，頂層金屬諧振環會在金屬臂產生持續振蕩的電流。在這里，可以將金屬諧振環看做是LC的諧振電路，金屬開口處可以看做是電容，金屬臂可以看做是電感。諧振頻率公式可表示為：

ω0=12πLC（1）

式中：w0為金屬環諧振頻率;L為等效電感;C為等效電容。

C為金屬開口處等效電容，L為金屬臂的等效電感。可以通過設計不同結構參數去改變超材料的本征諧振頻率。該四開口圓形金屬諧振環結構為全對稱結構，這個結構對于入射電磁場的極化并不敏感[7]。如圖2所示，圓圈散點曲線為入射電磁波電場極化方向為0°時，太赫茲透射樣品后的傳輸曲線;三角散點曲線為入射電磁波電場極化方向為90°時，太赫茲透射樣品后的傳輸曲線。從圖中可以看出，當電場極化方向在0°的TE波入射時，諧振頻率在1THz附近，當電場極化方向在90°的TM波入射時，諧振頻率在1THz附近。兩種極化方向垂直的電磁波會產生相同的諧振效應，這說明了該金屬諧振器結構對于這兩種垂直的極化方向并不敏感[8]。結果表明，該全對稱諧振器可以在入射波相互垂直兩種極化方向，產生相同的諧振效應。

在諧振峰1.05THz出監測了金屬諧振環的電場強度分布，如圖3所示，當TE波入射時，電場極化方向在0°，金屬表面電荷由于入射電磁場的影響，沿著橫向金屬臂運動，產生了沿橫向金屬臂的振蕩電流。金屬表面電荷在金屬開口處聚集，在金屬開口處形成等效電容[9]。當TM波入射時，電場極化方向90°，表面電荷沿縱向金屬臂運動，產生沿縱向金屬臂的振蕩電流。金屬表面電荷在金屬開口處聚集，在四個開口處形成等效電容。由于該結構的全對稱性，對于TE波和TM波的極化方式并不敏感，產生了相同的諧振效應。

1.2制備工藝

采用剝離性光刻工藝去制備超材料樣品[10]。由于超材料樣品要進行太赫茲性能測試，我們需要使用本征高阻硅片作為襯底。將高阻硅片切成2cm×2cm的正方形硅片。使用無水乙醇將硅片表面油脂殘留物擦拭去除，分別使用丙酮，無水酒精，去離子水超聲清洗10min。丙酮將硅片表面附著殘留的有機物超聲震蕩去除，酒精和去離子水分別去除表面上一步清洗殘留的丙酮與無水乙醇。將超聲清洗過的高阻硅片用鑷子取出，并用等離子水沖洗，充分去除硅片表面殘留的雜質。由于用加熱板直接將硅片表面蒸干，會有水印留在硅片上，所以在沖洗完畢后，使用鼓風球將表面殘留的去離子水吹出硅片表面。

將清洗好的硅片放入等離子清洗機，在硅片表面進行充分打氧，目的是為了增強硅片表面的液體流動性。在接下來的勻膠的過程中，旋涂出更加均勻致密的薄膜。圖4為超聲清洗機與等離子刻蝕機。

在這里，使用負性光刻膠SUNlift1303，該光刻膠具有較高的分辨率、對比度、寬容度等特性，最高分辨率可達2μm。旋涂曲線如圖5所示。實驗過程中使用了三段轉速分別為500r/min、4000r/min、500r/min，理想狀態下光刻膠的膜厚為2.36μm[11]。首先，將硅片放入100℃的加熱板上進行預烘處理，又稱脫水烘焙。由于光刻膠是疏水性質，為了增強光刻膠的附著力，需要將硅片表面的水分蒸干。將脫水烘焙后的硅片放上轉臺，利用真空泵，通過大氣壓將硅片壓在轉臺上，涂膠的時候可以采用2種方法，第一種為在旋涂前將光刻膠緩慢滴至表面均勻，第二種為在達到一定轉速時，將光刻膠滴至硅片上。這里我們采用第一種甩膠方法。使用針管將光刻膠緩慢抽出，在抽取光刻膠的過程中，不能抽取過快，否則容易進入空氣。這樣在滴膠的過程會引入氣泡，氣泡的作用與雜質微粒相似，會形成光刻膠的表面缺陷。滴膠的過程中，需要均勻滴入光刻膠，從中心向周圍緩慢滴下，并靜置1～2min，使得光刻膠在表面擴散均勻。光刻膠的膜厚與勻膠轉速和光刻膠本身黏著性有很大關系，當轉速越快時，光刻膠旋轉出的薄膜更加均勻致密，但是如果轉速過高，容易使得硅片中心不穩，造成硅片甩出的情況[12]。由于沒有前烘的光刻膠還具有一定的黏性，容易黏附空氣中的微粒，所以所有的實驗操作都是在超凈的環境下進行[13]。

勻膠結束后，將涂好光刻膠的硅片放在加熱板上進行前烘處理，前烘又稱軟烤。在本文實驗中，采用的前烘溫度為110℃，前烘時間為90s。光刻膠中的溶劑占60%～80%，旋涂過后，雖然光刻膠成為固態薄膜，但是光刻膠中的溶劑還會剩10%～30%[14]。所以前烘作用是將光刻膠的溶劑揮發處理，并使得光刻膠的黏性降低，不易附著灰塵中微粒，并且不會在接下來的光刻中，出現黏附在掩模板上的情況。顯影速度受到光刻膠中溶劑含量的影響，如果光刻膠中溶劑含量比較高，顯影時光刻膠的溶解速度就比較快。若前烘處理不好，則會導致曝光區域和非曝光區域都會被溶解。前烘溫度過低，光刻膠中含有較多溶劑，導致曝光精確度不夠。前烘溫度過高，黏附性降低，并且感光劑會發生反應，在曝光時光刻膠的敏感度降低[15]。因此，前烘是光刻工藝中比較重要的環節。在本文實驗中，采用的前烘溫度為110℃，前烘時間為90s。

前烘完成后，進行10s曝光，實驗中使用的光刻機曝光功率在8～12mW/cm2，所以曝光能量在80～120mJ/cm2。掩模版有圖形的區域將不會受到光照，由于采用的是負性光刻膠，曝光區域的光刻膠不會溶于顯影液，而非曝光區域將會溶于顯影液[16]。需要注意的是曝光能量過高會影響圖形的轉移，曝光能量過低不能達到閾值曝光能量，無法轉移圖形。曝光過后需要進行后烘，又稱曝光后烘焙[17]。后烘目的是使得曝光區域充分發生反應，在顯影過程中得到更清楚的圖形。本實驗采用后烘溫度為110℃，后烘時間為90s。后烘結束后，靜置2min，然后將硅片放入顯影液中浸泡60s取出，在等離子水中上下晃動10s，去除硅片表面殘留的顯影液[18]。從等離子水中取出后，用鼓風球快速吹去硅片表面的等離子水，否則會留下水印。需要注意的是，在顯影的浸泡過程中不能晃動硅片，否則會加快顯影速度，控制不好顯影的時間，導致光刻圖形變大，不能精確轉移圖形。

將顯影過后的硅片放入等離子清洗機中進行打氧，目的是為了去除硅片圖形處沒有被顯影液去除的薄的一層光刻膠。打氧完畢后，將硅片用蒸鍍機在硅片表面蒸上一層0.2μm左右的金，放入丙酮中浸泡1～2h，換二次丙酮并用超聲清洗機振蕩10min，然后換乙醇振蕩10min，最后用去離子水清洗表面，剝離掉蒸金后圖形以外的光刻膠，留下原本圖形處的金屬[19]。圖7為光學顯微鏡下鍍金前后的對比圖。

1.3光泵浦探測系統測試

圖8為光泵浦探測系統示意圖。采用光泵浦探測系統測試，入射信號分別為采樣信號、泵浦信號、激發THz信號。泵浦信號先入射激發測試樣品，Δt后，入射用于激發THz波的信號，在信號通過發射器后，產生THz脈沖信號，入射到樣品上，通過采樣信號，對透射過后的THz波信號在鎖相放大器內進行記錄[20]。

如圖9（a）所示，對裸高阻硅襯底進行光泵浦探測系統測試，發現THz信號在1～2.5THz范圍內沒有產生諧振，透射能量在0.6附近。如圖9（b）對于沉積金屬諧振環的高阻硅襯底進行光泵浦激發，發現透射的THz信號在1.0THz處產生諧振峰，并對電場極化垂直的TE波與TM波進行探測，發現兩種極化方式不同的THz信號產生了在1THz相同的諧振。所以可以知道，人工設計的金屬諧振環可以對THz信號產生諧振的電磁響應，而且本文設計的全對稱四開口金屬諧振環結構對于TE波與TM波的極化影響并不敏感，會產生相同的電磁效應。而非對稱的金屬諧振結構入射電磁場的角度非常敏感，不同極化的角度會產生不同的電磁諧振。這對THZ濾波器件的研究有很大的推進作用。

2結論

綜上所述，我們提出一種全對稱的太赫茲超材料器件，并且仿真模擬研究了不同極化電場下的TE波與TM波，通過該樣品時產生的透射曲線諧振都在1THz附近，這是由于設計金屬諧振環具有全對稱性的特點，表明該器件對于不同偏振角度入射的THz信號并不敏感。通過liftoff光刻剝離光刻工藝制備出了超材料樣品，該工藝下圖形轉移準確，工藝簡便。基于光泵浦太赫茲探測系統，對實驗樣品進行了測試。對比裸硅襯底，通過實驗證明超材料可以對THz信號產生電磁響應，透射峰的諧振也是產生在1THz附近，實驗測試結果與仿真結果基本吻合。這對于太赫茲調制器件發展具有很大的推進作用。設計的諧振器在微波領域會有許多潛在的應用，例如光電器件、寬帶通信、傳感器和隱形技術等。

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（編輯：溫澤宇）