Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Метаматериалы и киральность (терминология, история, современное состояние, перспективы практического применения) 13
1.1. Метаматериалы 13
1.2.Киральность и киральные метаматериалы 16
1.3. Современные технологии формирования киральных метаматериалов с микро и нанорезонаторами 21
1.4. Актуальность и перспективы применения киральных терагерцовых метаматериалов 22
ГЛАВА 2 Формирование киральных терагерцовых метаматериалов методом сворачивания напряженных пленок 26
2.1. Основы метода сворачивания трехмерных оболочек из напряженных гетеропленок 26
2.2. Закрепление трехмерных нанопленочных оболочек на подложке 30
2.3. Выбор конфигураций киральных метаматериалов 38
2.4 Формирование бианизотропного метаматериала в виде двумерного массива полупроводниковых микротрубок с металлическими спиралями 42
2.5 Формирование биизотропного кирального метаматериала в виде квадратной решетки металл-полупроводниковых спиралей 47
ГЛАВА 3 Электромагнитные свойства киральных метаматериалов и систем на их основе в терагерцовом диапазоне 54
3.1 Методики исследования электромагнитных свойств сформированных метаматериалов и систем на их основе 54
3.2. Свойства системы параллельные микроспирали- GaAs 55
3.3 Свойства системы параллельные микроспирали- GaAs-воздух-GaAs 59
3.4 Свойства метаматериала в виде квадратной решетки микроспиралей, запечатанной в полимерную пленку. 61
3.5 Свойства системы квадратная решетка металл-полупроводниковых микроспиралей -GaAs 63
Заключение 69
Благодарности 74
Список сокращений и условных обозначений 77
Список использованной литературы
- Современные технологии формирования киральных метаматериалов с микро и нанорезонаторами
- Выбор конфигураций киральных метаматериалов
- Формирование биизотропного кирального метаматериала в виде квадратной решетки металл-полупроводниковых спиралей
- Свойства системы параллельные микроспирали- GaAs-воздух-GaAs
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время активно развивается техника терагерцового (ТГц) диапазона (0.1-10 ТГц) [1]. Благодаря достаточной прозрачности в этом диапазоне атмосферы, биологических тканей и многих распространенных материалов, высокой информативности ТГц-спектров сложных биохимических комплексов, а также ряда других особенностей ТГц излучение востребовано практически во всех современных системах гражданского и военного применения (телекоммуникации, медицинская диагностика, системы безопасности, радиолокация, фармацевтика, астрофизика, исследования плазмы и др.). В этом диапазоне методы управления поляризацией, используемые в радиотехнике, уже не применимы. В то же время многие традиционные оптические элементы для управления поляризацией не могут быть реализованы из-за отсутствия материалов с соответствующими свойствами. В частности, в оптическом и ИК диапазоне для управления поляризацией широко используются электромагнитные киральные свойства жидкокристаллических структур, а в ТГц диапазоне эти свойства становятся незначительными.
Электромагнитная киральность, т.е. селективность свойств по отношению к волнам левой и правой круговой/эллиптической поляризации, приводит к таким явлениям как оптическая активность (вращение плоскости поляризации проходящего излучения за счет разности фазовых скоростей волн левой и правой поляризации) и круговой дихроизм (изменение эллиптичности излучения за счет разности соответствующих коэффициентов поглощения). Для использования этих явлений в целях управления поляризацией ТГц излучения необходимы материалы с практически значимыми киральными свойствами в этом диапазоне. Естественных и синтетических материалов с такими свойствами не существует.
Электромагнитные метаматериалы – это искусственные структуры, интегральные материальные параметры которых являются результатом электромагнитного отклика большого количества специально сконструированных резонансных микроэлементов [2]. Монослойные метаматериалы иногда называют метаповерхностями [3]. В последние два десятилетия были получены метаматериалы с целым рядом новых электромагнитных свойств, что связано, в первую очередь, с достижениями в микро- и нанотехнологии. Были продемонстрированы магнетизм на оптических частотах [4], отрицательный показатель преломления[5, 6] и др. Вместе с тем киральные электромагнитные свойства в терагерцовом диапазоне оставались недостижимыми по технологическим причинам. Поскольку характерные размеры резонаторов для этого диапазона составляют порядка десятков микрометров, терагерцовые метаматериалы, как правило, изготавливают по планарным
4 технологиям. Для получения функциональных киральных электромагнитных свойств требуются не плоские, а трехмерные элементы. В радиодиапазоне киральные метаматериалы изготавливали на основе спиральных резонаторов с длиной, близкой к половине длины волны [7]. Современные технологии не позволяют выполнить подобные массивы резонансных спиралей для ТГц диапазона.
Киральные ТГц-метаматериалы востребованы в качестве элементов устройств управления терагерцовым излучением как аналогичных оптическим (например, сверхтонкие волновые пластинки, вращатели поляризации), так и принципиально новых, например, экранов невидимости, терагерцовых линз с разрешением выше дифракционного предела и т.п. Это делает создание терагерцовых киральных метаматериалов высокоактуальной проблемой.
Целью диссертационной работы является создание киральных терагерцовых метаматериалов и систем на основе металл-полупроводниковых микроспиралей и экспериментальное исследование их электромагнитных свойств.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
Разработка киральных терагерцовых метаматериалов на основе микроспиралей из металл-полупроводниковых нанопленок;
Разработка способов формирования плотных массивов микроспиралей методом сворачивания напряженных металл-полупроводниковых пленок.
Анализ и интерпретация резонансных электромагнитных свойств созданных метаматериалов и систем в терагерцовом диапазоне (спектров пропускания, вращения плоскости поляризации и эллиптичности), построение физических моделей, постановка дополнительных экспериментов для проверки моделей.
Научная новизна работы
Показано, что метод сворачивания трехмерных оболочек из напряженных нанопленок может быть применен для формирования метаматериалов. Созданные в рамках диссертационной работы метаматериалы построены на принципиально новом типе резонансных элементов - прецизионных трехмерных микрооболочках из нанопленок. Такие элементы не могут быть получены с помощью других современных технологий. Разработаны и сформированы биизотропный и бианизотропный киральные 2D метаматериалы (метаповерхности), а также системы на их основе. Экспериментально показано, что полученные структуры резко изменяют поляризацию проходящего излучения в
терагерцовом диапазоне. В частности, установлено, что система в виде бианизотропной метаповерхности толщиной 85, причем при сдвиге частоты на f=0.4% изменение угла поворота составляет >150, т.е. вращение носит резко резонансный характер.
В спектрах вращения плоскости поляризации и эллиптичности проходящего излучения системы в виде квадратной решетки микроспиралей на подложке GaAs обнаружены резкие регулярные пики, которые отличаются по периоду от пиков в спектре пропускания. Возникновение пиков объяснено возникновением своеобразного кирального волноводного резонанса. За счет того, что период решетки меньше длины волны излучения в воздухе, но больше длины волны в подложке, на метаповерхности происходит дифракция проходящего излучения. Наклонные волны первого порядка дифракции испытывают полное внутреннее отражение на тыльной стороне подложки и при отражении от метаповерхности повторно дифрагируют, в том числе в направлении нормали к метаповерхности. В результате возникает интерференция волн с разной амплитудой, фазой и поляризацией. Данный механизм подтвержден экспериментально, эффект ранее не наблюдался из-за отсутствия подобных структур.
Таким образом, научная новизна заключается в том, что впервые в мире:
- получены метаматериалы с новым типом трехмерных резонансных элементов
(прецизионными нанопленочными оболочками);
сформированы метаматериалы, обладающие резонасными киральными свойствами в ТГц диапазоне;
получена искусственная оптическая активность в ТГц диапазоне,
- обнаружен и объяснен необычный волноводный резонанс в системе квадратная
решетка металл-полупроводниковых микроспиралей – слой GaAs.
Научная и практическая ценность работы
Впервые получены метаматериалы, обладающие резонансными киральными свойствами в ТГц диапазоне. Естественные и синтетические материалы, включая жидкие кристаллы (ЖК), не обладают в этом диапазоне практически значимыми киральными свойствами. Продемонстрированная относительная оптическая активность (угол поворота проходящего излучения, приходящийся на толщину кирального слоя, выраженную в длинах волн) выше, чем у лучших образцов ЖК в их рабочем диапазоне на 1-2 порядка. Полученные структуры с резонасными метаповерхностями толщиной /6- /10 вращают плоскость поляризации проходящего излучения на десятки градусов.
Гигантская оптическая активность, продемонстрированная в терагерцовом диапазоне, может быть использована для создания сверхтонких элементов управления поляризацией, амплитудой, направлением и фазой ТГц излучения. Обнаруженные резкие резонансные пики в спектрах вращения плоскости поляризации и эллиптичности в системах киральная метаповерхность-подложка с высоким показателем преломления могут быть использованы для разработки высокорезонансных преобразователей поляризации.
Получен научный и практический задел для создания киральных и некиральных метаматериалов с отрицательным показателем преломления, неотражающих метаматериалов с высоким поглощением, магнитных метаматериалов, а также метаматериалов и систем, предназначенных для динамического управления поляризацией, фазой, интенсивностью и направлением излучения.
Предложенный способ закрепления свернутых трехмерных оболочек на поверхности подложки с помощью дополнительных элементов из резиста позволяет формировать регулярные массивы с высокой плотностью трехмерных элементов, что может использоваться в технологии микро и наноструктурирования для формирования не только метаматериалов, но и других массивов трехмерных оболочек, свернутых из напряженных пленок. При запечатывании оболочек в полимерную пленку предложенный способ обеспечивает отсутствие разрывов оболочек.
Показано, что метод сворачивания трехмерных оболочек из напряженных нанопленок может быть применен для формирования метаматериалов, причем высокую практическую ценность обеспечивают следующие его преимущества:
прецизионность и гладкие конфигурации 3D–резонаторов, точное позиционирование и ориентация в массиве, воспроизводимость и однородность массивов, что способствует получению точно заданных высокорезонансных свойств метаматериалов;
трехмерные конфигурации элементарных резонаторов, широкое разнообразие возможных конфигураций и материалов, что позволяет формировать метаматериалы с новыми электромагнитными свойствами, в частности киральными, которые не могут быть изготовлены с помощью других современных технологий;
возможность масштабирования размеров резонаторов от сотен микрон до единиц нанометров, что соответствует резонансным частотам метаматериалов от СВЧ до видимого диапазона;
совместимость с технологией производства интегральных схем, параллельность всех технологических операций и возможность их автоматизации делают метод высокоперспективным для промышленного производства метаматериалов.
Разработанные конфигурации метаматериалов ТГц диапазона могут быть масштабированы для получения киральных метаматериалов ИК и оптического диапазонов. На структуры с киральными свойствами и способ их формирования получен патент.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18 российских и международных научных конференциях:
14, 15, 19 и 24 международных симпозиумах “Nanostructures: Physics and Technology” (Санкт-Петербург, 2006, Новосибирск, 2007, Екатеринбург, 2011, Санкт-Петербург, 2016); Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics (Shanghai, China, 2006) , 34th, 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (Busan, Korea, 2009, Houston, Texas, USA, 2011); Workshop “New scientific possibilities with high power THz sources”(Daresbury Laboratory, UK, 2006); 1st, 5th and 6th Int. Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics "Metamaterials" (Rome, Italy, 2007, Barcelona, Spain, 2011, St. Petersburg, Russia, 2012); Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, институт прикл. физики, 2007), VIII Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, институт прикл. физики, 2011); International Symposium “Progress in Electromagnetic Researches” (Hangzhou, China, 2008); 2nd European Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials “NANOMETA-2009 (Seefeld, Austria, 2009); 9 и 11 Российских конференциях по физике полупроводников (Новосибирск-Томск, 2009, Санкт-Петербург, 2013); 9th International symposium on measurement technology and intelligent instruments (St. Petersburg,2009).
Среди докладов – 9 приглашенных, в том числе доклад по прорывным научным достижениям (“Breakthrough talk”) на авторитетной международной конференции по метаматериалам NANOMETA (Австрия, 2009 г).
Киральные структуры и способ их изготовления были запатентованы.
Созданные структуры, обладающие оптической активностью в ТГц диапазоне, были переданы в ИЯФ СО РАН в качестве эталонов для разработки методик ранней онкодиагностики с использованием терагерцовой поляриметрии.
Публикации
Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 1 патенте, 7 рецензируемых статьях и 20 тезисах и расширенных тезисах ведущих отечественных и международных конференций.
Положения, выносимые на защиту:
1. Формирование киральных терагерцовых метаматериалов в виде массивов
трехмерных электромагнитных микрорезонаторов, точно позиционированных и
ориентированных друг относительно друга, осуществимо методом сворачивания
напряженных пленок.
Разработанные на основе данного метода технологические маршруты обеспечивают воспроизводимое формирование киральных терагерцовых метаматериалов в виде
а) квадратной решетки одновитковых нанопленочных микроспиралей
(InGaAs/GaAs/Ti/Au);
б) массива параллельных нанопленочных трубок (InGaAs/GaAs), на внутренней
стороне которых расположены одновитковые микроспирали (Ti/Au).
2. Искусственная оптическая активность сформированного биизотропного
метаматериала (квадратная решетка микроспиралей в полимерной пленке) в терагерцовом
диапазоне достигает 170/, т.е. на 3-5 порядков выше, чем у естественных оптически-
активных веществ, и на 1-2 порядка выше, чем у жидкокристаллических структур.
3. Характерной особенностью систем на основе сформированных метаматериалов и
плоскопараллельных слоев GaAs являются резкие регулярные пики в спектрах вращения
плоскости поляризации и эллиптичности проходящего излучения. В системах с
параллельными микроспиралями пики обусловлены в основном Фабри-Перо эффектом. В
системах с квадратной решеткой микроспиралей пики возникают за счет своеобразного
волноводного резонанса, связанного с дифракцией на киральной решетке.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в разработке метаматериалов и технологических маршрутов их формирования на основе метода сворачивания напряженных гетеропленок, постановке экспериментов по формированию массивов трехмерных оболочек, планировании схем экспериментальных исследований киральных свойств полученных метаматериалов и систем в ТГц диапазоне, анализе их спектров вращения плоскости поляризации, эллиптичности и пропускания в ТГц диапазоне, объяснении механизмов возникновения пиков в спектрах поляризационных характеристик различных систем на основе метаматериалов, написании статей и патента совместно с соавторами, представлении результатов работы на международных конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы из 143 наименований. Общий объем диссертации 90 страниц, включая 19 рисунков.
Современные технологии формирования киральных метаматериалов с микро и нанорезонаторами
Метаматериалы – одно из наиболее активно–развивающихся научных направлений в последнее десятилетие [4, 19-23]. Часто под словом метаматериалы понимают только электромагнитные метаматериалы, т.е. искусственные структуры, интегральные материальные параметры которых являются результатом электромагнитного отклика большого количества специально сконструированных резонансных микроэлементов [3]. Кроме электромагнитных метаматериалов есть, например, акустические метаматериалы [24], метаматериалы с разнообразными необычными механическими свойствами [25, 26], то есть в широком смысле ме-таматериал – это любой искусственный материал, физические макроскопические свойства которого достигаются за счет целенаправленного конструирования структуры на микроуровне. Электромагнитный метаматериал (ниже для краткости называемый просто метаматериал) представляет собой массив искусственных элементов-резонаторов с размерами, малыми по сравнению с длиной волны излучения. Такой массив воспринимается излучением как сплошная электромагнитная среда, свойства которой можно описать материальными макропараметрами, например, такими как диэлектрическая и магнитная проницаемости ( и ). Совре 14 менный термин “метаматериал” является близким по смыслу к термину “искусственная электромагнитная среда”, отличием является только то, что у метамате-риалов допускается наличие только одного слоя элементов, такие монослойные метаматериалы иногда называют метаповерхностями[4-6].
Задавая конфигурацию искусственных элементов-резонаторов, можно конструировать макроскопические свойства метаматериалов, в том числе получать свойства, которые не встречаются в природе, например, метаматериалы с необходимыми значениями диэлектрической проницаемости на определенных частотах (искусственные диэлектрики)[27-29], высокочастотные магнетики из немагнитных материалов [30-32] в том числе для оптического диапазона [7], метаматериа-лы, обладающие отрицательной диэлектрической проницаемостью и отрицательной магнитной проницаемостью [33], в которых достигается отрицательный показатель преломления [8, 9, 34] и наблюдается целый комплекс необычных эффектов ранее теоретически предсказанных в работе [35] и другие.
Приставка “мета-“ (сверх, над, за пределами, греч.) в данном контексте означает, что свойства метаматериала задаются не атомами или молекулами, а более крупными структурами-элементами, содержащими много атомов или молекул, что материал сам становится объектом инженерного конструирования, что принципиально шире диапазон достижимых электромагнитных свойств. Исследования в области метаматериалов приводят к получению новых знаний о процессах распространения электромагнитного излучения в средах, электромагнитные свойства которых значительно отличаются от известных. Метаматериалы обеспечивают новые возможности управления излучением: уже продемонстрированы линзы c разрешением выше дифракционного предела [36-39], такие линзы предлагается в частности использовать для оптической нанолитографии, микроскопии субволнового разрешения, оптической памяти сверхвысокой плотности, оболочки невидимости [40-42] и другие функциональные устройства с характеристиками, которые не могут быть достигнуты с использованием традиционных электромагнитных материалов [5, 36, 43-46]. Несмотря на то, что имеется огромное количество статей, посвященных метаматериалам и метаповерхностям (см обзоры [3, 4, 6, 47 15 49], еще сравнительно мало реальных практических применений в этой области [44, 50-57]. Метаматериалы находятся на стадии активного развития [4, 5, 47, 48, 51, 55, 58-60].
В основном, экспериментальные исследования необычных свойств метама-териалов проводились в мегагерцовом и гигагерцовом диапазонах, где резонансные элементы метаматериала должны иметь миллиметровые и сантиметровые размеры, и формирование трехмерных (3D) резонаторов, а также их расположение в виде 3D массивов не представляют значительной технологической сложности. В настоящее время наблюдается явно выраженная тенденция к созданию и исследованию метаматериалов более высокочастотных диапазонов. Особенно востребованы метаматериалы с функциональными свойствами в активно разрабатываемой в последние два десятилетия технике терагерцового (ТГц) диапазона (0.1-10 ТГц) [1, 61-63]. До сих пор подавляющее большинство метаматериалов ТГц, ИК и оптического диапазонов изготавливают в виде плоских двумерных массивов элементов, что в первую очередь связано с технологическими ограничениями. Толщина такой структуры много меньше длины волны. С точки зрения электромагнитной теории её часто удобнее характеризовать не материальными параметрами, используемыми для описания объемных материалов (которые, тем не менее, традиционно широко используются даже для описания монослоев ме-таматериалов), а граничными условиями, описывающими электромагнитные свойства поверхности. В связи с этим в последние годы такие тонкие слои мета-материалов часто стали называть не метаматериалами, а метаповерхностями (см обзор [6]). Тенденциями развития терагерцовых и оптических метаматериалов являются продвижение от массивов плоских резонаторов [6, 44, 59, 64-66] к многослойным резонаторам и метаматериалам [67-69], и затем к метаматералам с трехмерными резонаторами [70-72], от метаматериалов к системам и устройствам на их основе [5, 51, 73]. Именно трехмерные резонаторы обеспечивают возможность задания электромагнитных свойств метаматериалов во всех трех измерениях, что необходимо для большинства перспективных практических применений (эта проблема обсуждается, например, в обзоре [74]). Отсутствие универсальной технологии, пригодной для массового изготовления упорядоченных массивов 3D резонаторов нетривиальных форм с размерами и точностью изготовления, необходимыми для получения эффективных резонансных свойств в ТГц и оптическом диапазоне остается одной из основных проблем в области метаматериалов. До сих пор большинство метаматериалов выполняются по планарным технологиям, традиционно используемым для изготовления интегральных схем. Вместе с тем постоянно ведется поиск новых технологических подходов к формированию метамате-риалов с 3D резонаторами: многослойное электроосаждение [75], литография с экспонированием наклонным лучом через мембрану [76], взрывная литография на рельефных поверхностях [77], глубокое травление [78], напыление с использованием теневого эффекта [79], прямая лазерная печать [80] [81], осаждение на наклонную подложку [82], трехуровневая фотолитография [83], интерференционная литография [84], литография с помощью пучка протонов [85], см также обзоры [70, 72]. Однако, ни одна из представленных технологий не допускает массового изготовления ТГц и оптических метаматериалов с той свободой конструирования трехмерных резонаторов, которая была доступна в радиодиапазоне и позволила продемонстрировать необыкновенные возможности, заложенные в концепции ме-таматериалов.
Выбор конфигураций киральных метаматериалов
Эксперименты по формированию массивов киральных оболочек с различными материалами напряженных слоев и подложек (SiGe/Si и SiGe/Si/Cr на Si (100), InGaAs/GaAs на InP(100), InGaAs/GaAs и InGaAs/GaAs/Ti/Au на GaAs (100), Ti/Au на Si) показали, что в качестве напряженных слоев “каркаса” оболочек-резонаторов оптимально использовать эпитаксиальные пленки InGaAs/GaAs, выращенные на подложках GaAs (100) с AlAs в качестве жертвенного слоя. Это сочетание материалов имеет наибольшую селективность травления жертвенного слоя (AlAs) относительно напряженных слоев (InGaAs/GaAs) и подложки, при этом напряженная пленка InGaAs/GaAs обладает достаточно высокой анизотропией упругих свойств, что обеспечивает высокую воспроизводимость процессов формирования свойств метаматериалов. В качестве металлических слоев резонатора, предназначенных для обеспечения электромагнитного отклика были экспериментально опробованы Pd, Ni, Сr и Au. Среди них было выбрано золото благодаря высокой проводимости, достаточной мягкости и химической инертности, которая обеспечивала более высокую технологичность маршрута формирования (например, в структуре на рисунке 2.5.1 сформированные взрывной литографией полоски Au одновременно служили маской для травления низлежащих полупроводниковых слоев).
Для метаматериалов использовались одновитковые спиральные резонаторы двух типов, спроектированные с учетом условия полуволнового резонанса /2=L, где – длина волны, а L – длина развернутой спирали (см схему на рисунке 2.3.3, количество витков в экспериментах Nh =1).
Теоретический расчет геометрии спиралей, обеспечивающей максимальную оптическую активность, т.е. Re(), был выполнен учеными фёдоровской научной школы киральности (Беларусь) на основе спиральной теории оптической активности молекул Козмана и элементов теории спиральных антенн: угол подъема одно-витковых спиральных резонансных элементов должен составлять 53 [121]. Формирование биизотропного метаматериала на основе таких спиралей (см рисунок 2.3.2, справа) описано в подразделе 2.5. Рисунок 2.3.3 Схема геометрии спирали: h- шаг спирали, L – длина развернутой спирали, - угол подъема спирали, r-радиус спирали, Nh- количество витков спирали.
Второй тип выбранных киральных резонаторов– так называемые оптимальные спирали, которые обладают равными электрической, магнитной и киральной поляризуемостями вдоль оси на определенной частоте. Электрические токи в таких элементах эффективно возбуждаются как электрическим, так и магнитным полями, при этом при возбуждении линейно поляризованной волной спирали излучают циркулярно-поляризованную волну [122, 123]. Оптимальные спирали -очень перспективные резонансные элементы для целого ряда метаматериалов с различными свойствами. Впервые оптимальные пропорции спиралей были предложены при разработке преобразователей поляризации [122, 123]. В дальнейшем было показано, что на основе оптимальных спиралей могут быть построены ме-таматериалы с уникальными функциональными свойствами: киральный метама-териал, собственные моды которого имеют коэффициенты преломления равные ±1, причем для моды с n = 1 поглощение очень мало [124], неотражающие мета-материалы со скомпенсированной киральностью с волновым сопротивлением, согласованным с воздухом [125, 126] и другие. Теоретический расчет геометрии оптимальных одновитковых спиралей был выполнен научной группой из Беларуси [122, 124, 127]: равенство электрической, магнитной и киральной поляризуемо-стей вдоль оси одновитковой спирали полуволновой длины достигается в случае угла подъема 13.5. Формирование метаматериала на основе оптимальных спиралей (см рисунок 2.3.2, слева) описано в следующем подразделе. 2.4 Формирование бианизотропного метаматериала в виде двумерного массива полупроводниковых микротрубок с металлическими спиралями
На рисунках 2.4.1а,б схематически показан способ формирования бианизо-тропного метаматериала в виде массива полупроводниковых трубок, внутри которых расположены параллельные металлические спирали [116, 128], разработанный на основе метода сворачивания напряженных полупроводниковых пленок. На параллельные полосы напряженной диэлектрической или полупроводниковой пленки наносится металлический рисунок (рис. 2.4.1 а). При отделении от подложки эти полосы сворачиваются в трубки вместе с металлическим рисунком (рис. 2.4.1 б-д). Для получения высокоупорядоченного однородного массива идентичных резонаторов важно обеспечить сворачивание всех трубок в одном направлении и их точное позиционирование друг относительно друга. Это решено с помощью дополнительных элементов из фоторезиста (см рис 2.4.1). Такие элементы выполняют две функции. Во-первых, они препятствуют доступу травителя к жертвенному слою с одной стороны полосы напряженной пленки, и сворачивание начинается с противоположной стороны. Во-вторых, элементы из фоторезиста удерживают трубки жестко закрепленными на подложке после завершения процесса сворачивания. В готовой структуре полупроводниковая трубка относительно слабо взаимодействует с электромагнитным полем и служит каркасом для металлических спиральных элементов, которые обеспечивают резонансный ки-ральный электромагнитный отклик метаматериала. Следует отметить, что диаметр трубки зависит от толщины и упругих свойств металла и геометрии металлического рисунка. В случае ненапряженного металла, с увеличением толщины металлического слоя или коэффициента заполнения площади пленки металлическим рисунком, диаметр трубки увеличивается.
Формирование биизотропного кирального метаматериала в виде квадратной решетки металл-полупроводниковых спиралей
Резонансные свойства сформированных метаматериалов и систем в тера-герцовом диапазоне были исследованы традиционными методами фурье-спектрометрии и путем прямых измерений параметров поляризации проходящего излучения с помощью измерительной установки на базе лазера на свободных электронах. Падающее на образец излучение было линейно поляризовано и направлено нормально плоскости образца. Поляризация излучения, прошедшего образец, характеризовалась углом вращения плоскости поляризации (азимутальным углом поляризации) и эллиптичностью по интенсивности (отношением малой (Eb) и большой (Ea) полуосей эллипса поляризации электрического поля, возведенным в квадрат, т.е. (Eb/Ea)2).
Спектры пропускания, вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма были измерены с помощью фурье-спектрометра Bruker IFS-66v. Образец располагался между двумя поляризаторами. Азимутальный угол и эллиптичность рассчитывались по спектрам пропускания для углов скрещивания поляризаторов 0,+45,-45, and 90, спектральное разрешение составляло 0.15 см-1.
Прямые измерения поляризационных характеристик излучения, прошедшего образец, были проведены с помощью автоматизированной измерительной установки на базе лазера на свободных электронах, спектральное разрешение 0.2 см-1. Поляризатор-анализатор, расположенный за образцом, вращался с помощью шагового двигателя с одновременным измерением интенсивности проходящего излучения на каждом шаге. Таким образом, измерялись эллиптичность и азимутальный угол плоскости поляризации.
Использованная методика прямого измерения состояния поляризации мо нохроматического излучения с помощью вращающегося поляризатора анализатора достаточно широко используется в оптическом диапазоне. Подобные прямые методики не используются в терагерцовом диапазоне из-за отсутствия ис точников терагерцового излучения с достаточно узкой спектральной линией, пе рестраиваемых в широком диапазоне, в данной работе в качестве такого источни ка был использован уникальный новосибирский лазер на свободных электронах. За рубежом для исследования оптической активности и кругового дихроизма ме таматериалов в терагерцовом диапазоне применяют методы фурье спектроскопии, в том числе, FTDS (Fourier Time Domain Spectroscopy, спектро скопия с разрешением по времени) [132].
Исследуемые массивы полупроводниковых микротрубок с параллельными металлическими микроспиралями (параллельных цилиндров с винтовой проводимостью) обладают осью симметрии 2 порядка, см СЭМ- изображения на рисунке 2.4.1 в-д. Благодаря высокой бианизотропии данной конфигурации изменение поляризации падающего излучения образцами резко зависит от ориентации плоскости поляризации падающего излучения. На рисунке 3.2.1 б,в приведены спектры, измеренные для ориентации плоскости поляризации падающего излучения параллельно (EII) и перпендикулярно осям спиралей (E). Спектры пропускания, вращения плоскости поляризации и эллиптичности имеют регулярные пики с периодом k 3,0 см-1. Основной причиной возникновения этих пиков является эффект Фабри-Перо при нормальном отражении излучения (см рис 3.2.1 а). В данных экспериментах использованы подложки из нелегированного GaAs, этот материал прозрачен и имеет довольно высокий показатель преломления в исследуемом диапазоне, что обеспечивает высокое френелевское отражение. . Излучение падает на образец нормально и многократно отражается от границ. Нормальное отражение на границе GaAs -воздух согласно формуле Френеля: і К - 1ї I R GaAs (6) где R-коэффициент отражения по интенсивности излучения, учетом рассчитанного по формуле (6) показателя преломления составляет 0.6.
При нормальном отражении излучения от границы GaAs-воздух эллиптичность и ориентация плоскости поляризации сохраняются, в то время как при каждом нормальном отражении от метаповерхности в виде монослоя цилиндров с винтовой проводимостью как азимутальный угол плоскости поляризации, так и эллиптичность излучения существенно меняются за счет высокой бианизотропии данной метаповерхности. Проходящее излучение можно рассматривать как результат многолучевой интерференции лучей с различным состоянием поляризации (см рис.3.2.1а).
Периоды в спектрах пропускания такой же подложки без спиралей k=3,2 см"1 . Подстановка периодов пиков в спектрах подложек со спиралями и без в формулу Фабри-Перо, которая связывает периодичность пиков с длиной оптического пути в резонаторе Фабри-Перо: Ак= 1 2nd (7) (k-волновое число, n- показатель преломления, d-толщина) даёт в результате изменение длины оптического пути в резонаторе Фабри-Перо в 1,06 раз. С учетом того, что при отражении от метаматериала излучение проникает в слой спиралей на некоторую глубину, эта оценка согласуется с Фабри-Перо моделью эффекта Как при ориентации плоскости поляризации падающего излучения перпендикулярно осям спиралей (E , рис.3.2.1 б), так и параллельно осям (EII, рис.3.2.1) вращение плоскости поляризации достигает угла 30 при эллиптичности около 0.05, полная амплитуда пиков составляет 20. Максимальная эллиптичность -0.19 при ориентации плоскости поляризации падающего излучения перпендику 57 лярно осям спиралей (см E рис.3.2.1 б) и 0.26 для параллельной осям поляризации поля (см E рис.3.2.1 в). Результаты прямых измерений поляризации, полученные с помощью лазера на свободных электронах (точки на рис.3.2.1 б), подтверждают результаты измерений, полученные методами спектрометрии (фурье-спектры изображены сплошными линиями на рис.3.2.1 б).
Свойства системы параллельные микроспирали- GaAs-воздух-GaAs
Структура в виде квадратной решетки металл-полупроводниковых микроспиралей, закрепленных на подложке GaAs (см СЭМ-изображения на рис. 2.5.1 г-д, схема на рис. 3.5.1 а) имеет более сложные спектры (рис.3.5.1 б) по сравнению с квадратной решетки микроспиралей той же конфигурации, запечатанной в свободную полимерную пленку (рис.3.4.1б). Кроме очевидного сдвига полуволнового резонанса спиралей, связанного с укорочением длины волны в полимере =0/npolymer, спектры структуры с подложкой отличаются резкими регулярными пиками в спектрах поляризационных характеристик. Пики в спектрах пропускания могут быть очевидным образом объяснены Фабри –Перо эффектом, в то время как возникновение пиков в спектрах поляризационных характеристик представляется необычным. Во-первых, периоды пиков в спектрах вращения плоскости поляризации и эллиптичности одинаковы и меньше периода Фабри-Перо структуры в спектрах пропускания. Во-вторых, массив спиралей имеет ось симметрии 4 порядка, он не меняет поляризации излучения при нормальных отражениях, и поэтому Фабри–Перо эффектом нельзя объяснить возникновение пиков в спектрах вращения плоскости поляризации и эллиптичности, как например, в системе с бианизотропной метаповерхностью в виде параллельных спиралей (см разделы 3.2. и 3.3.). Существование данных пиков в спектрах поляризационных характеристик подтверждено прямыми измерениями с помощью стенда на базе лазера на свободных электронах (см рис. 3.5.1 а).
Данные пики объяснены своеобразным волноводным резонансом, возникающим в системе. Период квадратной решетки микроспиралей меньше длины волны излучении в воздухе 0, но больше длины волны в подложке GaAs (0 a GaAs, где a=84 мкм – период решетки). За счет этого массив спиралей играет роль дифракционной решетки, причем лучи уже первого порядка дифракции испытывают полное внутреннее отражение на тыльной стороне подложки и возвращаются к слою спиралей, т.е. подложка может рассматриваться как плоский волновод. При наклонном отражении от спиралей происходит изменение поляризации излучения, причем решетка спиралей играет роль отражательной дифракционной решетки. Принципиальным отличием от классического волноводного резонанса [133] в спектрах пропускания и отражения является то, что наблюдаемый резонансный эффект проявляется в спектрах поляризационных характеристик. В отличие от других систем, в которых наблюдался волноводный резонанс, исследуемая система включает в себя решётку трехмерных киральных элементов. Период в спектрах поляризационных характеристик меньше, чем период в спектрах пропускания за счет того, что при прохождении подложки полный оптический путь для наклонных волн больше, чем для волн, нормальных подложке.
Рисунок 3.5.1 а схематически иллюстрирует предлагаемый механизм этого явления. Нормально падающее излучение возбуждает решетку спиралей (1 на рис.3.5.1а). Длина волны излучения в подложке GaAs=0/n (nGaAs 3.5) меньше периода решетки, что делает возможной дифракцию ненулевого порядка. За счет этого вторичное излучение спиралей вносит вклад не только в проходящую волну, направленную нормально подложке (2 на рис.3.5.1а), т.е. нулевой порядок дифракции, но приводит к возникновению наклонных волн, соответствующих первому порядку дифракции на решетке (3 на рис.3.5.1а).
Наклонные волны первого порядка дифракции испытывают полное внутреннее отражение на тыльной стороне подложки (4 на рис.3.5.1а) и возвращаются к решетке спиралей (5 на рис.3.5.1а). Эванесцентные волны, проникают в пространство над подложкой и возбуждают решетку спиралей (5 на рис.3.5.1а), которая переизлучает падающие волны как в направлении нормали к подложке (6 на рис.3.5.1а), так и под углом к подложке (7 на рис.3.5.1а). Волна, распространяющаяся в направлении нормали к подложке (6 на рис.3.5.1а) частично отражается на тыльной стороне подложка-воздух, частично проходит за нее, в то время как наклонная волна вновь испытывает полное внутреннее отражение и продолжает распространяться в подложке (7 на рис.3.5.1а) как в волноводе. Далее процесс повторяется, причем при каждом наклонном отражении от квадратной решетки спиралей поляризационные характеристики излучения меняются. Волны, испытавшие разное количество переотражений от решетки спиралей, поляризованы по разному, что схематически показано на рисунке 3.4.1а в виде эллипсов поляризации волны Et0, прошедшей структуру без переотражений, и волны Et1, вышедшей из структуры после одного цикла переотражений. Набег фазы за один цикл переотражений зависит от свойств метаповерхности, толщины и показателя преломления подложки, а также от длины волны излучения. Проходящая волна E представляет собой результат интерференции проходящих волн с различной поляризацией Et0+ Et1+… и фазой. В зависимости от фаз и поляризации этих волн интерференция может быть как конструктивной (например, в смысле увеличения азимутального угла поляризации) либо деструктивной, что проявляется в виде пиков в спектрах поляризационных характеристик.
На рисунке 3.5.1а представлена в значительной мере упрощенная схема: изображен только первый порядок дифракции и только один цикл переотражений в направлении только направо вдоль ряда спиралей, на рисунке показано возбуждение излучением всего одной спирали, результирующая волна E также изображена как результат интерференции только двух волн с различной поляризацией. Реальный процесс сложнее. Во-первых, все элементарные ячейки решетки состоящие из двух спиралей возбуждаются одновременно, причем как электрические, так и магнитные диполи, возбуждаемые в двух перпендикулярных спиралях решетки отличаются. Во-вторых, наклонные волны первого порядка дифракции направлены не только вправо, но также и влево, и в направлении за плоскость рисунка и из плоскости рисунка, причем направления вне плоскости рисунка на схеме не показаны. В-третьих, на рисунке 3.5.1 а не показаны отражения нормально падающих волн от границ, которые приводят к классической Фабри-Перо интерференции.