一種設計和制備無襯底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)因其獨特的優(yōu)勢而備受關(guān)注，其優(yōu)勢包括太赫茲波可穿透非偏振物體的強大能力，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，太赫茲波對被探測人員和物體的傷害較小。與X射線等傳統(tǒng)探測方法相比，這一特點使太赫茲技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。此外，太赫茲探測器還通常用于探測隱蔽物體以及無創(chuàng)醫(yī)學成像等應用。而缺乏靈敏的太赫茲探測器是阻礙太赫茲技術(shù)發(fā)展的主要問題之一。

超構(gòu)材料（Metamaterials）是由亞波長微結(jié)構(gòu)（如超構(gòu)原子）組成的人工復合材料，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用潛力，因為它們可以調(diào)整頻率相關(guān)的吸收特性。特別是在太赫茲區(qū)域，通過調(diào)整材料的長度、厚度及空間等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以顯著增強太赫茲能量的信號檢測。因此，超構(gòu)材料為解決上述問題提供了極具前景的平臺。

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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學趙清教授課題組在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、北京量子信息科學研究院趙清教授，主要從事量子物理與數(shù)學、信息科學的交叉研究工作。

這項研究論文報道了一種設計和制備無襯底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)來研究其吸收特性。另外，研究人員利用MEMS技術(shù)制備了無襯底結(jié)構(gòu)。同時，還采用太赫茲時域光譜（THz-TDS）系統(tǒng)測量了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)薄膜設計可以提高吸收率并實現(xiàn)頻率選擇。另外，該超構(gòu)薄膜在光學讀出太赫茲實時成像、雙波長分光光度法和多功能器件中具有潛在的傳感應用價值。

（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)由兩個懸臂梁和一個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。

用于測量反射率和透過率的THz-TDS原理圖

這項研究設計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MFPA，并對其進行了表征和理論模擬。該MFPA像素尺寸為150 μm × 150 μm，具有無襯底結(jié)構(gòu)。利用THz-TDS進行測量，具有極高的吸收率。測量結(jié)果顯示，研究中制備的MFPA在1.36THz處可達到98.7%的諧振吸收率，與理論結(jié)果一致。通過模擬研究，采用修正的光致發(fā)光（PL）強度模型和非對稱Asym2sig模型來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，該無襯底太赫茲MFPA及其分析方法可廣泛應用于太赫茲技術(shù)中，如雙波長分光光度法和太赫茲成像等。

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

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

審核編輯 ：李倩