Demostración de la generación de haz de igual intensidad por Metasurfaces dieléctricos
7 de junio de 2019
Se presenta un protocolo para la fabricación y caracterización óptica de metasuperficies dieléctricas. Este método se puede aplicar a la fabricación no sólo de divisores de haz, sino también de metasuperficies dieléctricas generales, como lentes, hologramas y capas ópticas.
Este protocolo proporciona un método de fabricación detallado para realizar metasuperficies de alta eficiencia, uno de los temas más importantes en el área de investigación de la metasuperficie. En comparación con otros métodos para probar la deposición de capas atómicas, esta técnica es un método de fabricación rápido y de bajo costo para realizar metasuperficies de alta eficiencia que funcionan en longitudes de onda visibles. Este protocolo se puede aplicar para fabricar metasuperficies generales como lentes, hologramas y relojes ópticos simplemente cambiando la configuración del patrón.
Esta técnica puede proporcionar información sobre el campo de investigación de fotónica de silicio que utiliza micro y nanoequitaciones de silicio. El sustrato de la metasuperficie es sílice fundida. Prepare una sílice cuadrada pulida de doble cara limpia fusionada de dos centímetros en un lado.
Lleve el sustrato para cargar en el sistema PECVD. Allí, en la cámara de bloqueo de carga, coloque el sustrato en la plantilla. Cierre la cámara y prepárese para operar el sistema.
En el software de control, configure el proceso de deposición estableciendo la temperatura, la potencia de RF, los caudales de gas y la presión del proceso. Después de la deposición, que tarda unos 300 segundos, recuperar la muestra. Tome la muestra con silicio amorfo hidrogenado depositado a una recubridora de espín.
Cargue la muestra en el portacuchillas de la recubridora de centrifugador. A continuación, obtenga una jeringa de cinco mililitros montada en un filtro que contenga PMMA con 2%anusol. Recubrir la muestra con el PMMA antes de iniciar la rotación a 2.000 RPM durante un minuto.
Cuando haya terminado, transfiera la muestra a una placa caliente. Hornee la muestra a 180 grados centígrados durante cinco minutos. A continuación, retire la muestra para enfriarla durante un minuto antes de continuar.
A continuación, devuelva la muestra a la recubridora de centrifugado. Utilice una pipeta de un mililitro para liberar una solución de polímero conductor en su superficie. Recubrir la muestra a 2.000 RPM durante un minuto.
Cuando el recubrimiento esté completo, tome la muestra para la litografía del haz de electrones. Fije la muestra en la plantilla de la máquina. A continuación, coloque la plantilla en la cámara de la máquina y complete el proceso de carga.
Pase a trabajar con la consola y prepare el sistema de litografía de haz de electrones para el procedimiento. Después de preparar el sistema, trabaje en el ordenador conectado a la consola. En este sistema, utilice la línea de comandos para convertir un archivo GDS en un archivo CEL.
Cuando se convierta el archivo, escriba job para iniciar el software EBL. Utilice la línea de comandos para comprobar que el patrón deseado está en un archivo de formato CEL en el directorio actual. Escriba el trabajo para ejecutar el software.
En el software, haga clic en el menú de modificación del tamaño del chip. Seleccione 600 micrómetros por 600 micrómetros. A continuación, seleccione 240.000 puntos.
Guarde los cambios. A continuación, salga de esta pantalla. Ahora haga clic en el menú de creación de datos de patrón.
En la ventana de comandos, escriba PS para cargar el archivo CEL del patrón. Escriba I en la ventana de comandos. A continuación, haga clic en el patrón para ampliar la imagen.
Ahora ingrese ST0 en la ventana de comandos para establecer el tiempo de dosis a tres microsegundos. Introduzca SP11 para establecer el paso de exposición en una condición normal. Cree un archivo CCC introduciendo un PC y un nombre de archivo.
Cuando haya terminado, haga clic en el centro del patrón. Para aplicar las condiciones de exposición, escriba CP en la ventana de comandos y haga clic en el patrón. Escriba SV y un nombre de archivo para crear un archivo CON.
Salga de este menú de creación de datos de patrón introduciendo Q.Move on para hacer clic en el menú de exposición. Introduzca I y el nombre de archivo CON elegido. Establezca el valor de dosis en 2,4.
Pulse el botón de escape para completar la programación. A continuación, introduzca E y haga clic en el botón de exposición para iniciar el proceso de exposición. Cuando finalice el proceso de exposición, vuelva a la consola EBL.
Desactive el botón de aislamiento. Pulse el botón EX para mover el escenario. A continuación, descargue la muestra de la cámara.
A continuación, prepárese para retirar el polímero conductor. Para ello, sumerge la muestra en 50 mililitros de agua desionizada durante un minuto. A continuación, mueva la muestra a una solución de 10 mililitros de isobutilo cetona metilo y alcohol isopropílico rodeado de hielo.
Después de 12 minutos, retire la muestra y enjuáguela con alcohol isopropílico. Secarlo con gas nitrógeno soplado. El siguiente paso requiere un evaporador de haz de electrones.
Haga que la muestra esté fijada en el soporte del evaporador y monte el soporte dentro de la cámara de evaporación. Ahora obtenga el cromo para su uso en el evaporador. Preparar el cromo tipo pieza en un crisol de grafito para la evaporación sobre la superficie de la muestra.
Cargue el crisol en la cámara. A continuación, trabaje con el software para el evaporador de haz de electrones. Haga clic en el botón de bombeo de la cámara para crear un vacío en la cámara.
En la sección de material, seleccione cromo. A continuación, haga clic en el botón de material para aplicar la selección. Haga clic en el botón disparador de haz E para abrir el obturador de origen.
A continuación, haga clic en alta tensión. Siga esto haciendo clic en source. Utilice la flecha hacia arriba para aumentar lentamente la potencia del haz.
Deténgase en la tasa de deposición objetivo. Para restablecer el medidor de espesor, haga clic en el botón cero. Haga clic en el botón del obturador principal para abrir el obturador.
Supervise el medidor de espesor. Cuando el medidor alcance los 30 nanómetros, haga clic en el botón del obturador principal para cerrar el obturador. Haga clic en el obturador de haz E para cerrar el obturador de origen.
Utilice la flecha hacia abajo para disminuir lentamente la potencia del haz a cero. Una vez en cero, haga clic en la fuente seguida de alto voltaje. Deje que la cámara se enfríe durante 15 minutos y luego haga clic en la ventilación.
Retire la muestra de la cámara y del soporte. A continuación, tómelo para un proceso de despegue. Primero, sumérgelo en 50 mililitros de acetona durante tres minutos.
Sigue esto por sonicación durante un minuto a 40 kilohercios. Enjuague la muestra con alcohol isopropílico y séquela con gas nitrógeno. En este punto, la muestra está lista para el grabado.
Obtenga pegamento térmico y extiéndalo en la parte posterior de la muestra antes de fijar la muestra a la plantilla del sistema de grabado. Cargue la plantilla en el sistema de grabado. En la computadora, ajuste los caudales de gas de gas de cloro y bromuro de hidrógeno, la potencia de la fuente y el sesgo antes del grabado durante 100 segundos.
Después del grabado, descargue la muestra. Con una toallita libre de polvo, retire el pegamento térmico. Sumergir la muestra en 20 mililitros de cromo etchant durante dos minutos.
Luego transfiéralo a 50 mililitros de agua desionizada durante un minuto. Enjuague la muestra con agua desionizada y lléquela con gas nitrógeno. Esta es una imagen de microscopía electrónica de barrido de la parte superior de la metasuperficie.
Cada una de las células tiene una base de 150 nanómetros por 80 nanómetros. La altura de la célula es de 300 nanómetros. Los detalles adicionales de las celdas son visibles en esta vista en perspectiva.
Un experimento que mide la potencia del haz cuando un rayo láser de 532 nanómetros se incidencia en la metasuperficie demuestra la funcionalidad independiente de la polarización del dispositivo. Para las vigas polarizadas circularmente derechas, las vigas polarizadas linealmente y las vigas polarizadas circularmente izquierdas, la potencia en las órdenes de difracción más y menos una menos son iguales. Los experimentos con un rayo láser de 635 nanómetros producen resultados similares.
El método de desarrollo es el paso más importante porque podemos controlar con precisión el proceso de desarrollo debido a la velocidad de reacción lenta. La mayoría de los errores ocurren durante los pasos de secado. Uno debe tener en cuenta que soplar fuerte es mejor que soplar débil en general.
Este procedimiento se puede aplicar no sólo a las metasuperficies dieléctricas generales, sino también a la fotónica de silicio y a los sistemas mecánicos de microelectrón. Generalmente, podemos hacer nanoe estructuras delicadas mediante esta técnica para que allane el camino para abordar cómo la luz interactúa con algunas estructuras de longitud de onda. La PMMA y el vapor de la solución de desarrollo son peligrosos, por lo que los procesos que los implican deben realizarse en campanas de humo.
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Descripción general
Este protocolo proporciona un método detallado de fabricación para metasuperficies dieléctricas de alta eficiencia, que son fundamentales en la investigación de metasuperficies. La técnica permite la creación de diversos dispositivos ópticos, incluyendo lentes, hologramas y capas de invisibilidad óptica, mediante la alteración de la configuración del patrón.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ingeniería Óptica
- Fabricación de Metasuperficies
- Fotónica de Silicio
Antecedentes
- Las metasuperficies son esenciales para aplicaciones ópticas avanzadas.
- La alta eficiencia es un desafío importante en la investigación de metasuperficies.
- Los métodos tradicionales pueden ser costosos y llevar mucho tiempo.
- Este protocolo tiene como objetivo abordar estos problemas mediante un método de fabricación rápido y de bajo costo.
Objetivo del estudio
- Presentar un método de fabricación para metasuperficies dieléctricas eficientes.
- Posibilitar la producción de diversos dispositivos ópticos.
- Proporcionar conocimientos sobre el campo de investigación de fotónica de silicio.
Métodos Utilizados
- Fabricación de metasuperficies utilizando depósito atómico en capas.
- Uso de sílice fundida como material de sustrato.
- Modificación de configuraciones de patrón para diferentes aplicaciones.
- Caracterización de las propiedades ópticas de las metasuperficies fabricadas.
Resultados Principales
- El protocolo permite la fabricación rápida de metasuperficies de alta eficiencia.
- Demuestra versatilidad para crear diversos dispositivos ópticos.
- Ofrece una solución rentable en comparación con los métodos existentes.
- Contribuye a los avances en fotonica de silicio.
Conclusiones
- El método presentado es efectivo para fabricar metasuperficies dieléctricas.
- Abre nuevas vías de investigación y aplicación en óptica.
- Trabajos futuros pueden explorar optimizaciones y aplicaciones adicionales.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Las metasuperficies dieléctricas permiten un control preciso de la luz a escalas sublongitud de onda, ofreciendo potencial para componentes ópticos avanzados en biofotónica e instrumentación diagnóstica. El método de fabricación demostrado proporciona una vía para producir divisores de haz independientes de la polarización con salida de intensidad igual, lo que favorece mediciones ópticas reproducibles en entornos de laboratorio. Esta capacidad podría mejorar la estandarización de ensayos y la consistencia de las señales en sistemas de detección basados en fluorescencia.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las propiedades ópticas en materiales nanoestructurados para aplicaciones de biosensado.
- Valor operativo: Facilita el desarrollo de plataformas ópticas de prueba reproducibles para estudios de interacción con objetivos.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Facilita la creación de elementos ópticos uniformes para una excitación consistente en ensayos de fluorescencia.
- Valor operativo: Proporciona división de haces independiente de la polarización para reducir la variabilidad de las mediciones en distintas condiciones de la muestra.
Investigación Translacional y Preclínica
- Valor científico: Ofrece una vía para prototipar dispositivos nanofotónicos destinados a la integración en diagnósticos de atención primaria.
- Valor operativo: Permite la prototipificación escalable de componentes ópticos cuando se combina con litografía por nanoimpronta.
Integración de la Canalización y Flujo de Trabajo
El método sitúa la fabricación de metasuperficies en la fase inicial del desarrollo de ensayos, favoreciendo la obtención de lecturas ópticas confiables para flujos de trabajo posteriores de cribado y validación.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis mediante la entrega controlada de luz en sistemas de biosensado nanoestructurados.
- Selección: Mejora la disponibilidad del ensayo mediante la división reproducible del haz y la normalización de la intensidad.
- Análisis: Permite la comparación cuantitativa de señales ópticas entre condiciones experimentales mediante la difracción de intensidad igual.
- Investigación Traducional: Se conecta con la continuidad preclínica a través de la posible integración en dispositivos diagnósticos portátiles.
- Reutilización Empresarial: El marco es adaptable a múltiples funciones ópticas mediante la reconfiguración del patrón.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en mediciones ópticas mediante la generación de haces con intensidad igual e independientes de la polarización.
- Valor operativo: La estandarización de las entradas ópticas reduce la variabilidad en las lecturas fotométricas.
- Valor estratégico: Mejora en las decisiones de continuar o descartar en el desarrollo de ensayos mediante un desempeño óptico confiable.
- Impacto en el portafolio: Priorización ajustada al riesgo de la integración de componentes ópticos en plataformas diagnósticas.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en nanofabricación, grabado con plasma y litografía por haces de electrones.
- Depende del acceso a instrumentación de litografía por haces de electrones (EBL) y grabado reactivo con plasma inductivamente acoplado (ICP-RIE) para la definición de nanoestructuras.
- Necesita un entorno de sala blanca y protocolos de manipulación química para PMMA y agentes grabadores.
- La adaptación a diferentes sustratos puede requerir la optimización de los parámetros de deposición y grabado.
- El rendimiento limitado debido a la litografía por haces de electrones restringe la producción a gran escala sin la integración de la nanoimpresión.
Preguntas frecuentes sobre biofarmacia
Chapters in this video
0:04
Title
0:52
Deposition of Hydrogenated Amorphous Silicon (a-Si:H) on a Fused Silica Substrate by Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)
1:35
Formation of the Chromium Etching Mask
6:53
Etching Process of Hydrogenated Amorphous Silicon
7:41
Results: The Fabricated Metasurface and its Polarization-independent
8:31
Conclusion
