圓環(huán)孔陣列超材料對(duì)熱釋電太赫茲探測(cè)器性能影響關(guān)系研究*

王楊濤 景蔚萱 韓楓 孟慶之 林啟敬 趙立波 蔣莊德

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

本文提出了新的基于圓環(huán)孔陣列超材料的鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測(cè)器,以提高0.1—1 THz 頻段太赫茲波探測(cè)性能.仿真分析了內(nèi)外徑、周期、厚度等特征參數(shù)對(duì)圓環(huán)孔陣列超材料太赫茲波透射帶寬及透射率的定量影響關(guān)系,闡明了圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器的不同結(jié)合方式對(duì)探測(cè)器的帶寬及噪聲等效功率的作用機(jī)理;制備了兩種圓環(huán)孔陣列超材料鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測(cè)器;測(cè)試了圓環(huán)孔陣列超材料的透射特性和兩類熱釋電探測(cè)器的噪聲等效功率.結(jié)果表明,所制備的圓環(huán)孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段透射率大于40%,實(shí)現(xiàn)了帶通濾波.當(dāng)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器保持足夠間距時(shí),在0.315 THz 點(diǎn)頻其噪聲等效功率為11.29 μW/Hz0.5,是帶通波段外0.1 THz 噪聲等效功率的6.3%,實(shí)現(xiàn)了帶通探測(cè);當(dāng)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器貼合時(shí),在0.315 THz 點(diǎn)頻其噪聲等效功率為4.64 μW/Hz0.5,是無(wú)圓環(huán)孔陣列超材料探測(cè)器噪聲等效功率的29.4 %,實(shí)現(xiàn)了窄帶探測(cè).上述結(jié)論可用于生物成像、大分子探測(cè)等領(lǐng)域中特定太赫茲波段的帶通與窄帶探測(cè).

1 引言

熱釋電太赫茲探測(cè)器具有體積小、價(jià)格低、寬頻帶響應(yīng)、易陣列化等優(yōu)勢(shì)[1-4],常被應(yīng)用于生物成像[5]、大分子測(cè)量[6]、無(wú)損檢測(cè)[7]等領(lǐng)域.一般地,熱釋電太赫茲探測(cè)器主要由吸收層、上電極、介質(zhì)層、下電極和絕熱層組成,其探測(cè)機(jī)理為吸收層將太赫茲波轉(zhuǎn)化為熱能,該熱能經(jīng)由上電極傳導(dǎo)至介質(zhì)層,從而產(chǎn)生熱釋電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)電學(xué)量的讀出.吸收層熱吸收效率、上電極和絕熱層導(dǎo)熱效率是影響熱釋電探測(cè)器探測(cè)帶寬與靈敏度的重要因素[8-10].吸收層(如碳納米管、石墨烯等)主要用于吸收電磁波并轉(zhuǎn)化為熱能,可調(diào)控探測(cè)器的探測(cè)帶寬.現(xiàn)有熱釋電太赫茲探測(cè)器的吸收層對(duì)紅外和高頻太赫茲波吸收率高,但對(duì)低頻太赫茲波(＜1 THz)的吸收率較差[11,12].超材料是一種人工設(shè)計(jì)的周期陣列結(jié)構(gòu)[13],可通過(guò)改變超材料的形狀、幾何尺寸及表面形貌等參量實(shí)現(xiàn)太赫茲波透射[14]、吸收[15]、衍射[16]、偏振[17]等電磁特性的調(diào)控.因此,將超材料引入熱釋電探測(cè)器來(lái)調(diào)控太赫茲波的吸收帶寬與吸收率,可進(jìn)一步提升超材料熱釋電探測(cè)器的探測(cè)性能.

目前超材料熱釋電探測(cè)器的研究主要聚焦于探索超材料與探測(cè)器的結(jié)合方式,以提升太赫茲波吸收率或抑制環(huán)境噪聲,進(jìn)而提高超材料探測(cè)器的探測(cè)性能.2016 年,Kuznetsov 等[18]將超薄方形窄帶超材料吸收器貼合在商用紅外熱釋電探測(cè)器上電極,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其對(duì)0.13—0.15 THz 太赫茲波的吸收增強(qiáng).2019 年,Liu 等[19]將納米結(jié)構(gòu)金屬膜涂在探測(cè)器吸收層上,通過(guò)抑制噪聲來(lái)提升信噪比,實(shí)現(xiàn)了熱釋電探測(cè)器在太赫茲波段的高靈敏探測(cè).2020 年,Zhang 等[8]設(shè)計(jì)了十字形波長(zhǎng)選擇紅外探測(cè)器,通過(guò)將十字陣列超材料沉積到熱釋電探測(cè)器上電極,實(shí)現(xiàn)了100 THz 紅外波的選擇探測(cè).2022 年,Zhang 等[20]在鉭酸鋰單晶薄膜上沉積Au/SiO2/Au 超材料完美吸收體結(jié)構(gòu),制備了在80.3 THz 波長(zhǎng)選擇探測(cè)的紅外熱釋電傳感器.從已發(fā)表的相關(guān)研究成果中可知[18,20-23],超材料熱釋電探測(cè)器的研究主要集中于紅外和深紅外波段,對(duì)0.1—1 THz 低頻太赫茲波段的研究較少,且結(jié)合方式主要為超材料與吸收層(或上電極)直接貼合,缺乏超材料與探測(cè)器之間作用機(jī)理的系統(tǒng)性闡述,難以精確調(diào)控太赫茲波探測(cè)帶寬與降低噪聲等效功率.

為精確調(diào)控探測(cè)帶寬與提升探測(cè)器性能,本文提出了兩種基于圓環(huán)孔陣列超材料的鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測(cè)器.采用高頻電磁仿真軟件明確了圓環(huán)孔陣列超材料的透射特性及其與熱釋電探測(cè)器不同結(jié)合方式下的探測(cè)性能影響關(guān)系;利用微納分體加工工藝,研制了基于圓環(huán)孔陣列超材料和鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測(cè)器的兩種超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器;在圓環(huán)孔陣列超材料不同結(jié)合方式下,測(cè)試了探測(cè)器在0.1 THz 和0.315 THz 點(diǎn)頻對(duì)應(yīng)的噪聲等效功率,實(shí)現(xiàn)了圓環(huán)孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器的帶通與窄帶探測(cè).

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 理論分析

熱釋電太赫茲探測(cè)器的探測(cè)機(jī)理為吸收層將一定功率的太赫茲波吸收并轉(zhuǎn)化為熱能,該熱能經(jīng)由金上電極傳導(dǎo)至介質(zhì)層(由熱平衡方程描述),使介質(zhì)層產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)(用熱釋電方程表征),并通過(guò)放大電路實(shí)現(xiàn)電壓讀出.當(dāng)本底噪聲為VN時(shí),通過(guò)熱平衡方程和熱釋電方程[24],可得到熱釋電太赫茲探測(cè)器的噪聲等效功率(noise equivalent power,NEP)如(1)式所示:

其中,α為探測(cè)器太赫茲波吸收率,GT為介質(zhì)層熱導(dǎo),ω為斬波頻率,τT為熱時(shí)間常數(shù),p為熱釋電系數(shù),K(ω) 為電路放大系數(shù).

由(1)式可知太赫茲波吸收率α是影響探測(cè)器噪聲等效功率的重要因素.超材料是人工設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu),可通過(guò)結(jié)構(gòu)形狀和特征尺寸參數(shù)調(diào)控其在太赫茲波段的透射率β.將超材料引入熱釋電太赫茲探測(cè)器,超材料和吸收層的共同作用可調(diào)控超材料探測(cè)器對(duì)太赫茲波的吸收率α,并進(jìn)一步改進(jìn)探測(cè)器的性能.

當(dāng)超材料與熱釋電太赫茲探測(cè)器保持足夠距離(＞100 倍入射波長(zhǎng))時(shí),由于近電場(chǎng)作用距離限制,兩者之間不發(fā)生近電場(chǎng)耦合[25].太赫茲波先透過(guò)超材料,再經(jīng)由熱釋電太赫茲探測(cè)器吸收轉(zhuǎn)化為熱能.可設(shè)計(jì)帶通濾波超材料,組合形成帶通超材料探測(cè)器.根據(jù)(1)式可得到帶通超材料探測(cè)器的NEP 為

其中,β為超材料的透射率,αCNTs為熱釋電太赫茲探測(cè)器碳納米管吸收層的吸收率.由(2)式可知,超材料的透射率β是影響帶通超材料探測(cè)器NEP的關(guān)鍵因素,可通過(guò)調(diào)控其透射帶寬與透射率來(lái)改善探測(cè)器的探測(cè)帶寬與NEP.

當(dāng)超材料與熱釋電太赫茲探測(cè)器保持貼合時(shí),超材料、碳納米管吸收層和金上電極可組成金屬-介質(zhì)-金屬型窄帶太赫茲吸收器[26],使得超材料探測(cè)器對(duì)太赫茲波的吸收率變?yōu)棣痢?實(shí)現(xiàn)太赫茲波窄帶高效吸收,進(jìn)而得到窄帶超材料探測(cè)器.根據(jù)(1)式可得到窄帶超材料探測(cè)器的NEP 為

由(3)式可知,窄帶超材料探測(cè)器對(duì)太赫茲波的吸收 率α′是決定其探測(cè)帶寬和NEP 的關(guān)鍵因素.

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)太赫茲波的帶通濾過(guò),設(shè)計(jì)具有圓環(huán)孔陣列結(jié)構(gòu)的超材料,如圖1 所示.圓環(huán)孔陣列在x與y平面的陣列周期相同,均為P=200 μm,陣列單元的內(nèi)徑r=70 μm,外徑R=90 μm.選擇厚度T=170 μm 的光學(xué)石英作為基底,在此基底上蒸鍍金圓環(huán)孔陣列超材料.其中,金膜厚度t=200 nm,保證金膜厚度大于其太赫茲波趨膚深度[27].

圖1 圓環(huán)孔陣列超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 (a) 俯視圖;(b) 左視圖Fig.1.Diagram of an Au ring hole array metamaterial structure: (a) Top view;(b) left view.

將圓環(huán)孔陣列超材料引入熱釋電太赫茲探測(cè)器,得到基于圓環(huán)孔陣列超材料的熱釋電太赫茲探測(cè)器.圖2(a)為保持一定距離的圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測(cè)器.當(dāng)兩者距離大于100 倍太赫茲入射波長(zhǎng)時(shí),圓環(huán)孔陣列超材料僅發(fā)揮自身的帶通濾波特性,形成帶通超材料探測(cè)器.圖2(b)為超材料貼合下的熱釋電太赫茲探測(cè)器,結(jié)構(gòu)從上到下依次為: 金超材料結(jié)構(gòu)、石英、碳納米管吸收層、金上電極、鉭酸鋰介質(zhì)層、金下電極、氧化硅絕熱層和硅基底.其中,金超材料結(jié)構(gòu)、石英、碳納米管吸收層和金上電極組成了窄帶太赫茲吸收器,可實(shí)現(xiàn)太赫茲波的窄帶耦合吸收,進(jìn)而成為窄帶超材料探測(cè)器.

圖2 不同結(jié)合方式的圓環(huán)孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器原理圖 (a) 帶通超材料探測(cè)器;(b) 窄帶超材料探測(cè)器Fig.2.Schematic diagram of ring hole array metamaterial pyroelectric terahertz detectors with different combinations: (a) Bandpass metamaterial detector;(b) narrowband metamaterial detector.

2.3 仿真計(jì)算

當(dāng)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測(cè)器保持足夠距離時(shí),由(2)式可知圓環(huán)孔陣列超材料的透射率是影響超材料探測(cè)器NEP 的重要因素,采用高頻電磁仿真軟件(high frequency structure simulator,HFSS)仿真其在垂直入射太赫茲波下的透射特性.金的電磁特性在太赫茲波段遵循Drude 模型,在仿真中采用完美電導(dǎo)體代替計(jì)算[24,28].在太赫茲波輻射下,圓環(huán)孔陣列超材料主要實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能[29].仿真建立圓環(huán)孔內(nèi)徑r、圓環(huán)孔外徑R、陣列周期P和石英基底厚度T對(duì)圓環(huán)孔陣列超材料透射性能的影響關(guān)系,優(yōu)化上述特征參數(shù)以實(shí)現(xiàn)圓環(huán)孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段的帶通濾波.

當(dāng)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測(cè)器貼合時(shí),由(3)式可知窄帶超材料探測(cè)器的吸收率是決定超材料探測(cè)器NEP 的重要因素,需要仿真研究窄帶超材料探測(cè)器在不同頻率下的吸收特性,計(jì)算得到吸收峰對(duì)應(yīng)的窄帶頻點(diǎn).本文采用的多壁碳納米管吸收層直徑為20—30 nm,長(zhǎng)度為10—20 μm,厚度為1—2 μm.根據(jù)30°入射角下碳納米管薄膜吸收率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并結(jié)合文獻(xiàn)設(shè)置碳納米管薄膜的電學(xué)參數(shù)(吸收層相對(duì)介電常數(shù)為20,相對(duì)磁導(dǎo)率為8,介電損耗正切為0.4),進(jìn)一步仿真垂直入射太赫茲波下窄帶超材料探測(cè)器的吸收特性[30,31].

2.4 器件制備

圖3(a)所示為圓環(huán)孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器的微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system,MEMS)制備工藝過(guò)程.在探測(cè)器加工過(guò)程中,光刻與旋涂、刻蝕等工藝存在相互干擾,本實(shí)驗(yàn)中使用分體加工再鍵合的工藝進(jìn)行超材料探測(cè)器的制備.具體工藝流程包括: 1)采用光刻、蒸鍍、剝離等工藝在170 μm 厚的石英基底上制備了200 nm 厚的圓環(huán)孔陣列超材料結(jié)構(gòu).2)在100 μm厚的鉭酸鋰介質(zhì)層上下表面均蒸鍍200 nm 厚的金電極,并在上電極旋涂1.5 μm 厚的碳納米管吸收層,用以制備探測(cè)部件.3)在500 μm 厚的硅片上生長(zhǎng)500 nm 厚的氧化硅膜,并在其表面蒸鍍200 nm 厚的金膜形成絕熱部件,且絕熱部件的尺寸比探測(cè)部件的邊緣大1 mm,便于下電極引線.4)將探測(cè)部件與絕熱部件鍵合,制備得到熱釋電太赫茲探測(cè)器.對(duì)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測(cè)器采用分離和貼合的兩種結(jié)合方式,分別制備帶通超材料探測(cè)器和窄帶超材料探測(cè)器,如圖3所示.

圖3 圓環(huán)孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器的制備 (a)制備工藝流程圖;(b) 帶通超材料探測(cè)器;(c) 窄帶超材料探測(cè)器Fig.3.Fabrication of ring hole array metamaterial pyroelectric terahertz detector: (a) Fabrication process flow chart;(b) bandpass metamaterial detector;(c) narrowband metamaterial detector.

2.5 性能測(cè)試

如圖4(a)所示,采用太赫茲時(shí)域光譜儀(Advantest TAS7500 TS)測(cè)試圓環(huán)孔陣列超材料的透射率,并將測(cè)試結(jié)果與HFSS 仿真結(jié)果對(duì)比.采用太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)試30°入射角下的碳納米管薄膜吸收率,便于仿真計(jì)算中碳納米管電學(xué)參數(shù)的選擇.為降低斬波器對(duì)探測(cè)器噪聲電壓的干擾,搭建了反射式測(cè)試光路.如圖4(b)所示,0.1 THz和0.315 THz 商用太赫茲源發(fā)射太赫茲波信號(hào),經(jīng)由光闌、斬波器、離軸拋物面鏡到達(dá)待測(cè)探測(cè)器,由探測(cè)器響應(yīng)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出.在5 Hz 斬波頻率下,記錄熱釋電太赫茲探測(cè)器、帶通超材料探測(cè)器和窄帶超材料探測(cè)器的本底噪聲VN與響應(yīng)電壓VR,計(jì)算探測(cè)器在不同頻點(diǎn)的噪聲等效功率.

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖 (a) 太赫茲時(shí)域光譜儀Advantest TAS7500TS 實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖;(b) 頻域反射式測(cè)試光路示意圖Fig.4.Schematic diagram of test: (a) Experimental measurement of terahertz time-domain spectrometer Advantest TAS7500 TS;(b) frequency domain reflectometry test system.

3 結(jié)果與討論

3.1 圓環(huán)孔陣列超材料帶通濾波的影響研究

分別改變圓環(huán)孔陣列超材料的內(nèi)徑r、外徑R、陣列周期P和基底厚度T,采用HFSS 仿真計(jì)算得到不同特征參數(shù)下圓環(huán)孔陣列超材料的透射特性,如圖5 所示.從圖5 可以發(fā)現(xiàn),隨著內(nèi)徑r增大,透射峰頻率逐漸紅移,且低頻段透射峰從雙峰透射變成三峰透射,因此內(nèi)徑尺寸r可以顯著調(diào)節(jié)圓環(huán)孔陣列超材料的透射帶寬和透射峰頻率;隨外徑R增大,圓環(huán)孔陣列超材料透射率不斷增大,透射峰頻率輕微紅移,因此選擇更大的外徑更為合理;隨著陣列周期P增加,太赫茲波誘導(dǎo)激發(fā)出局域型表面等離子體對(duì)應(yīng)的透射峰2 頻率在0.45 THz 保持不變,激發(fā)出傳播型表面等離子體對(duì)應(yīng)的透射峰1 和3 頻率向透射峰2 移動(dòng),導(dǎo)致透射帶寬減小,實(shí)現(xiàn)了特定透射峰頻點(diǎn)下的帶寬調(diào)節(jié)[29].此外,透射峰頻率隨基底厚度T的增大改變不明顯,且透射波形未發(fā)生改變,因此基底厚度T僅可微調(diào)帶通濾波性能.為實(shí)現(xiàn)圓環(huán)孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段的帶通濾波(尤其抑制0.25 THz 以下),且考慮超材料與吸收層、金上電極的耦合作用,本文設(shè)計(jì)圓環(huán)孔陣列超材料的特征參數(shù)為r=70 μm,R=90 μm,P=200 μm,T=170 μm.

圖5 不同特征參數(shù)下圓環(huán)孔陣列超材料HFSS 仿真透射曲線 (a) 內(nèi)徑r;(b) 外徑R;(c) 周期P;(d) 基底厚度TFig.5.HFSS simulation transmission curve of ring hole array metamaterials under different characteristic parameters: (a) Inner diameter;(b) outer diameter;(c) period;(d) the thickness of the substrate.

3.2 基于圓環(huán)孔陣列超材料的熱釋電太赫茲探測(cè)器探測(cè)性能研究

3.2.1 帶通超材料探測(cè)器的探測(cè)性能研究

將圓環(huán)孔陣列超材料置于反射式測(cè)試光路中,保持其與熱釋電探測(cè)器間距為30 mm,進(jìn)行帶通超材料探測(cè)器的性能測(cè)試.為明確帶通超材料探測(cè)器的探測(cè)機(jī)理,首先對(duì)圓環(huán)孔陣列超材料的帶通濾波特性進(jìn)行研究,得到圓環(huán)孔陣列超材料的時(shí)域光譜透射率實(shí)驗(yàn)結(jié)果和HFSS 仿真結(jié)果如圖6(a)所示.從仿真結(jié)果可知: 圓環(huán)孔陣列超材料在0.1 THz的透射率為16%,在0.25—0.65 THz 的透射率均大于50%,特別是0.45 THz 的透射率接近100%,實(shí)現(xiàn)了0.25—0.65 THz 的帶通濾波.從太赫茲時(shí)域光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知: 圓環(huán)孔陣列超材料在0.1 THz 的透射率為3%,在0.25—0.65 THz 的透射率大于40%.與仿真結(jié)果相比,圓環(huán)孔陣列超材料的透射率有所下降,但帶通濾波特性仍然存在且頻段相同,可用于帶通超材料探測(cè)器.此外,引入的帶通濾波圓環(huán)孔陣列超材料可以減弱其他頻段電磁波的透過(guò),降低碳納米管的熱吸收響應(yīng),進(jìn)而減小探測(cè)器的噪聲電壓.

圖6 圓環(huán)孔陣列超材料的性能與表征 (a) 0.1—1.3 THz 波段HFSS 仿真與時(shí)域光譜實(shí)驗(yàn)的透射率曲線;(b) 圓環(huán)孔陣列超材料光學(xué)顯微圖Fig.6.Test properties of the ring hole array metamaterial: (a) 0.1—1.3 THz transmission curve;(b) optical micrograph of the ring hole array metamaterial.

引入的圓環(huán)孔陣列超材料可選擇透過(guò)0.25—0.65 THz 頻段電磁波,透過(guò)的太赫茲波再經(jīng)過(guò)碳納米管吸收層進(jìn)行太赫茲波-熱能轉(zhuǎn)換,進(jìn)而引起介質(zhì)層的熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生電荷差.由(2)式可知,帶通超材料探測(cè)器對(duì)太赫茲波的吸收率可被認(rèn)為是圓環(huán)孔陣列超材料的透射率與碳納米管吸收層吸收率的乘積,由于碳納米管吸收層在0.1—1 THz的電磁波均為寬帶寬吸收,即可通過(guò)圓環(huán)孔陣列超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超材料探測(cè)器特定頻段帶通探測(cè).

為了驗(yàn)證超材料探測(cè)器的帶通探測(cè)特性,選擇帶通波段外的0.1 THz 和帶通波段內(nèi)的0.315 THz點(diǎn)頻進(jìn)行帶通超材料探測(cè)器性能測(cè)試.采用中國(guó)計(jì)量院標(biāo)定后的高萊探測(cè)器在原位測(cè)量入射功率,并通過(guò)入射功率計(jì)算待測(cè)超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器在0.1 THz 和0.315 THz 點(diǎn)頻的噪聲率,計(jì)算公式如下:

其中,Rv為待測(cè)探測(cè)器電壓響應(yīng)度,VR為待測(cè)探測(cè)器響應(yīng)電壓,Se為待測(cè)探測(cè)器有效面積,P1為高萊探測(cè)器測(cè)試功率,S0為高萊探測(cè)器有效面積,VN為待測(cè)探測(cè)器噪聲電壓,Bs為鎖相放大器3 dB帶寬.

通過(guò)高萊探測(cè)器得到探測(cè)器入射功率P1=2.22 mW,高萊盒有效面積S0=95.03 mm2,待測(cè)探測(cè)器有效面積為直徑8 mm 的圓,即Se=50.27 mm2,鎖相放大器3 dB 帶寬Bs=1 Hz.由圖4(b)頻域反射式光路實(shí)驗(yàn)測(cè)試與(5)式NEP理論計(jì)算,得熱釋電太赫茲探測(cè)器和帶通超材料探測(cè)器在0.1 THz 和0.315 THz 的探測(cè)性能對(duì)比(表1).從表1 可知,引入的圓環(huán)孔陣列超材料抑制了其他波段電磁波透過(guò),使得探測(cè)器的噪聲電壓大約下降為原來(lái)的三分之一,在響應(yīng)不變的前提下可提升約三倍信噪比.與無(wú)超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器相比,帶通超材料探測(cè)器在0.1 THz 的響應(yīng)電壓降為6.2 μV,為前者的2.8%,在0.315 THz 的響應(yīng)電壓降為110.3 μV,為前者的50.1%,電壓下降比例與圖6(a)的圓環(huán)孔陣列超材料實(shí)驗(yàn)測(cè)試透射曲線中0.1 THz 和0.315 THz 頻點(diǎn)透射率基本一致,實(shí)現(xiàn)了帶通濾波效果.圓環(huán)孔陣列超材料帶通濾波作用下,帶通超材料探測(cè)器在0.1 THz 帶阻頻點(diǎn)的噪聲等效功率為179.94 μW/Hz0.5,為無(wú)超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器的11.1 倍,隔絕了0.1 THz頻點(diǎn)的探測(cè);在0.315 THz 帶通頻點(diǎn)的噪聲等效功率為11.29 μW/Hz0.5,較無(wú)超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器下降了28.5%,探測(cè)率有所提升.0.25—0.65 THz頻段帶通超材料探測(cè)器在帶通波段外0.1 THz 的噪聲等效功率為帶通波段內(nèi)0.315 THz 的15.9 倍(抑制比大于10 倍),實(shí)現(xiàn)了帶通探測(cè).

表1 熱釋電太赫茲探測(cè)器和帶通超材料探測(cè)器在0.1 THz 和0.315 THz 頻率下性能對(duì)比Table 1.Performance comparison of the pyroelectric terahertz detector and the bandpass metamaterial detector at frequencies of 0.1 THz and 0.315 THz.

3.2.2 窄帶超材料探測(cè)器探測(cè)性能研究

對(duì)太赫茲波的吸收特性是決定探測(cè)器探測(cè)性能的重要因素.為進(jìn)一步闡述圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器的不同結(jié)合方式對(duì)太赫茲波探測(cè)帶寬及噪聲等效功率的影響機(jī)理,進(jìn)行窄帶超材料探測(cè)器吸收特性研究.由HFSS 軟件仿真和太赫茲時(shí)域光譜實(shí)驗(yàn),得到窄帶超材料探測(cè)器與碳納米管吸收層吸收率曲線,如圖7(a)所示.從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn),碳納米管吸收層對(duì)太赫茲波的吸收率隨其頻率的增大而增大,與文獻(xiàn)[30,31]結(jié)論一致,且窄帶超材料探測(cè)器在0.32 THz,0.52 THz,0.68 THz,0.86 THz 和1.14 THz 時(shí)形成了高吸收率的窄帶太赫茲波吸收峰.與碳納米管吸收層相比,窄帶超材料探測(cè)器在特定頻率的太赫茲波實(shí)現(xiàn)了數(shù)倍甚至數(shù)十倍的吸收增強(qiáng),顯著提升了特定太赫茲頻率的信號(hào)探測(cè)靈敏度.在器件中的金上電極不僅可以傳導(dǎo)介質(zhì)層電荷,又作為吸收器底層金屬板與金圓環(huán)孔陣列超材料結(jié)構(gòu)感應(yīng)產(chǎn)生的電偶極子共振實(shí)現(xiàn)相互耦合,組成了圓環(huán)孔陣列(金)-石英/碳納米管(介質(zhì))-上電極(金)新型窄帶太赫茲吸收器,如圖7(b)所示.為進(jìn)一步探究窄帶太赫茲吸收器的作用機(jī)理,仿真石英厚度為125—250 μm 的圓環(huán)孔陣列窄帶太赫茲吸收器,如圖7(c)所示.從圖7(d)可以看出,隨著石英厚度的增大,存在2 種類型的吸收峰: 移動(dòng)頻率吸收峰(峰1、峰2),對(duì)應(yīng)頻率隨著基底厚度增大出現(xiàn)紅移(頻率下降),主要受介質(zhì)層干涉理論影響;固定頻率吸收峰(峰3),對(duì)應(yīng)頻率不隨基底厚度增大而變化,主要受圓環(huán)孔陣列超材料特征參數(shù)影響.

圖7 窄帶超材料探測(cè)器和碳納米管吸收特性 (a) 窄帶超材料探測(cè)器與碳納米管吸收層的吸收率曲線;(b) 窄帶太赫茲吸收器原理圖;(c) 125—250 μm 石英厚度下的窄帶太赫茲吸收器吸收特性;(d) 吸收峰頻率隨石英厚度的變化規(guī)律Fig.7.Narrowband terahertz detector and carbon nanotube absorption properties: (a) Absorption curve of narrowband terahertz detector and carbon nanotube absorber;(b) schematic of the Narrowband terahertz absorber;(c) absorption characteristics of narrowband metamaterial absorber at 125—250 μm quartz thickness;(d) variation of absorption peak frequency with quartz thickness.

將圓環(huán)孔陣列超材料與碳納米管吸收層緊密貼合并置于反射式測(cè)試光路,進(jìn)行窄帶超材料探測(cè)器的性能測(cè)試.采用與表1 同樣的測(cè)試方法和計(jì)算過(guò)程,得到熱釋電太赫茲探測(cè)器和窄帶超材料探測(cè)器在0.1 THz 和0.315 THz 的探測(cè)性能對(duì)比(表2).窄帶超材料探測(cè)器噪聲電壓大約下降為原來(lái)的三分之一,說(shuō)明圓環(huán)孔陣列超材料探測(cè)器反射了其他波段電磁波,降低了入射信號(hào)的噪聲.與無(wú)超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器相比,窄帶超材料探測(cè)器在0.1 THz 的響應(yīng)電壓下降了78%,在0.315 THz 提升了18.5%,與圓環(huán)孔陣列超材料在對(duì)應(yīng)點(diǎn)頻的透射率完全不同.該結(jié)果與圖7(a)的窄帶超材料探測(cè)器吸收曲線相似,即在0.1 THz 的吸收率較低,在0.315 THz 的吸收率大于碳納米管吸收層,這是由窄帶太赫茲吸收器對(duì)太赫茲波的窄帶吸收增強(qiáng)導(dǎo)致的.圓環(huán)孔陣列超材料貼合熱釋電太赫茲探測(cè)器實(shí)現(xiàn)窄帶吸收作用下,窄帶超材料探測(cè)器在0.315 THz吸收頻點(diǎn)的噪聲等效功率為4.64 μW/Hz0.5,較無(wú)超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器下降了70.6%,探測(cè)性能提升了3.5 倍,實(shí)現(xiàn)了窄帶高效探測(cè).

表2 熱釋電太赫茲探測(cè)器和窄帶超材料探測(cè)器在0.1 THz 和0.315 THz 頻率下性能對(duì)比Table 2.Performance comparison of the pyroelectric terahertz detector and the narrowband metamaterial detector at frequencies of 0.1 THz and 0.315 THz.

4 結(jié)論

本文對(duì)新型圓環(huán)孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測(cè)器進(jìn)行了仿真、制備與性能測(cè)試.HFSS 仿真分析結(jié)果顯示,隨著內(nèi)徑增大,太赫茲波的透射峰頻率和透射帶寬均減小;陣列周期增加時(shí),其透射帶寬減小,透射峰頻率不變;內(nèi)徑70 μm、外徑90 μm、陣列周期200 μm 和基底厚度170 μm 的圓環(huán)孔陣列超材料可實(shí)現(xiàn)0.25—0.65 THz 頻段的帶通濾波,透射率超過(guò)50%.調(diào)節(jié)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器的結(jié)合方式,基于微納工藝制備了兩種超材料熱釋電探測(cè)器,進(jìn)行時(shí)域光譜系統(tǒng)與頻域光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明,圓環(huán)孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段的透射率大于40%,與仿真結(jié)果基本一致;當(dāng)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器保持足夠間距時(shí),圓環(huán)孔陣列超材料對(duì)太赫茲波實(shí)現(xiàn)帶通濾波,濾波后的太赫茲波被碳納米管吸收層吸收,超材料探測(cè)器在0.315 THz 時(shí)的噪聲等效功率為11.29 μW/Hz0.5,為帶通波段外0.1 THz 的6.3%,探測(cè)率比值與對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)圓環(huán)孔陣列超材料透射率比值一致,實(shí)現(xiàn)了帶通探測(cè);當(dāng)圓環(huán)孔陣列超材料與熱釋電探測(cè)器貼合時(shí),圓環(huán)孔陣列超材料與碳納米管吸收層、金上電極組成了窄帶太赫茲吸收器,其在0.32 THz,0.52 THz 等頻點(diǎn)的太赫茲波吸收率顯著提升,進(jìn)而使得新型圓環(huán)孔陣列超材料熱釋電探測(cè)器在0.315 THz 的噪聲等效功率較原探測(cè)器從15.80 μW/Hz0.5降低到了4.64 μW/Hz0.5,實(shí)現(xiàn)了窄帶高效探測(cè).此研究通過(guò)調(diào)整圓環(huán)孔陣列超材料特征參數(shù)及其與熱釋電探測(cè)器的結(jié)合方式,實(shí)現(xiàn)了高靈敏度帶通和窄帶探測(cè),可應(yīng)用于生物成像、大分子識(shí)別等領(lǐng)域的太赫茲信號(hào)探測(cè).