Métamatériaux flexibles en feuille d'aluminium réalisant la transparence induite électromagnétiquement par couplage conductif

Résumé

Nous proposons un métamatériau métallique térahertz à couplage conductif exhibant un analogue de transparence induite électromagnétiquement (EIT), où les antennes mode brillant et mode sombre interagissent via courants de surface plutôt que couplage champ proche. La feuille d'aluminium, très bon marché et souvent utilisée dans l'emballage alimentaire, est utilisée pour fabriquer nos métamatériaux. Ainsi, nos métamatériaux sont aussi des métamatériaux flexibles. Dans notre design, des résonateurs barre aluminium et des résonateurs anneaux fendus (SRR) aluminium sont connectés (plutôt que séparés) sous forme d'une structure en fourche. Nous menons simulation numérique et expérience pour analyser le mécanisme. Le courant de surface dû à la résonance plasmonique de surface localisée (LSP, mode brillant) circule le long de différents chemins, générant une différence de potentiel aux fentes des SRR. Ainsi, une résonance LC (mode sombre) est induite, et le mode brillant est supprimé, résultant en EIT. Le phénomène de type EIT exhibé par le métamatériau est induit par courants de conduction de surface, ce qui peut fournir de nouvelles idées pour la conception de métamatériaux EIT. De plus, le processus de fabrication de microstructures sur substrats flexibles peut servir de référence pour produire futures microstructures flexibles.

Introduction

Les métamatériaux sont des composites artificiellement conçus à structures sous-longueur d'onde. Leurs propriétés physiques (constante diélectrique, perméabilité, conductivité) peuvent être arbitrairement conçues en changeant structure et taille du réseau périodique. De nombreux phénomènes intéressants peuvent être réalisés en adaptant la géométrie des cellules unitaires, avec immense potentiel d'application : métalentilles et régulation front d'onde en métasurface, milieux indice négatif, polariseurs, absorbants métamatériaux, dispositifs mi-reconfigurables. La combinaison métamatériaux et matériaux bidimensionnels élargit encore le champ de recherche. Parmi eux, l'analogue de transparence induite électromagnétiquement (EIT) exhibé par les métamatériaux est un sujet de recherche brûlant.

L'EIT est un phénomène quantique-mécanique originalement observé dans systèmes atomiques/moléculaires basé sur interférence destructive entre transitions pilotées par deux faisceaux laser. L'EIT rend un milieu hautement opaque transparent sur une région spectrale étroite par absence d'absorption, maintenant réalisé dans structures guides d'onde. D'autre part, l'analogue EIT est aussi observé dans métamatériaux, caractérisé par un pic transparent relativement étroit dans une large région opaque du spectre. Diverses résonances peuvent se produire dans métamatériaux à cause de l'interaction entre structures périodiques et champ électromagnétique incident. L'interférence destructive entre différentes résonances cause phénomènes de type EIT. De nombreux chercheurs s'engagent sur ce sujet, variété structures proposées pour réaliser ce phénomène. Le mécanisme commun de formation EIT est basé sur interférence destructive entre « modes brillants » et « modes sombres ». Exemple : oscillation inductive-capacitive (LC) dans SRR métalliques supprime résonance plasmonique de surface localisée (LSP) dans barres métalliques ; quadrupôle supprime dipôle dans métamatériaux combinés avec résonateurs barre ou rainures barre dans directions différentes ; résonance magnétique dans bloc diélectrique ou résonateur anneau diélectrique supprime résonance électrique dans résonateur barre diélectrique. L'interférence destructive entre mode brillant à facteur qualité (Q) bas et mode brillant à Q plus haut (quasi-mode sombre) induit aussi analogue EIT. Exemple : résonances LC Q plus haut dans SRR suppriment résonances LSP Q plus bas dans résonateurs anneau métalliques ; mode guide Q plus haut dans couche guide d'onde supprime résonances dans structure périodique au-dessus. Certains savants ont incorporé substances contrôlables pour réaliser accordage tout-optique EIT ou contrôle électronique actif EIT. Dans la plupart designs, particulièrement métamatériaux métalliques, antennes modes différents sont toujours séparées ; elles interagissent par couplage champ proche.

Un métal a haute conductivité électrique en bande térahertz. De plus, structure métamatériau métallique soumise à plasmon de surface quand résonance excitée, courant de conduction de surface induit simultanément, rendant couplage conductif possible. Ici, nous proposons design où différents résonateurs interagissent via courants de surface. Nous proposons un métamatériau métallique térahertz à couplage conductif, où antennes mode brillant et mode sombre sont connectées en structure fourche pour réaliser analogue EIT.

Méthodes/Expérimental

Figure 1 montre design métamatériau térahertz à couplage conductif proposé. Structure : réseau périodique fourche formé par interconnexion résonateurs barre aluminium et SRR aluminium. Périodes cellules unitaires égales directions x et y : P_x = P_y = 150 μm. Longueur SRR carré a = 45 μm. Espace entre deux SRR S = 30 μm. Fente SRR g = 10 μm. Longueur barre aluminium L = 65 μm. Largeur ligne bandes aluminium et SRR w = 8 μm. Substrat : téréphtalate de polyéthylène (PET). Simulations : simulations ondes complètes CST Microwave Studios (aluminium conductivité 3,56 × 10⁷ S/m, permittivité PET 3,2). Épaisseur structure aluminium 150 nm simulation. Onde incidente plane propagant direction opposée axe z. Champs électrique et magnétique incident polarisés axes y et x respectivement.

Expérience : composite film PET-aluminium acheté comme matière première. Cette feuille aluminium commerciale très bon marché, souvent utilisée emballage alimentaire courant. Lithographie (écriture laser directe) et gravure humide employées fabrication. Comparé technologies micro/nanofabrication conventionnelles, écriture laser directe offre avantages distincts : traitement designable sans masques, facilité intégration dispositifs donnés, faisabilité capacité structuration 3D. Substrat PET très souple (~20 μm épaisseur), nous avons d'abord ajouté liquide volatile sur substrat quartz plat propre, puis aplati composite PET-aluminium sur quartz, évacué air entre composite et quartz. Après évaporation liquide, composite plat adhère fermement surface quartz ; commode pour processus ultérieurs photorésistif spin-on et photolithographie.

Après fabrication métamatériau, délicatement retiré substrat quartz pour tests. Spectroscopie domaine temporel térahertz (THz-TDS) employée mesurer coefficients transmission complexes échantillons incidence normale polarisation y. Matériau flexible figure 2 : échantillon métamatériau fabriqué, portion intermédiaire apparemment transparente = réseau périodique 60 × 80. Image microscopique structure couplée conductivement fabriquée en encart. Méthode ci-dessus fournit référence fabrication microstructures matériau flexible pour réaliser dispositif flexible.

Résultats et discussion

Figure 3 : spectres fréquences simulés et mesurés métamatériau métallique térahertz couplage conductif, trait noir continu et trait bleu pointillé respectivement. Image microscopique structure aussi montrée à côté. Courbe mesurée et résultat simulation en bon accord. Métamatériau fabriqué exhibe pic transmission ~0,76 THz. Pic EIT mesuré gamme ~0,15–0,45, inférieur simulation (0,7). Selon rapport fréquence centrale pic transmission / largeur à mi-hauteur (FWHM), facteur Q spectre simulé 17,5, décline ~12 résultat expérimental dû pertes et précision mesure. Pour comparer métamatériau térahertz couplage conductif avec structures conventionnelles où résonateur barre métallique et SRR métalliques interagissent couplage champ proche, nous avons fabriqué et testé échantillon où résonateur barre séparé des SRR. Figure 3 montre aussi spectres simulés/mesurés structure conventionnelle, trait rouge continu et trait rose pointillé. Pour structure conventionnelle séparée, ni phénomène EIT ni résonance n'occurrence gamme 0,5–1 THz. Par comparaison, mécanisme notre métamatériau EIT conductif différent structure conventionnelle séparée.

Bien que résultats expérimentaux mostly accordent simulation, différences mineures existent. Nous avons analysé et simulé effets différents paramètres résultats, figure 4. Premièrement, structure métamatériau aluminium. Surface aluminium forme facilement film oxyde dense, réduisant conductivité structure et affaiblissant effet couplage conductif. Effet conductivité sur phénomène EIT figure 4a. Conductivité diminue (3,56 × 10⁷ → 3,56 × 10⁵ S/m) : amplitude EIT diminue significativement, fréquence décale légèrement 0,76 → 0,72 THz. De plus, tailles métamatériaux fabriqués mesurées microscope. Différences entre taille structure fabriquée et paramètres simulation : largeur ligne w (6,5–7,5 μm) plus fine que design (8 μm) ; longueur SRR carré a (43–41 μm) plus petite design (45 μm) ; longueur barre L (61–62 μm) plus courte design (65 μm). Influences w, a, L sur effet EIT figures 4b, c, d. Figure 4b : w diminue → fréquence EIT diminue. w implique SRR et barre métallique, changement paramètre cause décalage fréquence absorption et transmission EIT. Figures 4c, d : a et L diminuent → pic transmission et gamme absorption EIT apparaissent décalage bleu (fréquence augmente). Combinaison toutes différences expérience/simulation → différence spectre mesuré réel vs simulé. De plus, selon décalage fréquence région absorption et pic transmission causé variation paramètres figure 4, on peut conclure que bien que antennes mode brillant/sombre intégrées structure, il y a aussi exigences strictes tailles deux antennes pour faire correspondre fréquences deux modes.

Pour analyser davantage mécanisme formation EIT métamatériau conductif, nous avons simulé courant surface et distribution champ électrique à fréquence pic EIT (0,76 THz) et creux transmission (0,71 et 0,81 THz), côtés gauche/droit figure 5. Figure 5a : courant surface circule bras métallique externe SRR vers résonateur barre. Cohérent direction polarisation champ électrique incident : d'une extrémité à l'autre axe y oscillation aller-retour, exhibant résonance LSP typique. Figure 5b : distribution courant surface fréquence EIT (0,76 THz). Courant surface tourbillonnaire concentré principalement SRR, indiquant résonance LC fondamentale et suppression résonance LSP. Second creux transmission fréquence plus haute (0,81 THz) : distribution courant surface d'une extrémité à l'autre direction axe y, indiquant résonance LSP (fig. 5c). Cependant, courant surface circule bras métallique interne SRR. Comparé chemin figure 5a, chemin conduction courant surface figure 5c plus court, correspond longueur d'onde résonance plus courte et fréquence résonance plus haute. Figures 5e, d, f : distributions champ électrique fréquences pic transmission EIT et deux creux transmission. Figure 5e : énergie champ électrique concentrée principalement fentes SRR ; figures 5d, f : énergie concentrée principalement deux extrémités structure. Phénomènes correspondent distributions courant surface respectives.

En fait, génération cette résonance LC (mode sombre) peut aussi s'expliquer connaissances circuit. Quand résonance LSP (mode brillant) excitée, courant surface oscille aller-retour axe y. Quand courant arrive point connectant résonateur barre et SRR, bifurcation chemin conduction. Courant circule jonction vers fentes SRR par deux chemins conductifs. Un chemin le long bras métallique externe SRR, cohérent sens courant surface figure 5a. L'autre via bras métallique interne SRR, figure 5c. Ce phénomène analogique processus charge/décharge fentes SRR. Déjà littératures modélisant résonateur couplé barre métallique-SRR comme circuit RLC, concept « résonance LC » utilisé depuis années. Fente SRR métallique considérée comme condensateur. Quand courant surface conduit sur bras métallique, bien que conductivité métal élevée, résistance existe. De plus, sous oscillation haute fréquence ondes électromagnétiques, certaine entrave changement rapide courant surface : inductance. Résistance et inductance bras métallique proportionnelles longueur bras. Si deux chemins côté externe/interne après bifurcation asymétriques (fig. 6a), R₁ < R₂ + R₃, L₁ < L₂ + L₃. Donc quand C₁ charge/décharge, vitesses deux chemins toujours différentes, résultant différence potentielle fente SRR. Équivalent excitation électrique additionnelle appliquée fentes SRR, similaire excitation champ électromagnétique externe appliquée SRR champ électrique polarisé le long fente. Bien connu : mode résonance LC dans SRR excité quand champ électrique incident polarisé le long fente.

Cependant, si points connexion résonateur barre et SRR situés ligne centre verticale SRR (fig. 6b), deux chemins externe/interne après bifurcation symétriques. R₁' = R₃', L₁' = L₃'. Vitesses charge/décharge deux chemins toujours mêmes, pas différence potentielle.

Pour vérifier conjecture, nous avons conçu et fabriqué autre métamatériau où points connexion résonateur barre et SRR sur ligne centre verticale SRR. Longueurs deux chemins conduction (courants le long bras métallique externe/interne SRR) peuvent être mêmes. Figure 7a : spectres simulés/mesurés ce métamatériau. Image microscopique structure insérée à côté. Résultats simulés et expérimentaux démontrent seulement résonance cette gamme fréquence. Bien que fréquence résonance mesurée expérimentalement (~0,85 THz) ait déviation fréquence résonance simulée (~0,87 THz), principalement erreurs expérimentales, courbe mesurée et résultat simulation bon accord. Figure 7b : distribution courant surface quand résonance cette structure induite, exhibant résonance LSP typique. Distances deux chemins conduction mêmes → réduction potentielle deux chemins même → pas différence potentielle fentes → pas résonance LC ni analogue EIT formée.

Fréquence cette résonance LSP (0,87 THz) plus haute structure précédente. Dans structure actuelle, courant surface peut circuler deux chemins conduction. Équivalent circuit parallèle où résistance et inductance plus petites que chacune branches. Même effet passage chemin conduction plus court. Chemin plus court → longueur d'onde résonance plus petite → fréquence résonance plus haute.

Nous avons aussi simulé influence asymétrie deux chemins conduction sur phénomène EIT, résultats figure 8. Point connexion résonateur barre et SRR monte vers haut (fig. 8a) : amplitude pic transmission augmente. Figure 8b : barre connexion milieu pliée (préparation mouvement point connexion vers extérieur), fréquence région absorption EIT devient plus haute avec angle pliage croissant. Angle pliage augmente → plus parties chemin conduction connectées parallèle → chemin conduction plus large → même effet chemin plus court → longueur d'onde résonance plus petite → fréquence plus haute. Explique pourquoi fréquence résonance figure 7 plus haute figure 3. Figure 8c : point jonction vers extérieur → asymétrie diminue → vitesses charge/décharge C₁ deux chemins tendent même → différence potentielle plus faible → intensité mode sombre s'affaiblit progressivement → déclin pic transmission EIT. Reflète plus grande différence deux chemins le long SSR après bifurcation point connexion, plus fort effet EIT.

Nous avons aussi séparé structure EIT métamatériau conductif et l'étudiée séparément. Figure 9 : spectres simulés/mesurés différents composants structure. Figure 9a : structure combinée barre métallique + partie externe SRR produit résonance significative 0,72 THz excité champ électrique polarisé axe y. Figure 9d : distribution courant surface quand résonance cette structure induite, similaire figure 5a. Bien que direction différente, tendance globale courant surface considérée même, car champ électromagnétique incident oscille aller-retour. Figure 9b : spectres combinaison SRR excitation lumière incident différentes polarisations. Champ électrique polarisé perpendiculaire direction fente → pas résonance 0,5–1 THz, transmission reste niveau haut. Champ électrique polarisé parallèle fentes SRR → résonance générée 0,78 THz. Figure 9e : distribution courant surface quand cette résonance excitée. Courant surface circule aller-retour surface SRR, similaire figure 5b. Cependant, sens deux courants tourbillonnaires figure 9e même direction, tandis figure 5b miroir-symétrique axe y. Car figure 9e résonances deux SRR induites même champ électrique → sens courant tourbillonnaire même. Figure 5b : structure métamatériau proposée et directions différence potentielle fentes deux SRR miroir-symétriques axe y → courant surface excité miroir-symétrique axe y. Différence fréquences (0,76 vs 0,78 THz) attribuable fait courant tourbillonnaire métamatériau conductif pas strictement distribué seulement SRR, allongement chemin conduction → augmentation longueur d'onde résonance → fréquence pic EIT (0,76 THz) légèrement inférieure fréquence résonance LC combinaison SRR (0,78 THz). Figure 9c : structure combinée barre métallique + partie interne SRR produit résonance significative 0,79 THz champ électrique axe y. Figure 9f : distribution courant surface résonance cette structure, exhibant résonance LSP typique. Résonances composants susmentionnés correspondent conditions creux transmission basse fréquence, pic transmission EIT, creux transmission haute fréquence respectivement.

Conclusion

En conclusion, nous avons proposé un métamatériau métallique térahertz EIT à couplage conductif, où antennes mode brillant et mode sombre connectées structure fourche. Feuille aluminium, très bon marché souvent utilisée emballage alimentaire, utilisée fabrication métamatériaux. Analyses numériques et expérimentales menées analyser mécanisme. Courant surface dû résonance LSP (mode brillant) circule le long différents chemins. À cause asymétrie point connexion par rapport fente SRR, différence potentielle générée fentes SRR. Équivalent excitation champ électromagnétique externe champ électrique polarisé le long fente. Ainsi résonance LC (mode sombre) induite, mode brillant supprimé, résultant EIT. Structure proposée interagit via courants conduction surface. Peut fournir nouvelles idées design structural métamatériaux EIT. De plus, processus fabrication microstructures substrats flexibles peut servir référence production futures microstructures flexibles.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes données pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

EIT :

Transparence induite électromagnétiquement

LC :

Inductif-capacitif

SRRs :

Résonateurs anneaux fendus

LSP :

Plasmon de surface localisé

Q factor :

Facteur qualité

PET :

Téréphtalate de polyéthylène

THz-TDS :

Spectroscopie domaine temporel térahertz