Demostración experimental de múltiples resonancias de Fano en una matriz reflejada de división

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 15846 (2022) Citar este artículo

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Este trabajo demuestra la primera observación experimental de múltiples resonancias de Fano en el rango de terahercios en un sistema basado en una matriz de resonadores de anillos divididos simétricos en espejo depositados sobre un sustrato de politetrafluoroetileno (PTFE) de baja pérdida y bajo índice de refracción. Por primera vez, se ha utilizado la activación superficial selectiva inducida por tecnología láser para depositar una capa de cobre sobre un sustrato de PTFE con la aplicación adicional de litografía de máscara estándar para la fabricación de metasuperficies.

Se observan resonancias de tipo Fano en metasuperficies hechas de resonadores de anillo dividido (SRR). Para conseguirlo, se introduce una asimetría adicional en el SRR. Normalmente, el anillo se divide en dos secciones de diferentes longitudes donde se excita el llamado "modo oscuro", responsable de la aparición de la resonancia de Fano1. Debido al débil acoplamiento del modo oscuro con los campos eléctricos externos, la resonancia de Fano demuestra una alta calidad de resonancia. Por lo tanto, se espera que dicho metamaterial pueda encontrar aplicación en el desarrollo de una variedad de sensores2.

Debido a los diferentes requisitos de aplicación, el interés de la investigación en el campo de la resonancia de Fano se ha extendido desde una sola resonancia de Fano a múltiples resonancias de Fano. Las resonancias multiespectrales de Fano son prometedoras en la detección bioquímica multicanal3, la generación de segundos armónicos multibanda4 y los absorbentes/emisores multibanda5. Mientras que una sola resonancia de Fano surge de la combinación de un modo brillante y un modo oscuro, la combinación de un modo brillante con varios modos oscuros puede dar como resultado varias resonancias de Fano. Se crean múltiples resonancias de Fano mediante la introducción de nuevas asimetrías en una estructura periódica plana6, la excitación colectiva de una red de metamoléculas que consta de dos resonadores metamateriales diferentes7, mediante el acoplamiento entre el modo de plasmón-polaritón de superficie y los modos de guía de onda plana de múltiples órdenes8. Múltiples resonancias de Fano en estructuras de guías de ondas de metal-aislante-metal con diferentes formas de cavidades9 han atraído la atención de muchos investigadores debido a sus características sobresalientes, incluida la facilidad de integración y el confinamiento profundo de la luz por debajo de la longitud de onda en las longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Se han propuesto estructuras híbridas de guía de ondas de metamaterial (HMW) para establecer múltiples picos de Fano causados por la interferencia destructiva de los modos de plasmón brillante y cuasi guiado oscuro. Las consideraciones teóricas han demostrado que, debido a las características multimodo de la guía de ondas de placa, el diseño HMW puede ofrecer una manera fácil de realizar múltiples resonancias de Fano en resonadores metálicos simples que operan en los rangos espectrales del infrarrojo lejano y de los terahercios10,11,12. Recientemente, en el rango de frecuencia de GHz, se ha demostrado experimentalmente una transparencia múltiple inducida electromagnéticamente utilizando una metasuperficie de doble capa13 y una extensión de conversión de polarización de banda ultraancha utilizando múltiples resonancias de Fano14. En ambos casos, para lograr resonancias múltiples, las celdas unitarias de las metasuperficies propuestas han sido bastante complicadas.

En este trabajo, presentamos la primera observación experimental de múltiples resonancias de Fano en el rango de terahercios en un sistema HMW basado en una matriz de resonadores de anillos divididos simétricos en espejo15,16. Proponemos un esquema para la observación de resonancia de Fano múltiple mediante la interacción del modo plasmónico con modos de guía de ondas dieléctricas que aparecen en una matriz simétrica de espejo de SRR depositados sobre un sustrato de politetrafluoroetileno (PTFE) de baja pérdida y bajo índice de refracción. Al aumentar el espesor del sustrato, se excitan modos de guía de ondas más altos. Como resultado, interactúan con el modo plasmónico y aparecen múltiples resonancias de Fano. El número de resonancias Fano y sus frecuencias características se pueden ajustar simplemente cambiando el grosor del sustrato. Sorprendentemente, nuestro diseño proporciona una guía de ondas abierta (sin revestimiento) con un gran potencial para diseñar biosensores, sensores de índice de refracción y filtros de múltiples longitudes de onda.

Se conocen varios métodos que se pueden aplicar para fabricar metasuperficies, como la impresión por inyección de tinta17, la serigrafía18, la impresión rollo a rollo19 y la deposición química de vapor20. Sin embargo, ninguno de los métodos mencionados puede depositar una capa metálica sobre el sustrato de PTFE con suficiente adherencia al sustrato. Por lo tanto, en este trabajo se utiliza el novedoso método de activación selectiva de superficie por láser (SSAIL)21,22,23,24. SSAIL contiene 3 pasos principales: modificación con láser de la superficie dieléctrica, activación química de las áreas modificadas mediante inmersión en solución y deposición química de metal sin electricidad de las partes activadas. La nueva tecnología ofrece velocidades de escritura láser de hasta 4 m/s y, por lo tanto, el paso espacial del revestimiento se mantiene tan estrecho como 25 µm. En comparación con otras tecnologías de revestimiento, la principal ventaja del proceso SSAIL es que el proceso es selectivo y la deposición de cobre aparece sólo en la superficie modificada con láser. Además, SSAIL no requiere aditivos especiales en la matriz polimérica y se puede utilizar material comercial estándar (disponible en el mercado) como soporte del circuito. SSAIL aporta beneficios únicos para la aplicación de PTFE al formar una alta adhesión del cobre al sustrato. Además, las estructuras SRR se fabrican utilizando fotolitografía de máscara estándar.

La metasuperficie que estudiamos se muestra esquemáticamente en la Fig. 1. Se ve que el SRR, en cada segunda columna de la matriz, gira 180 grados. Esta configuración ha permitido la detección más temprana de la resonancia de Fano única15,16.

Esquemas de la matriz reflejada de SRR y celda unitaria única ampliada. La dimensión de la celda unida en la dirección x Lx es dos veces mayor que Ly = 600 μm. Las dimensiones de SRR son A = 500 μm, W = G = 50 μm, el espesor de metalización es de 10 μm y el campo eléctrico externo es paralelo al eje y.

Dado que el campo eléctrico de las ondas electromagnéticas cruza la brecha de SRR, en ellos se excitan modos plasmónicos impares (n = 1, 3,…), donde n es el número de medias longitudes de onda de oscilaciones que encajan en el perímetro de SRR25.

Para la investigación experimental, los resonadores se construyen sobre un sustrato de politetrafluoroetileno (PTFE). El PTFE es un material que tiene propiedades mecánicas y eléctricas únicas. Su característica distintiva son las bajas pérdidas dieléctricas. Por este motivo, el PTFE es un material atractivo para aplicaciones en la banda de GHz. Sin embargo, dado que el material tiene un coeficiente de fricción muy bajo, resulta complicado depositar el metal sobre la superficie del PTFE. Existen varios estudios basados en grabado químico y grabado con plasma26,27. Sin embargo, aplicamos una tecnología SSAIL relativamente nueva propuesta en21. La tecnología SSAIL ya se ha aplicado para la metalización de diferentes materiales dieléctricos, incluidos vidrio, cerámica y diversos polímeros. En este trabajo, combinamos tecnologías químicas y láser, y demostramos la primera aplicación de este método para la metalización de PTFE con suficiente adhesión y excelentes propiedades electromagnéticas en el rango de THz (ver Métodos).

Las simulaciones numéricas se realizan utilizando un programa personalizado basado en un método de diferencias finitas en el dominio del tiempo. Para la simulación de la matriz SRR, se utiliza la celda unitaria que se muestra en la Fig. 1. El pulso gaussiano diferenciado se genera utilizando una fuente de onda plana de campo total-campo disperso, y el dominio de modelado se trunca mediante capas uniaxiales perfectamente adaptadas para introducir la absorción de ondas sin reflexión28. Finalmente, se utiliza el método basado en el algoritmo generalizado de Goertzel para calcular los espectros de transmitancia29.

La capa de PTFE sobre la que se depositan los SRR puede considerarse una guía de ondas dieléctrica. Debido a la difracción de ondas electromagnéticas en una matriz periódica de SRR (consulte la Fig. 1), los modos de guía de ondas se pueden excitar en él. Reflexionando sobre los planos delantero y trasero de la muestra, viajan en el plano x0y. Para determinarlos hay que utilizar las técnicas descritas en30,31. El haz difractado queda atrapado en una placa dieléctrica cuando cae sobre la interfaz dieléctrico-aire en un ángulo mayor que el ángulo de reflexión interna total θc, donde

Para encontrar los modos que se propagan a través de una losa dieléctrica, es necesario resolver una ecuación algebraica que relacione los componentes de las ondas electromagnéticas en ambos lados de la interfaz30 o satisfacer la llamada "condición de autoconsistencia" para el haz que se propaga a través del dieléctrico y se refleja desde ambas interfaces31. En ambos casos la solución debe encontrarse numéricamente. Por lo general, el modo cero en una guía de ondas dieléctrica no tiene una frecuencia crítica, mientras que los modos superiores sí la tienen. Por lo tanto, sólo pueden excitarse a una frecuencia superior a la crítica. Dado que, en nuestro caso, los modos en el sustrato dieléctrico son excitados por la difracción de un rayo de un patrón periódico formado en la superficie del dieléctrico, el ángulo θd, para la onda incidente perpendicularmente a la metasuperficie, se puede expresar como

aquí λ es la longitud de onda de los rayos incidentes en las metasuperficies, l = 1, 2,… es el orden de difracción, y Lx denota el período de la matriz de resonadores en la dirección x (consulte la Fig. 1). En la medida en que el campo externo esté dirigido en la dirección Ly, consideramos solo modos TE excitados en el sustrato dieléctrico. Además, del número infinitamente grande de modos posibles que podrían excitarse en la guía de ondas dieléctrica, sólo se consideran aquellos cuyo ángulo de incidencia en la interfaz corresponde al ángulo del haz difractado.

En la Fig. 2, presentamos un ejemplo de modos que pueden excitarse en un sustrato de 1000 µm de espesor con una rejilla de período de 1200 µm depositada en su superficie. Las líneas continuas muestran el ángulo de incidencia sobre la interfaz dieléctrico-aire de los modos de guía de ondas excitados en una placa dieléctrica rodeada de aire. El ángulo de incidencia θ en la frecuencia más baja para cualquier modo es igual al ángulo crítico, que se indica mediante la línea de puntos horizontal en la figura. Las líneas discontinuas muestran los ángulos en los que el haz se desvía por difracción de una estructura periódica depositada en la superficie de la placa. Obviamente, la intersección de las curvas discontinua y continua muestra los modos que pueden excitarse en una placa con una metasuperficie periódica. En este caso particular, se pueden excitar los seis modos. Dos de ellos (m = 0, 1) aparecen debido a la difracción de primer orden y cuatro, a la difracción de segundo orden (m = 0–3). Sus frecuencias y ángulos θ se muestran en la Fig. 2.

Dependencias del ángulo en el que la luz incide en la interfaz dieléctrico-aire, de la frecuencia para una placa dieléctrica en el aire. El espesor de la placa d = 1000 μm, su constante dieléctrica es 2,0 y el período de rejilla Lx = 1200 μm. Las líneas continuas muestran los modos permitidos en la placa, las líneas discontinuas demuestran los ángulos de difracción y la línea de puntos denota el ángulo de reflexión interna total. Los puntos de intersección de las líneas continua y discontinua muestran modos que pueden excitarse en la placa con una metasuperficie depositada en su superficie, cuya periodicidad es Lx.

Las dependencias de frecuencia calculadas de la transmitancia de las matrices de espejos formadas sobre diferentes espesores de un sustrato se muestran en la Fig. 3. Para mayor claridad, las curvas están desplazadas en el eje de ordenadas una con respecto a la otra. Como puede verse en la figura, la resonancia de Fano observada anteriormente15,16 en matrices formadas sobre un sustrato relativamente delgado, se desplaza hacia las frecuencias más bajas a medida que aumenta el espesor del sustrato. La resonancia plasmónica de primer orden se comporta de manera similar. Sin embargo, a medida que aumenta el espesor del sustrato, en lugar de una resonancia de Fano, se pueden distinguir dos, y en muestras sobre el sustrato más grueso, se pueden distinguir incluso tres resonancias de Fano claras.

Espectros de transmitancia calculados del metamaterial compuesto por una matriz reflejada de resonadores de anillos divididos en un espesor diferente del sustrato (ε = 2). El espesor del sustrato se indica en la figura. Para mayor claridad, los espectros están desplazados en el eje de ordenadas. La letra n marca el número de modo plasmónico, diferentes colores corresponden a diferentes números de modo de guía de onda y la letra l representa el orden de difracción.

Como hemos estudiado metasuperficies formadas sobre sustratos gruesos, también deberían exhibir resonancias de Fabry-Perot. Sin embargo, debido a la baja permitividad dieléctrica del sustrato, la profundidad de la modulación del ancho de banda causada por estas resonancias no es grande. Esto se confirma con los resultados computacionales que se muestran en la Fig. 4. Además del espectro calculado para una metasuperficie formada sobre un sustrato de 1,2 mm de espesor, se muestra la modulación de ancho de banda mediada por resonancia de Fabry-Perot. Es del orden del 10% y su influencia en la transmitancia de la metasuperficie no es significativa en el rango de frecuencia donde se observan resonancias de Fano agudas.

Espectro de transmitancia de la metasuperficie y franjas del espectro de Fabry-Perot para el sustrato considerado más grueso. La letra n denota el número del modo plasmónico, diferentes colores corresponden a diferentes modos de guía de onda, los números en un fondo de color marcan el modo de guía de onda y la letra l representa el orden de difracción.

A partir de los espectros calculados, que se muestran en la Fig. 3, determinamos la dependencia de la frecuencia de la resonancia de Fano y la primera resonancia plasmónica del espesor del sustrato. Los símbolos en la Fig. 5 muestran estos resultados. Como muestra la Fig. 5, la frecuencia de resonancia plasmónica disminuye con el aumento del espesor del sustrato dieléctrico hasta que el espesor alcanza aproximadamente 100 μm. Un aumento ulterior del espesor no influye sobre la frecuencia plasmónica. Se puede suponer que para d > 100 μm, la permitividad dieléctrica efectiva de la interfaz se puede expresar como el promedio de las permitividades dieléctricas en cada lado de la interfaz \({\varepsilon }^{*}=(\varepsilon +1) /2,\) donde ε es la permitividad del sustrato dieléctrico y la unidad corresponde a la permitividad dieléctrica relativa del espacio libre. Considerando la resonancia plasmónica como la resonancia del circuito LC, está claro que al aumentar d estamos cambiando la capacitancia del circuito equivalente, mientras que la inductancia permanece sin cambios. Por lo tanto, formalmente la dependencia de la frecuencia de resonancia plasmónica de ε* se puede expresar \({f}_{pl}=1/\left(2\pi \sqrt{LC}\right)\sim \frac{1}{\ sqrt{{\varepsilon }^{*}}}\). Teniendo en cuenta que ε = 2, se puede obtener que la frecuencia de resonancia debería disminuir en un factor de 1,225 cuando d aumenta. Sorprendentemente, esto es exactamente el mismo que el ratio obtenido de los resultados de la simulación: fpl(d = 0)/fpl(d > 100 μm) = 82/67 = 1,224.

Dependencias de las frecuencias de resonancia del espesor del sustrato. Los puntos muestran resultados extraídos del espectro de transmitancia calculado. Los cuadrados corresponden a la primera resonancia plasmónica y otros puntos muestran las frecuencias de resonancia de Fano. Las líneas continuas demuestran frecuencias de modos de guía de ondas excitados en un sustrato dieléctrico.

Como se ve en la Fig. 5, recopilada a partir de las dependencias espectrales de la transmitancia (consulte la Fig. 3), las frecuencias de resonancia de Fano demuestran una dependencia mucho más fuerte del espesor del sustrato que la primera resonancia plasmónica. En consecuencia, difícilmente puede explicarse por la variación de la permitividad dieléctrica efectiva. Sin embargo, una serie periódica de SRR depositados sobre el dieléctrico conduce a la difracción de la radiación electromagnética, y los rayos difractados que caen sobre el sustrato en un ángulo mayor que el ángulo de reflexión interna total no pueden escapar del sustrato. Así, los modos de guía de ondas se excitan en el dieléctrico, que interactúa con la resonancia plasmónica (n = 3) dando lugar a las resonancias de Fano mencionadas anteriormente.

Considerando sólo el primer orden de difracción, ya que es de interés en el rango de frecuencia hasta 300 GHz, donde se han observado resonancias de tipo Fano, hemos calculado la dependencia de las frecuencias excitadas en modo guía de onda de orden cero, primero y segundo orden con respecto al espesor. del sustrato. Los resultados del cálculo se muestran en la Fig. 5 mediante líneas continuas. Se ve que las frecuencias de resonancia de Fano coinciden bastante bien con las frecuencias del modo de guía de ondas, especialmente cuando aumenta el espesor del sustrato. Este hecho apoya firmemente la propuesta de que múltiples resonancias de Fano aparecen como consecuencia de la interacción de un modo plasmónico amplio con modos de guía de onda estrechos. Existe cierta discrepancia en las frecuencias de modo calculadas en comparación con los datos obtenidos de los espectros simulados. La cuestión es que los modos se calculan para una placa dieléctrica, cuyos lados están rodeados de aire. En la situación real, un lado de la placa está cubierto por SRR metálicos, lo que provoca la aparición de modos plasmónicos y resonancias de tipo Fano en los espectros de transmisión. Obviamente, esto da como resultado un cambio en la fase de la onda reflejada desde la metasuperficie que puede influir en la frecuencia del modo de guía de onda excitada32. Es evidente que la diferencia entre los resultados obtenidos de la aproximación del modo y de las simulaciones espectrales disminuye con el aumento del espesor del sustrato. Esto sucede porque el ángulo de incidencia en la interfaz aumenta al aumentar d y, por lo tanto, el cambio de fase adicional debido a la red metálica tiene una contribución cada vez menor al cambio de fase total acumulado por el haz que viaja a través de la muestra como un Modo de guía de ondas dieléctrica.

Medimos el espectro de transmitancia de las matrices SRR depositadas sobre el sustrato de PTFE para confirmar nuestra consideración teórica. El espesor del sustrato es de 1 mm. Se aplica la tecnología SSAIL descrita en Métodos. Los resultados experimentales junto con el espectro calculado se muestran en la Fig. 6. Se ve que teóricamente se predicen tres resonancias de tipo Fano. Las letras a, b y c etiquetan esas resonancias. Sus factores Q calculados difieren significativamente. La resonancia muy aguda (a) tiene un factor Q de más de 200, mientras que (b) y (c) tienen aproximadamente 80 y 30, respectivamente. Como se desprende de la figura, la resonancia de Fano más aguda (a) no se distingue experimentalmente. La frecuencia de las resonancias de Fano medidas (b) y (c) coinciden perfectamente con los datos simulados. Sin embargo, las amplitudes de las resonancias son inferiores a las previstas, como suele ocurrir en el dominio de frecuencia de THz15. Descubrimos que las amplitudes de los picos de Fano medidos están estadísticamente dispersas dentro del 10%, debido a su alta sensibilidad a los parámetros de la tecnología de fabricación.

Dependencias medidas y calculadas de la transmitancia de SRR reflejado sobre un sustrato de PTFE de 1 mm de espesor. La letra n indica el número del modo plasmónico, diferentes colores marcan diferentes modos de guía de onda, los números sobre un fondo de color corresponden al modo de guía de onda y la letra l representa el orden de difracción. Las letras a, byc denotan resonancias de Fano.

Las resonancias agudas etiquetadas con las letras d, e y f se han predicho teóricamente con factores Q que van desde aproximadamente 300 (d) y (e) hasta 600 (f). Sus frecuencias características corresponden aproximadamente a m = 0, 1 y 3 modos excitados en el sustrato debido a la difracción de segundo orden en una rejilla de período de 1200 µm depositada en la superficie de un sustrato de 1 mm de espesor (consulte la Fig. 2). Las resonancias (d), (e) y (f) aparecen en el espectro de transmisión como mínimos de transmisión en frecuencias donde se excitan los modos de guía de ondas. Sin embargo, no se resuelven experimentalmente debido a la precisión insuficiente del procesamiento de muestras.

A la vista de los resultados obtenidos, hemos observado por primera vez múltiples resonancias de tipo Fano que aparecen en metasuperficies con resonadores orientados a espejo formados sobre sustratos suficientemente gruesos debido a la interacción de los modos de guía de ondas con el modo plasmónico. El análisis de las corrientes superficiales en resonancia (no mostradas) revela que las razones físicas de la aparición de resonancia de Fano en el presente artículo son prácticamente las mismas que en nuestro trabajo anterior, donde se ofrecen más detalles sobre el momento dipolar de las corrientes que fluyen en el SRR en el máximo de transmisión. y se puede encontrar un mínimo15.

Como resultado de la interacción del modo plasmónico (n = 3) con los modos de guía de ondas dieléctricas, las múltiples resonancias de Fano se han predicho teóricamente en una matriz reflejada de resonadores de anillos divididos depositados sobre un sustrato grueso de PTFE. El método SSAIL se ha adaptado para la formación de SRR de alta calidad a partir de cobre sobre un sustrato de PTFE. Las predicciones teóricas se han confirmado experimentalmente en la metasuperficie fabricada con tecnología SSAIL. En comparación con 13,14, donde también se han observado múltiples resonancias, la celda unitaria propuesta de la metasuperficie es mucho más simple en el presente trabajo. Además, el número, la frecuencia y la amplitud de las resonancias de Fano podrían ajustarse cambiando el grosor del sustrato.

En este trabajo se utilizó politetrafluoroetileno (PTFE) como material de sustrato para SRR.

SSAIL contiene tres pasos principales: modificación de la superficie mediante rayo láser, activación química de las áreas modificadas sumergiéndolas en una solución especial y deposición química de metal sin electricidad sobre las partes activadas. En la Fig. 7 se muestra un diagrama general de activación de superficie, su metalización y fabricación de SRR.

Un diagrama general de deposición de cobre sobre PTFE utilizando tecnología SSAIL y fabricación SRR utilizando el método de fotoenmascaramiento estándar. Paso 1: tratamiento de la superficie con láser de las áreas que se pretenden metalizar, paso 2: grabado de las áreas tratadas con láser, paso 3: activación química de las áreas tratadas con láser con catalizador de plata, paso 4: revestimiento de cobre no electrolítico en un baño alcalino, paso 5: recubrimiento por rotación de fotoprotector, paso 6: fotolitografía con máscara y proceso de revelado, paso 7: grabado de la estructura de la metasuperficie con solución ácida RCA y enjuague posterior.

El paso de modificación láser para la deposición selectiva de cobre se realiza utilizando el láser de picosegundo Nd:YVO4 Atlantic (Ekspla). La duración del pulso es de 10 ps, la tasa de repetición es de 400 kHz a 1 MHz y la potencia promedio máxima es de hasta 60 W. Se emplea un selector de pulso para ajustar un régimen de frecuencia más bajo. La traducción del rayo láser se realiza con un escáner galvanométrico (Scanlab AG). La lente F-theta de 160 mm de distancia focal se utiliza para enfocar el rayo láser en la superficie del sustrato. El rayo láser barrió la zona a metalizar mediante líneas paralelas superpuestas. El tamaño del punto del rayo láser enfocado fue de 25 µm de diámetro (nivel de intensidad gaussiano 1/e2).

Los pasos especialmente adaptados del proceso SAIL para el polímero PTFE son los siguientes. Después de la escritura con láser, la muestra se sumerge en una mezcla de grabado de fluoropolímero (ARTILABO International BVBA, Bélgica) con tolueno durante 20 a 30 s. A continuación, se utiliza una solución de nitruro de plata (Sigma-Aldrich) altamente diluida para la activación química de las muestras. Además, la deposición de cobre no electrolítica se realiza durante 60 minutos a 30 °C. El baño de cobre contiene sulfato de cobre pentahidratado (0,12 M), formaldehído (0,3 M), hidróxido de sodio (1,2 M), carbonato de sodio (0,3 M) y tartrato de sodio y potasio (0,35) (todos Sigma-Aldrich). El pH de la solución es 12,7. Cuando finaliza el proceso de metalización, se forma una capa de cobre de aproximadamente 10 µm de espesor en la superficie de la muestra. Los resonadores en la superficie de PTFE se fabrican utilizando fotolitografía convencional y técnicas de grabado húmedo, que incluyen pasos: en primer lugar, los óxidos de cobre se eliminan mediante muestras emergentes en una solución de ácido acético al 4% en volumen y luego se secan con una pistola de nitrógeno; Se colocaron más muestras en una placa caliente durante 10 min a 120 °C para eliminar el vapor de agua, luego las muestras se recubrieron con fotoprotector AZ1518 durante 30 s a 1500 RPM, formando una capa de 3 µm, luego se calentaron en una placa caliente durante 4 min a 60 °C usando baja temperatura. para evitar el plegado/flexión del sustrato (se usó SUSS MA/BA6 Gen 4 para la alineación de la máscara), en el siguiente paso la fuente de alimentación UV se establece en una dosis constante de 100 mJ⁄(cm2), configuración de exposición 100006249 HR-A-IFP (no Filtrar 37%). La máscara se presiona contra la muestra mediante el método de contacto al vacío. Durante el paso de alineación de la máscara, la máscara SRR se orienta, de modo que el eje de simetría SRR (Fig. 1) coincida con las marcas de sombreado láser. A continuación, las muestras se lavan en revelador 1:4 351B:H20 en volumen durante 1 min; El grabado se realiza con una solución de RCA modificada 30:5:1 H2O:HCl:H2O2 en volumen durante aproximadamente 2 minutos, luego se elimina el fotoprotector lavando las muestras en acetona. La limpieza final se realiza lavando las muestras en agua desionizada y secando con una pistola de nitrógeno. Los detalles de los procesos se muestran en la Fig. 7. Los resonadores se fabrican en láminas de PTFE de 1 mm de espesor. El tamaño lateral de las muestras investigadas es de 2 × 2 cm2. Las dimensiones de SRR son A = 500 μm, W = G = 50 μm.

La potencia transmitida a través de la estructura se mide utilizando un espectrómetro comercial de terahercios en el dominio de la frecuencia (Toptica Terascan 780). La onda electromagnética incide perpendicularmente al plano de la muestra. El vector del campo eléctrico está dirigido en la dirección y. Los espectros de transmitancia de campo lejano se obtienen normalizando la potencia transmitida medida a la de referencia, medida en ausencia de la muestra investigada. El paso de frecuencia se mantiene en 0,2 GHz. En el rango de THz, las pérdidas disipativas son insignificantes ya que los metales son conductores casi perfectos33 y el sustrato de PTFE no es absorbente.

Los conjuntos de datos analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Fedotov, VA y cols. Resonancias agudas en modo atrapado en metamateriales planos con una simetría estructural rota. Física. Rev. Lett. 99(14), 147401 (2007).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Singh, R. y otros. Detección ultrasensible de terahercios con resonancias Fano de alta Q en metasuperficies. Aplica. Física. Letón. 105, 171101 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Ou, H., Lu, F., Xu, Z. y Lin, Y.-S. Metamaterial de terahercios con múltiples resonancias para aplicaciones de biodetección. Nanomateriales 10, 1038 (2020).

Artículo CAS PubMed Central Google Scholar

Liu, S.-D. et al. Resonancias Fano múltiples independientes de la polarización en no nombres plasmónicos para la generación de segundos armónicos multibanda mejorada con coincidencia multimodo. ACS Nano 10, 1442-1453 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Liu, X. y col. Domar el cuerpo negro con metamateriales infrarrojos como emisores térmicos selectivos. Física. Rev. Lett. 107, 045901 (2011).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Amarloo, H., Hailu, DM y Safavi-Naeini, S. Estructura de resonancias múltiples de Fano para aplicaciones de terahercios. Progreso Electromag. Res. Letón. 50, 1–6 (2014).

Artículo de Google Scholar

Nacido, N. et al. Excitación de múltiples modos propios atrapados en redes de metamoléculas de terahercios. Aplica. Física. Letón. 104, 101107 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Yang, L. y col. Características de múltiples resonancias de Fano en sensores de resonancia de plasmón superficial acoplados a guías de ondas basados en la teoría de guías de ondas. Ciencia. Rep. 8, 2560 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chao, C.-TC, Chau, Y.-FC y Chiang, H.-P. Múltiples modos de resonancia Fano en un sistema de cavidad de guía de ondas plasmónica ultracompacto para aplicaciones de detección. Resultados Fís. 27, 104527 (2021).

Artículo de Google Scholar

Zhao, X., Zhu, L., Yuan, C. y Yao, J. Sistema de guía de ondas de metamaterial híbrido reconfigurable en régimen de terahercios. Optar. Expreso 24, 18244–18251 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, W. y col. Sensor de resonancias Fano múltiples de alta calidad en una única estructura de guía de ondas de metamaterial en modo oscuro. Fotón IEEE. Tecnología. Letón. 30, 2068-2071 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Li, W., Lin, Q., Zhai, X. y Wang, L. Análisis numérico de resonancias Fano múltiples de alta Q. J. Optar. Soc. Soy. B 35, 2699–2704 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Liu, S., Xu, Z., Yin, X. y Zhao, H. Análogo de transparencia múltiple inducida electromagnéticamente utilizando metasuperficies de doble capa. Ciencia. Rep. 10, 8468 (2020).

Anuncios Google Scholar

Zhang, Z. y col. Metasuperficie de una sola capa para conversión de polarización de banda ultraancha: extensión del ancho de banda mediante resonancia de Fano. Ciencia. Rep. 11, 585 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Seliuta, D., Šlekas, G., Valušis, G. y Kancleris, Ž. Resonancia de Fano que surge debido a la interacción directa de los modos plasmónico y reticular en una matriz reflejada de resonadores de anillos divididos. Optar. Letón. 44(4), 759–762 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kancleris, Ž., Šlekas, G., Kamarauskas, A., Seliuta, D. Fano resonancia en metasuperficies y su aplicación. En 2020, 23.ª Conferencia Internacional de Radares y Microondas (MIKON), Varsovia, Polonia, 2020, 328–333, https://doi.org/10.23919/MIKON48703.2020.9253900.

Su, CH et al. Películas delgadas de estructura metálica-orgánica porfirínica impresas con inyección de tinta para electrocatálisis. J. Mater. Química. A 4, 11094–11102 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Li, M., Li, YT, Li, DW y Long, YT Desarrollos recientes y aplicaciones de electrodos serigrafiados en ensayos ambientales: una revisión. Anal. Chim. Acta 734, 31–44 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bariya, M. et al. Sensores electroquímicos impresos en huecograbado rollo a rollo para dispositivos médicos y portátiles. ACS Nano 12, 6978 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Barreca, D. et al. Composición y microestructura de películas delgadas de óxido de cobalto obtenidas a partir de un nuevo precursor de cobalto (ii) mediante deposición química de vapor. Química. Madre. 13(2), 588–593 (2001).

Artículo CAS Google Scholar

Ratautas, K. et al. Deposición selectiva de cobre asistida por láser sobre PA6 comercial mediante revestimiento catalítico no electrolítico: proceso y mecanismo de activación. Aplica. Navegar. Ciencia. 470, 405–410 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Khairullina, EM et al. Fabricación de alta velocidad de electrodos de cobre y cobre-oro mediante revestimiento no electrolítico selectivo inducido por láser para la detección de glucosa sin enzimas. RSC Avanzado. 11, 19521-19530 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ratautas, K. et al. Evaluación y optimización del método SSAIL para la deposición selectiva de cobre no electrolítico asistida por láser sobre dieléctricos. Resultados Fís. 16, 102943 (2020).

Artículo de Google Scholar

Ratautas, K. et al. Efecto de percolación de una capa de Cu sobre un sustrato nanocompuesto MWCNT/PP después de estructuración directa con láser y revestimiento autocatalítico. RSC Avanzado. 8, 30305–30309 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Wallauer, J., Bitzer, A., Waselikowski, S. y Walther, M. Firma de campo cercano del acoplamiento electromagnético en matrices de metamateriales: un estudio de microscopía de terahercios. Optar. Expreso 19, 17283 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Hubert, J. y col. Procesos de grabado de superficies de politetrafluoroetileno expuestas a postdescargas atmosféricas de He y He-O-2. Langmuir 28, 9466 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Liu, CZ y cols. Estudio comparativo del efecto del tratamiento con plasma RF y DBD en la modificación de la superficie de PTFE. Madre. Química. Física. 85(2–3), 340–346 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Taflove, A. & Hagness, SC Electrodinámica computacional: el método de dominio del tiempo de diferencia finita (Artech House, 1995).

MATEMÁTICAS Google Scholar

Šlekas, G., Ragulis, P., Seliuta, D. y Kancleris, Ž. Uso del algoritmo generalizado de Goertzel para el cálculo FDTD de los espectros de transmisión y reflexión de estructuras periódicas. Traducción IEEE. Electromagn. Compat. 59(6), 2038-2041 (2017).

Artículo de Google Scholar

Orfanidis, SJ Ondas y antenas electromagnéticas (Universidad de Rutgers, 2002).

Google Académico

Glytsis, EN Introducción a las guías de ondas dieléctricas en losa (Universidad Técnica Nacional de Atenas, 2020).

Google Académico

Seliuta, D., Šlekas, G., Kamarauskas, A. y Kancleris, Ž. Modos de red guiados en metasuperficie de terahercios depositada sobre un sustrato dieléctrico ultrafino. Traducción IEEE. Ciencia de terahercios. Tecnología. 12(4), 345–352 (2022).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Singh, R. y otros. Efecto de la permitividad del metal sobre las propiedades resonantes de los metamateriales de terahercios. Optar. Letón. 33, 1506 (2008).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

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Este proyecto recibió financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (proyecto nº 01.2.2-LMT-K-718-03-0038) en virtud de un acuerdo de subvención con el Consejo de Investigación de Lituania (LMTLT).

Centro de Ciencias Físicas y Tecnología, Savanoriu Ave. 231, 02300, Vilnius, Lituania

Andrius Kamarauskas, Dalius Seliuta, Gediminas Šlekas, Modestas Sadauskas, Evaldas Kvietkauskas, Romualdas Trusovas, Karolis Ratautas & Žilvins Kancleris

Universidad Técnica de Vilnius Gediminas, avenida Sauletekio. 11, 10223, Vilna, Lituania

Parte de Seliuta

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AK, DS, RT, KR y Ž.K. Escribió el texto principal. G.Š. y Ž.K. proporcionó orientación teórica y realizó cálculos teóricos y modelos. AK y DS realizaron mediciones experimentales. AK fabricó matrices SRR. MS realizó una modificación de PTFE inducida por láser. EK realizó un revestimiento de cobre no electrolítico de PTFE modificado con láser. Todos los autores discutieron los resultados y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Romualdas Trusovas.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kamarauskas, A., Seliuta, D., Šlekas, G. et al. Demostración experimental de múltiples resonancias de Fano en una matriz reflejada de resonadores de anillos divididos sobre un sustrato grueso. Informe científico 12, 15846 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20434-x

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Recibido: 04 de agosto de 2022

Aceptado: 13 de septiembre de 2022

Publicado: 23 de septiembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20434-x

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