Method Article

Demonstration von Spin-Multiplexed und Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metahologramme

DOI:

10.3791/61334

⸱

September 25th, 2020

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von spin- und richtungsmultiplexed sichtbaren Metahologrammen und führen dann ein optisches Experiment durch, um deren Funktion zu überprüfen. Diese Metahologramme können leicht codierte Informationen visualisieren, so dass sie für projektive volumetrische Anzeige und Informationsverschlüsselung verwendet werden können.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die optische Holographietechnik, die von Metaoberflächen realisiert wird, hat sich als neuartiger Ansatz für die projektive volumetrische Anzeige und Informationsverschlüsselungsanzeige in Form von ultradünnen und fast flachen optischen Geräten herausgebildet. Im Vergleich zur herkömmlichen holographischen Technik mit räumlichen Lichtmodulatoren hat das Metahologramm zahlreiche Vorteile wie Miniaturisierung optischer Einrichtung, höhere Bildauflösung und größeres Sichtbarkeitsfeld für holographische Bilder. Hierwird wird ein Protokoll zur Herstellung und optischen Charakterisierung optischer Metahologramme gemeldet, die empfindlich auf die Drehung und Richtung des einfallenden Lichts reagieren. Die Metaoberflächen bestehen aus hydriertem amorphem Silizium (a-Si:H), das einen großen Brechungsindex und einen kleinen Aussterbekoeffizienten im gesamten sichtbaren Bereich aufweist, was zu einer hohen Transmissions- und Beugungseffizienz führt. Das Gerät erzeugt verschiedene holographische Bilder, wenn die Drehung oder Richtung des einfallenden Lichts geschaltet wird. Daher können sie mehrere Arten visueller Informationen gleichzeitig kodieren. Das Fertigungsprotokoll besteht aus Filmabscheidung, Elektronenstrahlschrift und anschließender Ätzung. Das gefertigte Gerät kann durch ein maßgeschneidertes optisches Setup charakterisiert werden, das aus einem Laser, einem linearen Polarisator, einer Viertel-Wellenplatte, einer Linse und einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD) besteht.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Optische Metaoberflächen, die aus Subwellenlängen-Nanostrukturen bestehen, haben viele interessante optische Phänomene ermöglicht, einschließlich optischer Tarnung1, negative Brechung2, perfekte Lichtabsorption3, Farbfilterung4, holographische Bildprojektion5und Strahlmanipulation6,7,8. Optische Metaflächen mit entsprechend entwickelten Streuern können das Spektrum, die Wellenfront und die Polarisation des Lichts modulieren. Frühe optische Metaoberflächen wurden aufgrund ihrer hohen Reflektivität und der einfachen Nanofertigung hauptsächlich mit Edelmetallen (z.B. Au, Ag) hergestellt, haben aber hohe Ohmscheverluste, so dass die Metaoberflächen bei kurzen sichtbaren Wellenlängen einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.

Die Entwicklung von Nanofabrikationstechniken für dielektrische Materialien mit geringen Verlusten bei sichtbarem Licht (z.B. TiO29, GaN10und a-Si:H11) hat die Realisierung hocheffizienter flacher optischer Geräte mit optischen Metaflächen ermöglicht. Diese Geräte haben Anwendungen in Optik und Technik. Eine faszinierende Anwendung ist die optische Holographie für projektive volumetrische Anzeige und Informationsverschlüsselung. Im Vergleich zu herkömmlichen Hologrammen, die räumliche Lichtmodulatoren verwenden, hat das Metahologramm zahlreiche Vorteile wie die Miniaturisierung optischer Einstellungen, eine höhere Auflösung holographischer Bilder und ein größeres Sichtbarkeitsfeld.

Kürzlich wurde die Codierung mehrerer holographischer Informationen in einem einschichtigen Metahologramm-Gerät erreicht. Beispiele sind Metahologramme, die in Spin12,13, Orbitalwinkelimpuls14, einfallender Lichtwinkel15und Richtung16. Diese Bemühungen haben das kritische Manko von Metahologrammen überwunden, was ein Mangel an Gestaltungsfreiheit in einem einzigen Gerät ist. Die meisten konventionellen Metahologramme konnten nur einzelne codierte holographische Bilder erzeugen, aber Multiplex-Geräte können mehrere holographische Bilder in Echtzeit kodieren. Daher ist das Multiplex-Metahologramm eine entscheidende Lösungsplattform für echte holographische Videoanzeige oder multifunktionale Anti-Fälschungs-Hologramme.

Hier werden Protokolle zur Herstellung von spin- und richtungsmultiplexierten alldielektrischen sichtbaren Metahologrammen gemeldet, um sie dann optisch zu charakterisieren13,16. Um mehrere visuelle Informationen in einem einzigen Metaoberflächengerät zu kodieren, werden Metahologramme entworfen, die zwei verschiedene holographische Bilder zeigen, wenn die Drehung oder Richtung des einfallenden Lichts geändert wird. Um hocheffiziente holographische Bilder in einer mit der CMOS-Technologie vergleichbaren Weise herzustellen, wird a-Si:H für die Metaoberflächen verwendet und zwei Magnetresonanzen und in ihnen induzierte Antiferromagnetresonanzen genutzt. Das Fertigungsprotokoll besteht aus Filmabscheidung, Elektronenstrahlschrift und Ätzen. Das gefertigte Gerät zeichnet sich durch ein maßgeschneidertes optisches Setup aus einem Laser, einem linearen Polarisator, einer Viertel-Wellenplatte, einer Linse und einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD) aus.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Gerätefertigung

ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt den Herstellungsprozess von a-Si:H Metaflächen17.

  1. Bereiten Sie ein geschmolzenes Kieselsäure-Waferstück (Größe = 2 cm x 2 cm, Dicke = 500 m) als Substrat vor. Spülen Sie das Substrat mit Aceton und Isopropylalkohol (IPA) und blasen Sie dann Stickstoffgas über das Substrat, um es zu trocknen.
  2. Legen Sie eine 380 nm dicke a-Si:H-Folie auf dem Substrat mit plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) mit folgenden Einstellungen ab: Kammertemperatur = 300 °C; Hochfrequenzleistung = 800 W; Gasdurchfluss = 10 sccm für SiH4 und 75 sccm für H2; Prozessdruck = 25 mTorr; Zeit = 30 s.
  3. Spin-coat eine E-Beam Lithographie photoresist. Polymethylmethacrylat (PMMA) A2 auf das Substrat und Spincoat mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2.000 U/min für 1 min.
  4. Backen Sie das resistbeschichtete Substrat auf einer Kochplatte bei 180 °C für 5 min.
  5. Legen Sie eine leitfähige Polymerschicht an, um ladungsansammlung während des E-Strahl-Schreibprozesses zu verhindern. Lassen Sie das leitfähige Polymer (z.B. Espacer) auf das Substrat und Spincoat mit einer Drehzahl von 2.000 U/min für 1 min.
  6. Führen Sie die E-Strahl-Lithographie mit einer Beschleunigungsspannung von 80 kV und einem Strom von 50 pA aus.
  7. Tauchen Sie die Probe 2 min in deionisiertes (DI) Wasser ein, um die leitfähige Polymerschicht zu entfernen. Tauchen Sie die Probe in 1:3 Methylisobutylketon (MIBK): IPA-Lösung, umgeben von einer Eisbecher für 12 min, um das exponierte Muster zu entwickeln. Dann spülen Sie die Probe mit IPA für 30 s.
  8. Legen Sie einen 30 nm dicken Chrom (Cr) Film mit einem E-Strahlverdampfer ab.
  9. Tauchen Sie die Probe in Aceton ein, um die nicht exponierte Photoresist-Schicht zu entfernen und das Cr-Muster auf das Substrat zu übertragen. Beschallen Sie für 1 min bei 40 kHz, dann spülen Sie mit IPA für 30 s.
  10. Ätzen Sie die freigelegte a-Si:H-Schicht, um das Cr-Muster in die a-Si:H-Schicht mit einem trockenen Etcher mit einer Quellleistung von 500 W, Vorspannung von 100 V, Gasdurchflussraten von 80 sccm für Cl2 und 120 sccm für HBr zu übertragen.
  11. Tauchen Sie die Probe in eine Cr-Etchant-Lösung ein, um die Cr Etch-Maske zu entfernen. Spülen Sie die Probe dann sequenziell mit Aceton, IPA und DI-Wasser für 30 s.

2. Rasterelektronenmikroskop-Charakterisierung

  1. Legen Sie eine leitfähige Polymerschicht an, um die Ladungsansammlung während des Elektronenstrahl-Scanning-Prozesses zu verhindern. Lassen Sie das leitfähige Polymer 1 min mit einer Drehzahl von 2.000 U/min auf das Substrat und drehen Sie es.
  2. Befestigen Sie das Substrat mit Carbonband auf dem Probenhalter. Entlüften Sie die Lastsperrkammer, indem Sie die AIR-Taste drücken.
  3. Setzen Sie den Halter auf die Haltestange der Ladesperrkammer. Evakuieren Sie die Ladesperrkammer, indem Sie die EVAC-Taste drücken.
  4. Stellen Sie die Bühnenhöhe und den Neigungswinkel ein, indem Sie den Z-Sensor auf 8 mm und den T-Sensor auf 0° einstellen.
  5. Öffnen Sie die Ladeschlosskammertür, indem Sie die OPEN-Taste drücken. Drücken Sie den Haltestab, um den Halter in die Hauptrasterelektronenmikroskopkammer (SEM) zu übertragen. Ziehen Sie die Stange CLOSE heraus und drücken Sie die CLOSE-Taste.
  6. Überprüfen Sie den Vakuumzustand, bevor Sie die Elektronenkanone einschalten. Führen Sie die Blinkfunktion aus, indem Sie die FLASHING-Taste drücken, um Kohlenstoff oder Staub in der Elektronenpistole mit einer sofortigen Hochspannung zu entfernen.
  7. Schalten Sie die Elektronenpistole mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV ein, indem Sie in der SEM-Software auf die ON-Taste klicken.
  8. Passen Sie die Strahlausrichtung an, um den Elektronenstrahl in der Mittelposition genau zu lokalisieren, indem Sie in der Software auf das BEAM ALIGNMENT-Panel klicken. Suchen Sie den Balken mithilfe eines Stufencontrollers in der Mitte.
  9. Passen Sie die Blendenausrichtung und Stigmaausrichtung an, um einen kreisförmigen Elektronenstrahl zu bilden, indem Sie in der Software auf das Bedienfeld APERTURE ALIGNMENT klicken. Mit einem Stigma-Controller, machen Sie einen stabilen Strahl an der gleichen Stelle zu scannen.
  10. Erfassen Sie SEM-Bilder mit einer entsprechenden Fokus- und Stigmatoranpassung.
  11. Schalten Sie den Elektronenstrahl aus, indem Sie in der Software auf die AUS-Taste klicken. Klicken Sie auf die Schaltfläche HOME, um die Bühne wieder an ihre ursprüngliche Position zu bringen.
  12. Öffnen Sie die Tür der Hauptkammer und drücken Sie die Stange, um den Probenhalter aufzunehmen. Belüften Sie die Ladesperrkammer, indem Sie die AIR-Taste drücken, und entladen Sie dann den Halter.
  13. Spülen Sie die Probe mit DI-Wasser, um die leitfähige Polymerschicht zu entfernen.

3. Optische Charakterisierung des spinmultiplexierten Metahologramms

  1. Vorbereiten sie der in der Materialtabelleaufgeführten optischen Komponenten .
  2. Befestigen Sie das Diodenlasermodul an einem Adapter, der in eine optische Halterung mit 1 Zoll gesteckt werden kann. Stellen Sie die Höhe des Diodenlasers mithilfe eines Pfostens und eines Pfostenhalters ein, und fixieren Sie die Position mit einer Klemme.
    HINWEIS: Jede optische Komponente sollte mit einem Pfosten und einem Pfostenhalter montiert und dann mit einer Klemme in Position gebracht werden.
  3. Montieren Sie die Halbwellenplatte mit einer 1 Zoll Drehhalterung, und platzieren Sie die Platte dann vor dem Lasermodul, um das linear polarisierte Licht zu drehen.
  4. Bereiten Sie zwei Spiegel vor, indem Sie sie auf 1 Zoll kinemamatischen Halterungen und einer Ausrichtungsscheibe montieren, um die Richtung des Anfangsstrahls auszurichten.
    1. Platzieren Sie die Ausrichtungsscheibe vor dem Laser und legen Sie die Höhe fest. Platzieren Sie die beiden Spiegel so, dass sich der Strahl zweimal bei 90° biegt, um abwechselnd richtungen zu sein.
    2. Platzieren Sie die Ausrichtungsscheibe in der Nähe des zweiten Spiegels, und passen Sie den Winkel des ersten Spiegels an, indem Sie Knöpfe drehen, um das Licht in der Mitte auszurichten.
    3. Platzieren Sie die Ausrichtungsscheibe weit vom zweiten Spiegel entfernt und passen Sie den Winkel des zweiten Spiegels an, indem Sie Knöpfe drehen, um das Licht in der Mitte auszurichten.
    4. Wiederholen Sie die Schritte 3.4.2 und 3.4.3, bis das Licht an beiden Stellen durch die Mitte einer Ausrichtungsscheibe geht.
  5. Platzieren Sie einen Neutraldichtefilter hinter dem Spiegel, um die Lichtintensität zu steuern. Platzieren Sie eine Iris hinter dem Neutraldichtefilter, um den Durchmesser des einfallenden Lichts zu steuern.
  6. Um ein kreisförmig polarisiertes Licht zu machen, platzieren Sie einen linearen Polarisator und eine Viertelwellenplatte in der Reihenfolge hinter der Iris. Montieren Sie jede Komponente auf einer eigenen Drehhalterung.
  7. Befestigen Sie die gefertigte Metaoberfläche an einer Platte mit einem Loch und montieren Sie die Platte auf der XY-Übersetzungshalterung für rechteckige Optiken. Passen Sie die XY-Übersetzungshalterung so an, dass Licht auf das Muster in der Stichprobe gerichtet wird.
  8. Legen Sie eine Linse nach der Metaoberfläche. Passen Sie die Position der Linse an, die an der Brennweite platziert werden soll. Platzieren Sie eine CCD nach der Linse, um ein Hologrammbild zu erfassen.

4. Optische Charakterisierung des richtungsmultiplexierten Metahologramms

  1. Bereiten Sie zwei Strahlsplitter, zwei Spiegel, Linse und CCD.
    HINWEIS: Dieses Setup kann aus dem Spin-Multiplex-Metahologramm-Setup erstellt werden, indem zusätzliche Komponenten hinzugefügt werden.
  2. Platzieren Sie einen Strahlsplitter zwischen der Viertelwellenplatte und der XY-Übersetzungshalterung, um den Strahl in zwei Richtungen aufzuteilen. Platzieren Sie einen weiteren Strahlteiler zwischen der XY-Übersetzungshalterung und der Linse.
    HINWEIS: Ein Strahlpfad ist derselbe wie das vorherige Spin-Multiplex-Metahologramm-Setup. Hier wird ein weiterer geteilter Strahl ausgerichtet, um eine Probe in die entgegengesetzte Richtung zum vorherigen Setup zu beleuchten.
  3. Platzieren Sie zwei Spiegel, so dass sich der Strahl zweimal bei 90° biegt, um abwechselnde Richtungen zu bilden, und stellen Sie den Strahl ein, der in den zweiten Strahlteiler gerichtet werden soll. Richten Sie das Licht fein aus, so dass der Strahl die Probe korrekt in die entgegengesetzte Richtung bestrahlt.
  4. Platzieren Sie eine andere Linse bei 90° rechts vom ersten Strahlteiler und platzieren Sie eine CCD, um ein Hologrammbild aus der entgegengesetzten Richtung zu erfassen.

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Results

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Die a-Si:H-Metaflächen ermöglichen eine hohe Crosspolarisationseffizienz und können mit einer Methode (Abbildung 1) hergestellt werden, die mit CMOS kompatibel ist; Diese Eigenschaft kann eine skalierbare Fertigung und eine nahezu zukünftige Kommerzialisierung ermöglichen. Das SEM-Bild zeigt die hergestellten a-Si:H-Metaflächen (Abbildung 2). Darüber hinaus hat a-Si:H einen größeren Brechungsindex als TiO2 und GaN, so dass auch bei einer Nanostruktur ...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die a-Si:H Metaoberflächen wurden in drei Hauptschritten hergestellt: a-Si:H Dünnschichtabscheidung mit PECVD, präzise Rine und Trockenätzung. Unter diesen Schritten ist der EBL-Schreibprozess der wichtigste. Erstens ist die Musterdichte auf Metaoberflächen recht hoch, so dass der Prozess eine präzise Kontrolle über die Elektronendosis (Energie) und Scanparameter wie die Anzahl der Punkte pro Flächeneinheit erfordert. Auch der Entwicklungszustand sollte sorgfältig gewählt werden. Die Dichte des Musters ist sehr hoch, so ...

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Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde finanziell durch die Stipendien der National Research Foundation (NRF) (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) unterstützt, die vom Ministerium für Wissenschaft und IKT der koreanischen Regierung finanziert werden. I.K. würdigt das vom Bildungsministerium der koreanischen Regierung finanzierte NRF Global Ph.D. Stipendium (NRF-2016H1A2A1906519).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AcetonJ.T. Baker925402
StrahlteilerThorlabsCCM1-BS013/M
ChromätzmittelKMGCr-7
ChromverdampfungsquelleKurt J. LeskerEVMCR35D
KlemmeThorlabsCP175
Leitfähiges PolymerShowa denkoE-Abstandshalter
DiodenlaserThorlabsCPS635
E-Beam-VerdampfungssystemKorea Vacuum TechKVE-E4000
E-Beam-ResistMicrochem495 PMMA A2
ElektronenstrahllithographieElionixELS-7800
HalbwellenplatteThorlabsAHWP05M-600
Induktiv gekoppeltes Plasma reaktiv IonenätzenDMS-Iris
ThorlabsSM1D12
IsopropylalkoholJ.T. Baker909502
Kinematische SpiegelhalterungThorlabsKM100/M
ObjektivThorlabsLB1630
ObjektivhalterungThorlabsLMR2/M
Linearer PolarisatorThorlabsGTH5-A
SpiegelThorlabsPF10-03-G01
GraufilterThorlabsNDC-50C-4
Plasmagestützte chemische GasphasenabscheidungBMR-TechnologieHiDep-SC
PfostenThorlabsTR75/M
PfostenhalterThorlabsPH75E/M
ViertelwellenplatteThorlabsAQWP10M-580
Resist-EntwicklerMicrochemMIBK:IPA=1:3
RotationshalterungThorlabsRSP1/M
RasterelektronenmikroskopieHitachiRegulus8100
XY-TranslationshalterungThorlabsXYF1/M
1-Zoll-AdapterThorlabsAD11F
1- Zoll Objektiv-BajonettThorlabsCP02/M

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).
  2. Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
  3. Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light. Nanophotonics. 7 (11), 1827-1833 (2018).
  4. Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070(2019).
  5. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
  6. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  7. Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63(2018).
  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
  9. Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).
  10. Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
  11. Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
  12. Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Physical Review Letters. 118 (11), 113901(2017).
  13. Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065(2019).
  14. Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
  15. Kamali, S. M., et al. Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles. Physical Review X. 7 (4), 041056(2017).
  16. Ansari, M. A., et al. Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons. 5 (1), 57-64 (2020).
  17. Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066(2019).
  18. Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876(2018).
  19. Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129(2019).

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