Βελτιστοποιημένες διατάξεις σύζευξης σε συχνότητες THz

Abstract

In the present dissertation, a new approach for efficient detection of THz radiation in biomedical imaging applications is proposed. Various absorption elements were designed, simulated and constructed to improve the detection characteristics of a microbolometer. Moreover, experimental measurements were carried out in both polymeric and pharmaceutical materials to study their THz radiation characteristics. Initially, a double-layered absorber consisting of a 32 nm thick aluminum (Al) metallic layer, placed on a glass medium (SiO2) of 1 mm thickness, was fabricated and used to design a fine-tuned absorber through a theoretical and finite element modeling process. The absorption of the fine-tuned structure was calculated both analytically and by finite element modeling resulting in satisfactory agreement. Finite element modeling provides a convenient way to extract the amount of power dissipation in each layer and is used to quantify the THz absorption in the double-layered structure. The results indicate that the proposed low-cost, double-layered absorber can be tuned based on the metal layer sheet resistance and the thickness of various glass media. This can be done in a way that takes advantage of the diversity of the absorption of the metal films in the desired THz domain (6 to 10 THz). It was found that the composite absorber could absorb up to 86% (a percentage exceeding the 50%, previously shown to be the highest achievable when using single thin metal layer) and reflect less than 1% of the incident THz power. This approach will enable monitoring of the transmission coefficient (THz transmission ‘’fingerprint’’) of the bio sample with high accuracy, while also making the proposed double-layered absorber a good candidate for a microbolometer pixel’s active element.Based on the aforementioned results, a more sophisticated and effective double-layered absorber was developed. The glass medium has been substituted by diluted poly-si and the results were twofold: An absorption factor of 96% was reached and high TCR properties acquired. In addition, a generalization of these results and properties over the active frequency spectrum was achieved. Specifically, through the development of a theoretical spectral linear equation having as input any arbitrary frequency in the IR spectrum (0.3 to 405.4 THz) and as output the appropriate thickness of the poly-si medium, the double-layered absorber retains the ability to absorb the 96% and reflects less than 1% of the incident power. As a result, through that post-optimization process and the spread spectrum frequency adjustment, the microbolometer detector efficiency has been further improved. Finally, taking into account the cutting-edge technology in microbolometric devices, the advantages of the developed absorption element of the present dissertation were identified and highlighted.

Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας νέας μέθοδου αποτελεσματικής ανίχνευσης της τερακυματικής (THz) ακτινοβολίας στα πλαίσια βιοϊατρικών εφαρμογών. Οι βασικοί πυλώνες που πλαισιώνουν τις εφαρμογές αυτές είναι: i) Φασματοσκοπία καρκινικών διαγνώσεων; ii) Φασματοσκοπία πρωτεϊνικών διατάξεων; iii) Φασματοσκοπία φαρμακευτικών προϊόντων και iv) Φασματοσκοπία στην οδοντιατρική επιστήμη. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, σχεδιάστηκαν, προσομοιώθηκαν και κατασκευάστηκαν διάφορα στοιχεία απορρόφησης προκειμένου να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά ανίχνευσης ενός μικροβολομέτρου. Επίσης, με μια νέα διάταξη φασματοσκοπίας τετρακυμάτων πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις τόσο σε πολυμερή υλικά, όσο και σε φαρμακευτικά σκευάσματα, για τη μελέτη των χαρακτηριστικών διάδοσης της THz ακτινοβολίας συγκεκριμένου ενδιαφέροντος. Πιο συγκεκριμένα, ένα διπλό στοιχείο απορρόφησης αποτελούμενο από ένα μεταλλικό φύλλο αλουμινίου (Al) πάχους 32nm, τοποθετημένο κάτωθεν ενός γυάλινου στρώματος (SiO2) πάχους 1mm, κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να σχεδιαστεί ένα βελτιστοποιημένο στοιχείο απορρόφησης μέσω αναλυτικών μεθόδων και μοντέλων προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο στοιχείο απορρόφησης χαμηλού κόστους μπορεί να συντονιστεί κατάλληλα μέσω μεταβολών τόσο της αντίστασης του μεταλλικού φύλλου, όσο και του πάχους αλλά και του δείκτη διάθλασης του γυάλινου στρώματος, προκειμένου να επιτευχθεί το βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα σε ότι αφορά την απορρόφηση του μεταλλικού φύλλου εντός της τερακυματικής περιοχής ενδιαφέροντος (6 έως 10 THz). Συγκεκριμένα, με την χρήση του ειδικού οπτικού γυάλινου στοιχείου ΒΚ 7, το βελτιστοποιημένο στοιχείο απορροφά το 86% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (ποσοστό το οποίο ξεπερνά κατά πολύ το 50%, το οποίο αντίστοιχα όπως έχει αποδειχτεί παλαιότερα, ήταν το υψηλότερο δυνατό που μπορούσε ν’ απορροφήσει ένα ελεύθερο μέταλλο), ενώ η σημειούμενη ανάκλαση ήταν σχεδόν μηδενική (της τάξης του 1%). Η παρούσα προσέγγιση καθιστά ικανή την εξαγωγή και παρακολούθηση του συντελεστή διάδοσης (τερακυματικό ‘’αποτύπωμα’’ διάδοσης) του υπό εξέταση βιολογικού δείγματος με μεγάλη ακρίβεια. Εν συνεχεία και βασιζόμενοι στα ήδη αναφερόμενα αποτελέσματα, ένα πιο σύνθετο και πιο αποτελεσματικό στοιχείο απορρόφησης σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε. Κατόπιν αντικατάστασης του γυάλινου στρώματος από ένα κατάλληλα αραιωμένο στρώμα πολύ-πυριτίου (poly-si), τα νέα αποτελέσματα ήταν διπλής φύσεως: Επιτεύχθηκε ένας δείκτης απορρόφησης της τάξης του 97% και προσκτήθηκε η ιδιότητα του υψηλού συντελεστή θερμοκρασίας της αντίστασης (TCR). Επιπλέον, έλαβε χώρα μια γενίκευση των νέων αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης (97% απορρόφηση και μηδενική ανάκλαση) σε όλο το υπέρυθρο φάσμα συχνοτήτων. Ειδικότερα, μέσω του προσδιορισμού μιας θεωρητικής γραμμικής εξίσωσης με παράμετρο εισόδου την οποιαδήποτε τιμή μήκους κύματος εντός του υπέρυθρου (από 0.74 έως 1000μm) φάσματος, επιτεύχθηκε η δυνατότητα εξαγωγής του απαιτούμενου πάχους που πρέπει να λάβει το στρώμα πολύ-πυριτίου προκειμένου το στοιχείο απορρόφησης να διατηρήσει το σύνολο των αντίστοιχων βελτιστοποιημένων απορροφητικών ιδιοτήτων του. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η επισκόπηση της υβριδικής φύσης ως προς την δυνατότητα χρήσης του αναπτυσσόμενου διπλού στοιχείου απορρόφησης ανάλογα με την επιλογή του στρώματος που θα αποτελεί το καθ’αυτό στοιχείο ανίχνευσης της ακτινοβολίας ενδιαφέροντος. Τέλος, μέσω της επισκόπησης αυτής και κατόπιν σύγκρισης με την τεχνολογία αιχμής στις μικροβολομετρικές διατάξεις, εντοπίστηκαν και αναδείχτηκαν τα πλεονεκτήματα του αναπτυσσόμενου στοιχείου απορρόφησης της παρούσας διατριβής.Ως τελικό γενικό συμπέρασμα της γενικευμένης μεθόδου μετά-βελτιστοποίησης, μπορεί να ειπωθεί ότι με χρήση του προτεινόμενου στοιχείου απορρόφησης, οι εν γένει ανιχνευτικές ικανότητες ενός μικροβολόμετρου θα μπορούσαν να βελτιωθούν σημαντικά, ώστε να μπορούν να ανταγωνιστούν επάξια τις υφιστάμενες τεχνολογίες αιχμής στις μικροβολομετρικές διατάξεις.