（光学专业论文）金属亚波长结构的制备及太赫兹波传播特性的研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人完 学校有权保 校可以公布 ( 保密 签名： 上海大学理学硕士学位论文 金属亚波长结构的制备及太赫兹波传 播特性的研究 姓名：栗芳芳 导师：马国宏 学科专业：光学 上海大学理学院 2 0 10 年4 月 上海人学硕士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h e d e g r e eo f m a s t e ri ns c i e n c e f a b r i c a t i o no f s u b w a v e l e n g t h m e t a l l i c m i c r o s t r u c t u r ea n dt h zw a v et r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s m d c a n d i d a t e ：f a n g f a n g l i s u p e r v i s o r ：g u o h o n gm a m a j o r ：o p t i c s d e p a r t m e n to fp h y s i c s ，s h a n g h a iu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 i v 卜海人学硕十学位论文 摘要 本论文利用磁控溅射、飞秒微加工和光刻工艺等实验手段制备了两类太赫 兹波段的周期型金属亚波长微结构。- s l ：n 用人赫兹时域光谱技术对两类微结构 的太赫兹透射光谱进行了系统的研究。通过比较不同尺寸、不同占空比和不同 周期结构的实验结果，分析了影响太赫兹波透射过程的物理机制。本文主要包 含以下三方面的工作： 1 、样品的制备：这一个过程主要分为镀膜和刻蚀两个部分。简要地说，利用磁 控溅射方法在石英等衬底上制备金属铝膜；利用飞秒微加工的方法制备出了 太赫兹波的一维线栅结构；利用光刻工艺制备出了太赫兹波段的金属亚波长 矩形孔阵列结构。 2 、分析了一维线栅结构的透射特性。重点分析了线栅结构的透射和太赫旌波的 偏振方向关系，p 偏振波的超强透射来源于金属波导的横向半波共振，其透 射率频谱分布受伪表面等离j ，体极化波( s p o o f s p p ) 调制；s 偏振波的整体 透射率较低，其原因是因为光栅结构中金属狭缝透射率光谱受到截止波长的 调制作用，只支持s 偏振电磁波的消逝波模式。 3 。分别研究了具有不同周期和形状的矩形孔阵列结构的太赫数波透射谱。结果 表明，影响二维孔阵列透射的物理根源和一维线栅结构类似。金属亚波长矩 形孔阵列的增强透射峰位置丰要取决于矩形孔形状引起的局域化波导共振； 阵列的周期决定了透射极小的位置。s p o o fs p p 在二维结构中扮演着“带阻 滤波片”的角色，对太赫兹透射谱有调制作用，从而影响透射峰的形状和位 置。 关键词：透射增强、磁控溅射、光刻、波导共振、伪表面等离子体极化波 v 卜海人学硕十学位论义 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t w ot y p e so ft h zs u b w a v e l e n g t hp e r i o d i cm e t a lm i c r o s t r u c t u r e a r ef a b r i c a t e d b ym a g n e t r o n s p u t t e r i n g ，f e m t o s e c o n d m i c r o m a c h i ，n i n g a n d p h o t o l i t h o g r a p h y c o m b i n e d w i t ht e r a h e r t zt i m ed o m a i n s p e c t r o s c o p y , t h e t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so ft h es u b - w a v e l e n g t hm e t a l l i cs t r u c t u r e sa r ei n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l yi nt e r a h e r t zr e g i o n t h ep h y s i c a lm e c h a n i s m sw h i c ha f f e c tt h et h z t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e sa r ed i c u s s e da n da n a l y z e d t h et h e s i si n c l u d e st h r e ep a r t sa s f o i l o w s ： 1 f a b r i c a t i o n so ft h es u b w a v e l e g t hs t r u c t u r e ：t h ep r o c e s si n c l u d e sc o a t i n ga n d e t c h i n g i nb r i e f , a l u m i n u m ( a 1 ) f i l m s ( w i t ht h i c k n e s so fh u n d r e d so fn a n o m e r s ) w e r e d e p o s i t e do nf u s e ds i l i c a ( o rs i l i c o nw a f e r ) s u b s t r a t eb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t e c h n i q u e ，a n dt h em e t a l l i cf i l m sw e r et r e a t e db yf e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o m a c h i n i n g t of o r mao n e - d i m e n s i o n a lm e t a l l i cl a m e l l a rg r a t i n g a n dt h et w o d i m e n s i o n a l m e t a l l i cr e c t a n g u l a rh o l ea r r a y sw e r ef a b r i c a t e d b ye t c h i n gm e t a l f i l mu s i n g p h o t o l i t h o g r a p h y 2 t h ea n o m a l o u st r a n s m i s s i o nt h r o u g ho n e d i m e n s i o n a ll a m e l l a rm e t a l l i c g r a t i n g sw a si n v e s t i g a t e di nt e r a h e r t z ( t h z ) r e g i o n d u et ot h ee f f i c i e n tc o u p l i n g w i t hd i f f r a c t i o nm o d e s ，s p o o fs p pi no n e d i m e n s i o n a ll a m e l l a rt r a n s m i s s i o nm e t a l l i c g r a t i n g s i nt h zr e g i o na r ep r o v e dt o s u p p r e s st r a n s m i s s i o n t h ee x t r a o r d i n a r y t r a n s m i s s i o n ( f o rt h ec a s eo fp - p o l a r i z a t i o n ) o fm e t a l l i cg r a t i n gi nt h zf r e q u e n c yi s o r i g i n a t e df r o mh a l f - w a v e l e n g t hr e s o n a n c e s ；a sf o rt h ee a s eo fs - p o l a r i z a t i o n t h e t r a n s m i s s i o ni sm u c hl o w e rt h a nt h a to fp - p o l a r i z a t i o n ，w h i c hi sb e c a u s et h a tt h e s m a l la p e r t u r ew i d t h so n l ys u p p o r te v a n e s c e n tm o d e si nt h eg r a t i n g 3 t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so ft w o d i m e n s i o n a lr e c t a n g u l a rh o l ea r r a y sw i t h v a r i o u sp e r i o d i c i t i e sa n ds h a p e sw e f es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y o u rr e s u l t sr e v e a lt h a t t h et r a n s v e r s ew a v e g u i d er e s o n a n c e ( h o l es h a p ed e p e n d e n c e ) d o m i n a t et h ep o s i t i o n a n dw i d t ho fm a x i m u mt r a n s m i s s i o n ，a n dt h ep e r i o d i c i t yo ft h eh o l ea r r a yd o m i n a t e v i 卜海人学硕士学位论文 t h ep o s i t i o no fm i n i m u mt r a n s m i s s i o nd u et ot h ee x c i t a t i o no fs p o o fs p p t h e f u n c t i o no fs p o o fs p pa c t sa sab a n d s t o pf i l t e rt os h a p et h ep r o f i l eo ft h e t r a n s m i s s i o ns p e c t r a a n dt h ep o s i t i o no ft r a n s m i s s i o np e a ki sa l s oa f f e c t e ds t r o n g l y w h e nt h er e s o n a n c ef r e q u e n c yb e t w e e nw a v e g u i d er e s o n a n c ea n dt h es p o o fs p pi s c l o s ee n o u g h k e y w o r d s ：e n h a n c e do p t i c a lt r a n s m i s s i o n ( e o t ) ，m a g n e t r o ns p u a e r i n g ， p h o t o l i t h o g r a p h y ，w a v e g u i d er e s o n a n c e ，s p o o fs p p i 卜海人学硕士学位论义 目录 摘要v a b s t r a c t v i 目录v i i l 第一章 绪论l 1 1 太赫兹( t h z ) 波简介l 1 2 亚波长微结构透射增强现象的研究现状3 1 3 研究意义及内容安排7 第二章太赫兹光谱学的基本理论8 2 1 太赫兹波的产生8 2 2 太赫兹时域光谱技术( t h z t d s ) 1 2 2 - 3 太赫兹时域光谱数据处理方法1 3 第三章实验样品的制备方法1 5 3 1 薄膜的制备1 5 3 2光刻18 3 3飞秒激光微加工2 1 第四章太赫兹波段一维线栅结构的偏振特性2 3 4 1 引言2 3 4 2 实验2 4 4 2 1 金属线栅的制各2 4 4 2 2 金属线栅t h z 的光谱表征2 6 4 3 实验结果及讨论2 6 4 4 小结3 2 第五章二维亚波长周期矩形结构的太赫兹波传输特性3 3 5 1 引言3 3 5 2实验3 4 5 3实验结果及分析3 4 5 3 1 矩形孔周期变化对太赫兹波透射的影响3 5 5 3 2 矩形孔形状对太赫兹波透射的影响3 6 5 3 3 旋转样品角度对太赫兹波透射的影响3 8 5 4，j 、结4 l 第六章结论4 2 参考文献4 4 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文5 0 作者在攻读硕士学位期间所作的项目5 l 致谢5 2 v 1 1 1 匕海人学硕十学位论文 第一章绪论 金属亚波长结构可实现与电磁波的共振，从而使太赫兹波响应特性受到金 属微结构特性的控制，这为设计性能优越的光电器件提供了可能。而近年来随 着太赫兹科学的蓬勃发展，这一波段的光电器件需求也日益增加，因此太赫兹 波段金属亚波长微结构的研究成为目前太赫兹领域的一个热点。本文对两类微 结构的太赫兹波传输特性进行了研究。首先我们来简要了解一下太赫兹波段的 电磁波以及金属亚波长微结构的研究状况。 1 1 太赫兹( t h z ) 波简介 太赫兹( i t h z = 1 0 1 2 h z ) 频段是指频率从0 1t h z 到1 0t h z 、介于毫米波与 红外光之间的电磁辐射区域，如图1 1 所示。虽然在上世纪2 0 年代就有入对太 赫兹产生了浓厚的科学上的兴趣，但是于它夹在微波和红外波中间，在技术 上它处于传统的微波技术向光学技术的过渡带，加之产生t h z 波的技术条件 1 o 一1 0 。1 0 1 i o 一1 0 1 0 1 0 1 c p 1 t = ck i l om 口ag 均at e r ar 尊t 1 口e x az 竹ay o t t 日l 图1 1 电磁波谱图 所限，在相当长一段时期，很少有人问津电磁波谱的这一波段，以至于形成所 谓的t h z 空白区。从二十世纪八十年代中期利用超快光电子技术成功的产生和 探测太赫兹脉冲以米，对这一波段电磁辐射的研究弓【起了科学技术界的广泛关 注【啦! 。最近十多年来，用超快激光激发产生t h z 辐射波技术的发展促使对太赫 兹空白区的研究突飞猛进。 t h z 技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料以及微加工技术等 多个学科。作为一种新型相干电磁辐射源，t h z 辐射的独特性质在物理、信息、 材料和生物等领域具有广阔的应用前景，如凝聚态体系中的各种超快过程探测、 卜海人学硕十学位论文 宽带通讯、高速光电子器件、材料表征、生物：芯片、医学诊断等b 蚓，由此带动 的交叉研究将会有力地推动和促进这些相关学科的进一步发展。与其他波段的 电磁波相比，太赫兹波具有以下重要特征： ( 1 ) 瞬态性 t h z 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料( 包括液体、 半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术， 能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前，其辐射强度测量的信噪比可以大于 1 0 1 0 阳1 ，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且稳定性更好。 ( 2 ) 宽带性 t h z 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可覆盖从 g h z 到几十t h z 的范围，有利于在大的范围里分析物质的光谱性质。由于太赫兹 波的频带宽，是微波的1 0 0 0 倍，有望利用太赫兹波进行无线电通信，使无线移 动高速信息网络成为现实。 ( 3 ) 相干性 由相干电流驱动的偶极子振荡产生或由相干的光脉冲通过非线性光学差频 产生的t h z 波具有的时问、空间相干性，t h z 波的相干测量技术能够直接测量 电场振幅和相位，无需使用k r a m e r s k r o n g 色散关系就可以得到介电常数的实部 和虚部信息，能够精确获得样品折射率和吸收系数n 叫等。这一特点在研究材料的 瞬态相干动力学问题时具有极大的优势。 ( 4 ) 低能性 t h z 光子有较低的能量( 4 m e v l t h z ，比x 射线的光子弱近百倍) ，不会在 生物组织中引起光损伤及光致电离1 。适合于对生物组织进行活体检查。 ( 5 ) t h z 辐射具有很好的穿透性n 刳。它能以很小的衰减穿透物质如烟尘、 墙壁、碳板、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用。 ( 6 )“指纹”征性。大多数分子均有相应的t h z 波段的“指纹”特征谱， 特别是许多有机分子在t h z 波段呈现出强烈的吸收和色散特性，这是与分子的 振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的。分子的偶极跃迁犹如人的指纹是千 差万别的，研究材料在这一波段的光谱对于揭示物质的结构及性质有重要意义。 2 卜海人学硕士学位论文 ( 7 ) 凝聚念体系的声子吸收很多位于t h z 波段n 引，自由电子对t h z 波也有 很强的吸收和散射，t h z 技术必将成为一个很好的研究凝聚态材料中物理过程 的工具。 ( 8 ) 另外，它还有对黑体辐射或热背景小敏感的优点。 上述这些特点决定了t h z 技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学 领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景。 1 2 亚波长微结构透射增强现象的研究现状 在光学元器件的制作方面，除了衍射引起的光斑尺寸随着传播距离的增加 而迅速增长以外，光的透射效率也是一个重要的问题( 即要求孔要小、光要强) 。 就一般的情况而言，当器件孔径远大于光的波长时，光透射率可以通过夫琅和 费衍射理论计算得到，光斑是a i r y 斑且透射效率近似于1 【l4 1 。但是当器件的尺 寸接近或小于光的波长时这种情况比较复杂，b e t h e 理论的计算【”1 表明其透射 率为： 弘( 6 4 , , r 2 2 7 ) 1 ) 其中，a 为小孔的直径，五为入射波的波长。可见，透射率与a a 的四次方成正 比；当a 2 , ，e g ) 在光电导材料中产生电子一空穴对，自由载流 子被偏置电场加速，产生瞬变的光电流。这种快速的、随时间变化的电流能够 辐射电磁波，原理如图2 1 ( b ) 所示。太赫兹辐射的能量是受偏置电场和激发光 强限制的，材料的击穿电场决定了_ 口j 以施加的最大电场。由于辐射的能量二1 i 要 来自天线上所加的偏置电场，可以通过调节外加电场的大小来获得能量较高的 太赫兹波。而制作人孔径的光电导天线可以提高t h z 辐射的效率。 光电导材料作为产生t h z 脉冲的关键部件，应该具有尽可能短的载流子寿 命、低的光折射率、低的带隙、强的光吸收能力、高的载流子迁移率、高的介质 耐击穿强度等。常见的光导材料有s i 、掺c r 的g a a s 、掺f e 的i n p 、宝石上外延生 长硅及低温生长的g a a s 等。由于半导体材料中光生载流子寿命的限制，产生的 t h z 脉冲频谱一般在0 - - 2 t h z 左右。 ( 二) 光学整流产生t h z 波 这种产生t h z 辐射脉冲的方法是利用电光晶体巾的光整流效应，光整流效应 是一种二阶非线性效应，可以看作是p o c k e l s 效应的逆过程。当一束高强度的单色 激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差频振荡效应激发一个恒定 ( 不随时间变化) 的电极化场。恒定的电极化场不辐射电磁波，但会在介质内部建 立一个直流电场。这种现象称为光学整流效应，它是最甲发现的非线性光学效应 之一。由于这种效应缺乏实际的应用背景，所以除了早期用于验证它和线性电光 效应之间的关系之外，并没有受到研究者的重视。 根据傅里叶变换理论，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，其 频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。和频振荡效应产生频率接近于二次谐 波的光波，而差频振荡效应则产生一个低频振荡的电极化场。这个随时间变化的 电极化场将会辐射低频电磁波，其频率卜限和入射激光的脉冲宽度有关。由于飞 秒激发光脉冲变化很快，因此产生的极化强度p ( t ) 变化很快且具有很宽的频谱， 其频谱主要受测不准原理决定的激光脉冲频谱展宽的限制，产生的频率范围一般 在0 - - - 3 t h z ，现在利用光学整流可产生频谱达5 0 t h z 的电磁脉冲。因此，光学整流 方法逐渐成为一种常用的产生t h z 辐射脉冲的有效手段。其光路图2 2 j 1 1 下 9 卜海人学硕十学位论义 1 1 路径 光学路径 罔2 2 光字矍! 沉严生t h z 光路图 利用光学整流效应产生t h z 辐射时，t h z 辐射的能量主要来自入射的激光脉 冲的能量。t h z 辐射的最大功率既受超快激光脉冲的影响，又受介质的损伤阈值 的制约。t h z 辐射的产生效率受介质的_ 阶非线性系数、介质对t h z 辐射的吸收 及激光脉冲与t h z 脉冲之间相位匹配的影响。其中，介质的二阶非线性系数与晶 体的切向和方位有关。文献中给出了由光学整流产生的准单周期的t h z 波的计 算( v 2 一( t ) a 2 扇m ( 尹 f ) = 脶矿a 2 n n m l ( 尹，f ) ( 2 1 ) t h z 波沿z 方向传播，h pe 珊( 尹，f ) = e 珊( z ，f ) ，对其进行傅立叶变换 e t h z ( 乙f ) _ 互1 万j 。e 舭( z ，q ) p 邮弦。p 胁擒 二阶非线性极化强度p e a 缈与c o q 差频产生 - - n m i ( z ，f ) = 瓦1 亡2 e ( z ，) e - i k ( w ) z e ( z ，缈一q 弦+ t k ( a , - q ) z e + s d t d q ( 2 2 ) 将七( 缈) ：丝带入上式，得 - - n m l ( 列) ：去e 2 i e ( 乙缈) 1 2 p _ i n t g c l l z 严艘 其中酬2 = 亡i 髟( 列) 1 2 e - f l i t 础= 扣列) 1 2 代入，得 导+ 等以购 c 锄矽肛瞰n ) ：= 一竽钟ip 船q 争 不考虑泵浦光得损耗，眵( z ，f ) 1 2 = 霹虿2 ( f ，q ) = 霹季2 ( o ，q ) l o ( 2 3 ) ( 2 4 ) 上海人学硕士学位论文 刀为t h z 波在晶体中的折射率，为泵浦光群速度在晶体中的折射率，将 七( q ) ：堕代入，再利用慢变近似，整理后，得 c 堕l 丝! 三：型：一 d z 霹q 矿( o ，q ) 一，孚训： = 一p 2 c n ( 2 5 ) 妒一燮等燮s i n 悟( 叫p 圳 ( 2 6 ) z c 刀iz c 。 i 则 e r m ( l ，q ) = ( 厶q ) p 一脯玛 在相位匹配的条件下，由傅立叶变换得 e , , ( l , t ) = - g e ：- - - l 。le 笺 伽车) 施 7 ， 设蝣与q 无关，非线性晶体足够短，则 c 幻，= 一筹。去亡螈2 ( 0 p 伽掣埘n 。2 一筹。扣卜等 飞秒脉冲的时间谱通常有2 种，分别是高斯型和双曲正割型 上 若为高斯脉冲，- 有g ( o ，f ) = p ， 则( 厶f ) 一2 d r ae z o 。l te - 2 ( t - n l i c ) r 2 ( 2 9 ) c ”w r 。 若为双曲正割脉冲，有g ( o ，t ) = s e e h ( t r ) f ) _ 等碲t a n h c t 可- n , l 丽c ) r ( 2 1 0 ) c f c o s h i ( f 一上c ) fi 这两种产牛t h z 电磁波的方法中，用光导天线辐射的t h z 电磁波能量通常比 用光整流效应产生的t h z 波能量强。因为光整流效应产生的t i z 波的能量仅仅来 卜海人学硕十学位论文 加的偏置电场，可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的t h z 波。但是， 光整流产生的t h z 电磁波可以达到较高的频率。 2 2 太赫兹时域光谱技术( t h z t d s ) 太赫兹波的探测是太赫兹科技中的另一项关键技术，是太赫兹技术投入到实 际应用的另一关键环节。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍都较低，因此，发展 高灵敏度、高信噪比的太赫兹波探测技术尤为重要。在太赫兹波段，由于太赫兹 光谱技术独特的相干探测手段，可以获得样品的多种信息，冈此为表面等离子体 光学提供了极好的研究手段。 太赫兹时域光谱技术是一种相干探测技术，根据探测样品方式的不同可分为： 透射系统和反射系统【3 9 4 1 1 。但是这两种系统的工作原理完全相同，即飞秒激光脉 冲由分束器分为两束光，一。束作为抽运光，用于激发太赫兹波发射元件产生超短 太赫兹脉冲。另一束作为探测光，用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅。通过扫 描探测激光和太赫毖脉冲相对时间延迟得到太赫鲍脉冲电场强度随时间变化的 波形，再通过对时问波形进行傅立叶变换获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信 息，进一步处理得到样品的吸收系数和折射率等光学参数等。t h z t d s 技术具有 带宽大、信噪比高、探测灵敏度很高以及能在室温下稳定工作等优点。 图2 3 是实验室的透射式t h z t d s 系统光路示意图，系统的光源是掺钛蓝宝 石振荡器( m a it a ih p ， s p e c t r ap h y s i c s ) ，产生激光的中心波长为8 0 0 n m ，重复 频率为8 0 m h z ，脉宽为lo o f s 的脉冲激光。飞秒脉冲通过分束片后分成能量为 图2 3 透射式t h z - t d s 系统 1 2 卜- 海人学硕十学位论文 3 5 m w 的泵浦光和3 0 r o w 探测光。其中泵浦光用来激发太赫兹波发射器，经过 一维延迟线后的探测光用来触发太赫兹波探测器，得到太赫兹波的时域谱( 1 4 ) 。 发射器和探测器都是由低温生长的g a a s 制成的光电导天线。在实验中，为太 赫兹发射器提供了一个约4 5 v 的直流偏压，产生的太赫兹波被一对聚乙烯透镜 聚焦和准直，通过样品后准直到探测器上。 2 3 太赫兹时域光谱数据处理方法 太赫兹时域光谱技术( t h z t d s ) 作为一种新型的光谱探测技术，目前已经 成为太赫兹领域一种重要的研究手段。其数据处理在分析样品的性质时也显得 尤为重要，下面将数据处理原理概括如下： 当电磁波与物质相互作用时，由f r e s n e l 公式可知其透射系数和反射系数分 别为： 透射系数：t 。= 瓦i i 2 n 虿, c 石o s 丽，t 上= 百磊磊2 n - ic i o s l 8 , 品虿 2 1 1 ) 反射系数：毛= 薏糍，t = 暑要糍 q j 2 ， 其中口和上分别表示电场e 平行于入射面和垂直于入射面入射的情况，包和包为 入射角和折射角，其具体的关系由s n e l l 公式决定：啊s i nb = 1 2s i na , 。 若考虑到电磁波在介质中传播时的色散和损耗，透射系数t 和反射系数r 是角频率缈的函数。同时折射率可用复折射率表示： 刀( 国) = 疗( 缈) 一_ ，r ( 彩) ( 2 1 3 ) 其中r ( 缈) = 竺芝竽称为消光系数。复折射率描述样品的宏观光学性质，其中力 为实折射率，描述样品的色散情况，r ( 国) 为消光系数，描述样品的损耗。 利用透射型太赫兹时域光谱装置进行探测时，通常让太赫兹脉冲垂直入射 到被探测的样品上，如图2 4 所示。对实验测得的参考信号时间波形和透射样 一卜海人学硕十学位论文 品后的时问波形分别进行傅立叶变换得到它们的频率谱。在真空近似( 即样品处 于真空中其前后介质的折射率均为1 ) 和弱吸收近似( 即”口k ) 的情况下，计算 湍叫妒肿懈岍蛳吲础 根据公式 刀( 缈) = 矽( 缈) 。刍+ l ( 2 1 2 ) 巾睁n 蒜 ( 2 m ， 尉神 j ( 6 回 图2 4 透射信号和参考信号示意图 计算出样品存太赫兹波段的折射翠和吸收系数。若忽略边界处的能量损失，则 吸收系数巾) = 扣 糍 ，其中她脚脚) 删为参考信号和通过样 品的信号傅里叶变换后的光强。 本论文的重要光学参数是振幅透射系数r ( ) ，它的幅值和位相可利用下列 娥丁( 缈) = 瑞= m i e x p 缈( 国) 计算，其鸭( 缈) 和乓( 国) 分别为透过 样品信号和参考信号的太赫兹波段电场强度。i 丁( 缈) 降口妒( 缈) 分别为透射系数的 大小和位相。 1 4 ：海人学硕十学位沦文 第三章实验样品的制各方法 为了制备太赫兹波段的亚波长微结构，我们主要采用了以下三种方法：磁 控溅射、光刻和飞秒激光微加工。下面就这三种方法一一介绍。 3 1 薄膜的制备 在制作人赫兹波段金属亚波长微结构之前，我们首先要制备好金属薄膜， 薄膜的制备过程主要分为两部分：镀膜衬底的清洗和镀膜。 a 衬底的清洗 要想制备理想的金属薄膜就必须先对衬底进行预处理。因为衬底的表面状 态或污物严重影响形成薄膜的结构和性质，因此必须除去表而的污物。日前， 慕片清洗方法有：化学溶剂溶解污物的方法、超声波清洗法、离子轰击清洗法、 等离子体清洗法和烘烤清洗法等。污染物通常以原子、离子、分子或膜的形式， 以化学或物理吸附的方式存在于衬底的表面【4 到。具体来说衬底上的污染可以分 为三种：有机杂质沾污、无机颗粒污染和金属离子污染。 针对不同的衬底清洗的方法也不一样，在制作样品的过程中我们选择了三 种衬底熔融石英，玻璃和硅片。以下分别介绍本实验对石英、玻璃和硅片的清 洗方法。 由于石英和玻璃的化学成分基本相同，因此这两种衬底的清洗采用的方法 也相同。石英和玻璃的清洗主要有以下步骤：1 选取玻璃基片、玻璃皿。用去 离子水仔细清洗。2 将玻璃基片置于玻璃皿中，倒入适量丙酮( 以淹没玻璃片 为准) 。3 在超声清洗池中倒入适量水。4 将盛有丙酮的玻璃皿放入超声清洗池 中，进行超声清洗l o 分钟。5 将玻璃皿中已经脏的丙酮倒掉，再倒入适量的 无水乙醇，进一步对玻璃基片进行超声清洗5 - 1 0 分钟。6 从无水乙醇中取出 玻璃用去离子水对其进行清洗，放入烘箱备用。 硅片的清洗和玻璃的清洗方法不尽相同。因为硅片表面的污染物除了上述 常见的三种污染物之外，抛光硅片表面还存在一层氧化膜。硅片清洗要求既 去除各类杂质又不损坏硅片。因此，在清洗硅片时除了要除去常见的三大类 一卜海人学硕十学位论文 的污染外，我们还要去除硅片表面的氧化层，具体的实施方法是：在进行完乙 醇的超声清洗后，将硅片放入2 0 浓度h f 酸溶液中浸泡一个小时，剥离硅片表 面的氧化物。然后冉进行去离子水清洗即可。要注意的是，硅片要自然风干或 者氮气烘干以免表而被氧化。 b 磁控溅射 制作金属薄膜的方法有很多，主要有干式和湿式两大类。干式镀膜又包括 真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气相沉积( p v d ) 和化学气相沉积 ( c v d ) 等；在湿式方法中有电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶以及厚膜印 刷法等。实验中，我们采用了磁控溅射的方法进行镀膜，下面主要介绍一下磁 控溅射的原理以及实验所用的j g p 4 5 0 磁控溅射系统。 溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子 引向欲被溅射的靶电极，在离子能量合适的情况下，入射的离子与靶表面原子 的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原予将带有一定的动能，并 且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜沉积。在这个过程中， 离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程( 图3 1 ( b ) ) 密切 相关。而磁控溅射是在普通溅射基础上利用磁场来束缚和延长电子的运动路径， 改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。原理如 图3 1a 。在阴极靶面永久磁铁形成环型磁场区( 图3 1 ( c ) ) ，磁力线由跑道的 外环( 或内环) 指向内环( 或外环) ，横贯跑道，在跑道中央对应于平行靶面的磁 场分量最大区域。由- 丁电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力( 3 1 式) 的作用， 被束缚在靠近靶面的等离子体区域内 f = 一q ( e + v b ) ( 3 1 ) n - i 图3 1 磁控溅射原理图 1 6 澎娑 薹。 蚕一 r，引。it。1 卜淘人学硕十学位论义 冈而大量电子被约束在靶表面附近，使它们沿跑道做转阁的摆线运动，形成无 终端的闭合轨迹，使电子与原子之间的碰撞几率增加，从而提高了等离子体的 电离率。磁控溅射靶的结构如图3 1 ( c ) 所示。 目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要原因是这种方 法的沉积速率可以比其他溅射方法高出一个数量级。这一方面要归结予在磁场 中电子的电离效率提高，另一方面因为在较低气压下溅射原子被散射的概率降 低。另外，由于磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率，因而工作气压 可以显著降低，即可 1 11 p a 降低至1 0 。1p a 。这一方面降低了薄膜污染的倾向， 另一方而也将提高入射到衬底表面原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄 膜的质量。 本实验中所用的磁控溅射系统为中国沈阳科学仪器研究所生产的j g p 4 5 0 型超高真空磁控溅射设备。本系统( 图3 2 ) 主要由磁控溅射室、磁控溅射靶、 l 毡 暇 阀 图3 2j g p 4 5 0 磁控溅射系统 六基片加热公转台、单基片加热台、工作气路、抽气系统、安装机台、真空测 量及电控系统等部分组成。 它可用于在高真空背景下，充入高纯氩气，采用磁控溅射方式制备各种金 属膜、介质膜、半导体膜，而且可以较好的溅射铁磁材料，制备磁性薄膜。在 镀膜工艺条件下，采用微机控制样品转盘和靶挡板，既可以制备单层膜，又可 以制备各种多层膜，为新材料和薄膜科学研究领域提供了十分理想的研制手段。 该设备的溅射靶采用多靶立式溅射结构，靶在下，基片在上，向上溅射成膜， 1 7 卜海人学硕十学位论义 真空室下部有三个磁控阴极靶，各靶均用水冷却，其直径为6 c m ，可安装厚度 在6 r a m 以下的靶材料。本系统真空的获得采用f b 6 0 0 涡轮分子泵和2 x z 8 机 械泵抽气系统，溅射系统所用的所有阀门均为气动阀门。 3 2 光刻 光刻( 1 i t h o g r a p h y ) 【4 3 1 是利用掩模版上的几何图彤，通过光化学反应，将 图案转移到覆盖在基片卜的感光薄膜层上( 光致抗蚀剂、光刻胶、光阻) 的一一 种工艺过程。光刻技术主要用于半导体集成电路的制作，包括半导体器件、隔 离槽、接触孔、金属线等各种集成电路的微结构。这里我们利用光刻技术米制 作太赫兹波段的金属薄膜微结构。因为现在的光刻技术的精度已经可以达到纳 米量级，而所需要制作的太赫兹波段亚波长微结构尺寸只是微米量级。因此， 只需要利用简易的光刻设备就可以实现太赫兹波段金属薄膜亚波长微结构的制 作。 光刻技术主要包括三要素：光刻胶、掩模和光刻机。 按照光刻胶的性质光刻技术分为正性光刻和负性光刻两种。正性光刻是通 过光刻t 艺将与掩模相同的图形转移到衬底基片上；而负性光刻则正好相反， 衬底基片上得到的图形和掩模的图像相反。图3 3 ( a ) 、( b ) 分别为正性光刻和 负性光刻示意图。 l 。，l 上上鼙竞l l l u 曝光 b ) 疑錾 图3 3正性和负性光刻区别，a 图为正性光刻胶的曝光显影结 果，b 图为正性光刻胶的曝光显影结果 无论用那种类型的光刻，一般工艺流程都分为衬底的预处理、涂胶、前烘、 曝光、显影、后烘、刻蚀、去胶等。整个过程较为复杂、而且各个工艺相互影 响。下面对本实验中各个流程做简要介绍。 上海人学硕十学位论义 ( 1 ) 衬底的预处理实验中主要是对镀膜衬底进行干燥处理，使得衬底 表面有良好粘附性。 ( 2 )涂胶涂胶就是在衬底的表面覆盖一层光刻胶。但是所涂覆胶层必 _ 逐p 脚一 搿磁黜。 l 弓( 白。因此由4 2 和4 3 式得 2 去( 厄s j l 3 护) = 以 ( 4 4 ) 正好和r a y l e i g h 的衍射极小值重合，可见在太赫兹波段s p o o f s p p 并不能用来解释 透射增强现象。由于实验中测得透射谱为零阶透射，因此透射极小并不是由于 r a y l e i g h 异常引起的。相反，s p o o f s p p 波长与瑞利波长交叠，能量耦合到了消失 的衍射级中，此时s p o o f s p p 波是抑制透射的。这里我们认为这种透射增强是由 于金属波导的横向半波共振( h a l f w a v e l e n 垂hr e s o n a n c e ) 5 6 所引起的。根据二维孔 的亚波长微结构形状共振机制，以矩形孔为例，其共振峰应该出现在 五= 2 6 ( 4 5 ) 其中，6 为矩形孔长边的长度，为有效折射率。在线栅结构中，线栅结构的情 形相当于矩形孔的长边为无限长( 也就是文献例中狭缝的情况) ，这样透射共振 会出现在接近于0 t h z 的地方。从图4 a 可以看出，样品的透射峰是出现在0 t h z 附 近的。因此，为了减小低频波段s p o o f s p p 对p 偏振透射的调制，就应该尽量减小 线栅的周期。 图4 5 给出了s 的偏振透射情况，与p 偏振相比，其透射率很低，而且和p 偏 振不同的是随着频率的增大透射率逐渐升高。这是因为对于金属狭缝米说只支持 s 偏振的消逝模式传耕5 引。对于理想金属来说，亚波长金属狄缝存在一个截止波 长疋= 昙。当波长大于覆时，s 波呈指数衰减，但是考虑到金属的电导率并非无 限大，因此，实验上所测的透射率要比用理想金属模拟的结果高。这种情况和可 见光s 偏振的电磁波在狭缝中传播类似。而且随着周期的减小，s 偏振的透过率也 有所升高。这主要是由于线栅的占空比( 仁机) 变大引起的。 卜海人学硕士学位论文 f d t d 模拟结果 a b c d ：= = ：篓要：， 1 01 50 51 01 5 f r e q u e n c y t h z 图4 5a 、b 、c 、d 四个样 s 偏振方向的人赫兹波透射率光谱 实验中，为了验证截止波长疋对s 偏振的调制作用，我们另外设计了一个 剧期l = 5 0j t m ，a = 2 0 p m 的线栅结构。样品c ( l = 9 0 m ，a = 3 0u m ) 和e ( l = 5 0 z m ，a = 2 0 , u r n ) 的太赫兹波段透射结果由图4 6 给出。c 、e 两种线栅结构的占 空比盼别为f c = o 3 3 、r e = 0 4 。因为占空t l ：f c f e ，在s 和p 两个偏振方向的透射率 本应该有t c t e ，对于p 偏振方向的透射率依然有t c t e 。比较两种线栅结构可以发现，c 、e 两线栅截止波 长分别为1 5u r n 和1 0 t m