Fabrication of metamaterial filters for terahertz wave applications by e-beam patterning

Abstract

In the electromagnetic spectrum, terahertz (THz) radiation falls into the region among microwaves and the far-IR. The unique properties of superconducting materials allow them to be utilized in a number of ways for THz device applications. In the first part of this thesis, the spectral performance of THz bandpass filters were produced from titanium, copper and indium tin oxide thin films with a metal-mesh shape on fused silica substrates by uv lithography were investigated. For metamaterial filter fabrication, Bi2Sr2CaCu2O8+x thin films were deposited by DC and RF magnetron sputtering system on saphirre and MgO substrates. After thin film characterizations, it is obtained that the films were not in single phase and could not be used for filter fabrication. A new, unique fourcross shaped metamaterial THz filter was designed and fabricated from both gold thin films and YBa2Cu3O7-d high Tc superconducting thin films. The designed fourcross shaped rectangular filter structure consists of periodic metallic rings where strip lines are located at the sides of the ring. CST Microwave Studio, is used to design and optimize the metamaterial filter structures. To investigate the temperaturedependent resonance behavior and confirm the measurements, simulations are carried out at temperatures above and well below Tc. Fourcross metamaterial filters are fabricated by using e-beam lithography and ion beam etching techniques. The resonance switching of the transmission spectra was investigated by lowering the temperature below the critical transition temperature. This novel fourcross filter holds great potential for active, tunable and lowloss THz devices for imaging, sensing, and detection applications.

Elektromanyetik spektrumda, terahertz (THz) radyasyonu mikrodalgalar ve uzak IR arasındaki bölgede yeralır. Süperiletken malzemelerin benzersiz özellikleri, THz aygıt uygulamaları için çeşitli şekillerde kullanılmasına olanak sağlar. Bu tezin ilk bölümünde, titanyum, bakır ve indiyum kalay oksit ince filmlerinden uv litografisi ile fused silika alttaş üzerine metal-örgü şekilli üretilen THz bant geçiren filtrelerin spektral performansı araştırılmıştır. Metamalzeme filtre üretimi için, Bi2Sr2CaCu2O8+x ince filmleri, safir ve MgO altaşlarına DC ve RF magnetron saçtırma sistemi ile kaplanmıştır. İnce film karakterizasyonları sonrasında, filmlerin tek fazda olmadıkları ve filtre üretimi için kullanılamayacağı anlaşılmıştır. Yeni, özgün, dört köşeli THz metamalzeme filtre yapısı tasarlanmış ve hem altın ince filmlerden hem de YBa2Cu3O7-d yüksek Tc süperiletken ince filmlerden üretilmiştir. Tasarlanan dörtlü çapraz şekilli dikdörtgen filtre yapısı, şerit hatların kenarlarına yerleştirildiği periyodik metalik halka yapıdan oluşur. CST Mikrodalga Stüdyosu, metamalzeme filtre yapılarını tasarlamak ve optimize etmek için kullanılmıştır. Sıcaklığa bağlı rezonans davranışını araştırmak ve ölçümleri doğrulamak için, simülasyonlar Tc'nin üstünde ve altında sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Dörtlü çapraz metamalzeme filtreler, e-demeti litografisi ve iyon demeti aşındırma teknikleri kullanılarak üretilmiştir. Geçirgenlik spektrumlarında rezonans anahtarlaması, sıcaklığı kritik geçiş sıcaklığının altına düşürerek incelenmiştir. Bu özgün dörtlü çapraz dikdörtgen filtre, görüntüleme, algılama ve spektroskopi uygulamalarında aktif, ayarlanabilir ve düşük kayıplı THz cihazları için büyük potansiyel taşımaktadır.