Article de méthode

Démonstration de métahologrammes visibles all-diélectriques spin-multiplexés et multixés

DOI :

10.3791/61334

⸱

25 septembre 2020

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

Dans cet article

Résumé

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Nous présentons un protocole pour la fabrication de métahologrammes visibles spin-et direction multiplexed, puis effectuer une expérience optique pour vérifier leur fonction. Ces métahologrammes peuvent facilement visualiser les informations codées, de sorte qu’ils peuvent être utilisés pour l’affichage volumétrique projectif et le chiffrement de l’information.

Résumé

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La technique d’holographie optique réalisée par les métasurfaces est apparue comme une nouvelle approche de l’affichage volumétrique projectif et de l’affichage de chiffrement de l’information sous la forme d’appareils optiques ultrachin et presque plats. Comparé à la technique holographique conventionnelle avec des modulateurs de lumière spatiale, le métahologramme présente de nombreux avantages tels que la miniaturisation de la configuration optique, une résolution d’image plus élevée et un champ de visibilité plus important pour les images holographiques. Ici, un protocole est signalé pour la fabrication et la caractérisation optique des métahologrammes optiques qui sont sensibles à la rotation et à la direction de la lumière incidente. Les métasurfaces sont composées de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), qui a un indice de réfraction important et un faible coefficient d’extinction dans toute la gamme visible résultant en une forte transmission et efficacité de diffraction. L’appareil produit différentes images holographiques lorsque la rotation ou la direction de la lumière incidente sont commutées. Par conséquent, ils peuvent coder plusieurs types d’informations visuelles simultanément. Le protocole de fabrication se compose de dépôt de film, d’écriture de faisceau d’électrons et de gravure ultérieure. L’appareil fabriqué peut être caractérisé à l’aide d’une configuration optique personnalisée qui se compose d’un laser, d’un polariseur linéaire, d’un quart de plaque d’onde, d’une lentille et d’un dispositif couplé à la charge (CCD).

Introduction

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Les métasurfaces optiques composées de nanostructures sous-longueur d’onde ont permis de nombreux phénomènes optiques intéressants, y compris le camouflage optique1, la réfraction négative2, l’absorption parfaite de lumière3, le filtrage de couleur4, la projection d’image holographique5, et la manipulation de faisceau6,7,8. Les métasurfaces optiques qui ont des disperseurs conçus de manière appropriée peuvent moduler le spectre, le front d’onde et la polarisation de la lumière. Les premières métasurfaces optiques ont été principalement fabriquées à l’aide de métaux nobles (p. ex., Au, Ag) en raison de leur forte réflectivité et de leur facilité de nanofabrication, mais elles ont des pertes ohmiques élevées, de sorte que les métasurfaces ont une faible efficacité à de courtes longueurs d’onde visibles.

Le développement de techniques de nanofabrication pour les matériaux diélectriques qui ont de faibles pertes en lumière visible (par exemple, TiO29, GaN10, et a-Si:H11) a permis la réalisation de dispositifs optiques plats très efficaces avec des métasurfaces optiques. Ces appareils ont des applications dans l’optique et l’ingénierie. Une application intrigante est l’holographie optique pour l’affichage volumétrique projectif et le chiffrement de l’information. Comparé aux hologrammes conventionnels qui utilisent des modulateurs de lumière spatiale, le métahologramme présente de nombreux avantages tels que la miniaturisation de la configuration optique, une résolution plus élevée des images holographiques et un champ de visibilité plus vaste.

Récemment, l’encodage de multiples informations holographiques dans un dispositif de métahologramme à couches uniques a été réalisé. Les exemples incluent les métahologrammes qui sont multiplexés dans le spin12,13, l’élan angulaire orbital14, angle de lumière incident15, et la direction16. Ces efforts ont surmonté les défauts critiques des métahologrammes, qui est un manque de liberté de conception dans un seul appareil. La plupart des métahologrammes conventionnels ne pouvaient produire que des images holographiques codées simples, mais le dispositif multiplexé peut coder plusieurs images holographiques en temps réel. Par conséquent, le métahologramme multiplexé est une plate-forme de solution cruciale vers l’affichage vidéo holographique réel ou les hologrammes anticomptations multifonctionnelles.

Rapporté ici sont des protocoles pour fabriquer spin- et direction multiplexé métahologrammes visibles tout-diélectrique, puis pour les caractériser optiquement13,16. Pour coder plusieurs informations visuelles dans un seul dispositif de métasurface, des métahologrammes sont conçus qui montrent deux images holographiques différentes lorsque la rotation ou la direction de la lumière incidente sont modifiées. Pour fabriquer des images holographiques très efficaces d’une manière comparable à la technologie CMOS, a-Si:H est utilisé pour les métasurfaces et les deux résonances magnétiques et les résonances antiferromagnétiques induites à l’intérieur d’eux sont exploités. Le protocole de fabrication se compose de dépôt de film, d’écriture de faisceau d’électrons et de gravure. L’appareil fabriqué est caractérisé à l’aide d’une configuration optique personnalisée composée d’un laser, d’un polariseur linéaire, d’un quart de plaque d’onde, d’une lentille et d’un dispositif couplé à la charge (CCD).

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Protocole

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1. Fabrication d’appareils

REMARQUE : La figure 1 montre le processus de fabrication des métasurfaces a-Si:H17.

  1. Préparer une pièce de gaufrette de silice fusionnée (taille = 2 cm x 2 cm, épaisseur = 500 μm) sous forme de substrat. Rincer le substrat avec de l’acétone et de l’alcool isopropyle (IPA), puis souffler l’azote gazeux sur le substrat pour le sécher.
  2. Déposez un film a-Si:H d’épaisseur de 380 nm sur le substrat à l’aide d’un dépôt de vapeur chimique amélioré par plasma (PECVD) avec les réglages suivants : température de chambre = 300 °C; puissance de radiofréquence = 800 W; débit de gaz = 10 sccm pour SiH4 et 75 sccm pour H2; pression de procédé = 25 mTorr; temps = 30 s.
  3. Spin-coat d’un photorésiste de lithographie e-beam. Déposer le méthacrylate polyméthyle (PMMA) A2 sur le substrat et le spin-coat avec une vitesse de rotation de 2 000 tr/min.
  4. Cuire le substrat enrobé de résistance sur une plaque chauffante à 180 °C pendant 5 min.
  5. Enrober une couche de polymère conducteur pour éviter l’accumulation de charge pendant le processus d’écriture du faisceau électronique. Déposer le polymère conducteur (p. ex., Espacer) sur le substrat et le spin-coat avec une vitesse de rotation de 2 000 tr/min.
  6. Exécutez la lithographie de faisceau électronique avec une tension d’accélération de 80 kV et un courant de 50 pA.
  7. Plonger l’échantillon dans de l’eau déionisée (DI) pendant 2 min pour enlever la couche de polymère conducteur. Immerger l’échantillon dans la cétone d’isobutyle méthyle (MIBK) 1:3 : solution IPA entourée d’une tasse glacée pendant 12 min pour développer le motif exposé. Rincez ensuite l’échantillon avec l’IPA pendant 30 s.
  8. Déposez un film de chrome (Cr) d’épaisseur de 30 nm à l’aide d’un évaporateur de faisceau électronique.
  9. Plongez l’échantillon dans l’acétone pour enlever la couche photorésiste non exposée et transférez le motif Cr sur le substrat. Sonilate pendant 1 min à 40 kHz, puis rincer avec IPA pendant 30 s.
  10. Etch la couche a-Si:H découverte pour transférer le modèle Cr dans la couche a-Si:H à l’aide d’un etcher sec avec une puissance de source de 500 W, biais de 100 V, débit de gaz de 80 sccm pour Cl2 et 120 sccm pour HBr.
  11. Plongez l’échantillon dans une solution Cr etchant pour enlever le masque Cr etch. Rincez ensuite l’échantillon séquentiellement avec de l’acétone, de l’IPA et de l’eau DI pendant 30 s, respectivement.

2. Caractérisation du microscope électronique à balayage

  1. Enduire une couche de polymère conducteur pour empêcher l’accumulation de charge pendant le processus de balayage du faisceau d’électrons. Déposer le polymère conducteur sur le substrat et le spin-coat à une vitesse de rotation de 2 000 tr/min.
  2. Fixer le substrat sur le support de l’échantillon à l’aide de ruban à carbone. Évacuez la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton AIR.
  3. Placez le support sur la tige de retenue de la chambre de verrouillage de charge. Évacuez la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton EVAC.
  4. Réglez la hauteur de la scène et l’angle d’inclinaison en réglant le capteur Z à 8 mm et le capteur T à 0°.
  5. Ouvrez la porte de la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton OPEN. Appuyez sur la tige de retenue pour transférer le support dans la chambre principale du microscope électronique à balayage (SEM). Retirez la tige et appuyez sur le bouton CLOSE.
  6. Vérifiez l’état de vide avant d’allumer le pistolet électronique. Exécutez la fonction clignotante en appuyant sur le bouton FLASHING pour enlever le carbone ou la poussière dans le pistolet à électrons avec une tension élevée instantanée.
  7. Allumez le pistolet à électrons avec une tension d’accélération de 5 kV en cliquant sur le bouton ON dans le logiciel SEM.
  8. Ajustez l’alignement du faisceau pour localiser précisément le faisceau d’électrons en position centrale en cliquant sur le panneau BEAM ALIGNMENT dans le logiciel. À l’aide d’un contrôleur de scène, localisez le faisceau au centre.
  9. Réglez l’alignement de l’ouverture et l’alignement de la stigmatisation pour faire un faisceau d’électrons circulaire en cliquant sur le panneau APERTURE ALIGNMENT dans le logiciel. À l’aide d’un contrôleur de stigmatisation, faites un faisceau stable pour numériser au même endroit.
  10. Capturez des images SEM avec une mise au point appropriée et un ajustement stigmatateur.
  11. Éteignez le faisceau d’électrons en cliquant sur le bouton OFF du logiciel. Cliquez sur le bouton HOME pour remettre la scène à sa position d’origine.
  12. Ouvrez la porte de la chambre principale et poussez la tige pour ramasser le support de l’échantillon. Évacuez la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton AIR, puis déchargez le support.
  13. Rincer l’échantillon à l’eau di pour enlever la couche de polymère conducteur.

3. Caractérisation optique du métahologramme à multiplexe spin

  1. Préparer les composants optiques énumérés dans le tableau des matériaux.
  2. Attachez le module laser diode à un adaptateur qui peut être branché sur une monture optique de 1 pouce. Réglez la hauteur du laser à diodes à l’aide d’un poteau et d’un support de poteau, et fixez la position à l’aide d’une pince.
    REMARQUE : Chaque composant optique doit être monté à l’aide d’un poteau et d’un support de poteau, puis fixé en position à l’aide d’une pince.
  3. Assemblez la plaque demi-onde à l’aide d’une monture de rotation de 1 pouce, puis placez la plaque devant le module laser pour faire pivoter la lumière polarisée linéairement.
  4. Préparez deux miroirs en les plaçant sur des montures cinématiques de 1 pouce et un disque d’alignement pour aligner la direction du faisceau initial.
    1. Placez le disque d’alignement devant le laser et réglez la hauteur. Placez les deux miroirs de sorte que le faisceau se plie deux fois à 90° chacun pour être en alternance directions.
    2. Placez le disque d’alignement près du deuxième miroir et réglez l’angle du premier miroir en tournant des boutons pour aligner la lumière au centre.
    3. Placez le disque d’alignement loin du deuxième miroir et réglez l’angle du deuxième miroir en tournant des boutons pour aligner la lumière au centre.
    4. Répétez les étapes 3.4.2 et 3.4.3 jusqu’à ce que la lumière passe à travers le centre d’un disque d’alignement aux deux endroits.
  5. Placez un filtre de densité neutre derrière le miroir pour contrôler l’intensité de la lumière. Placez un iris derrière le filtre de densité neutre pour contrôler le diamètre de la lumière incidente.
  6. Pour faire une lumière polarisée circulairement, placez un polariseur linéaire et une plaque d’onde quart dans l’ordre derrière l’iris. Montez chaque composant sur sa propre monture de rotation.
  7. Attachez la métasurface fabriquée à une plaque avec un trou et montez la plaque sur le support de traduction XY pour l’optique rectangulaire. Réglez la monture de traduction XY de sorte que la lumière soit dirigée vers le motif de l’échantillon.
  8. Placez une lentille après la métasurface. Ajuster la position de la lentille à placer à la longueur focale. Placez un CCD après l’objectif pour capturer une image hologramme.

4. Caractérisation optique du métahologramme multiplexe direction

  1. Préparez deux séparateurs de faisceaux, deux miroirs, l’objectif et le CCD.
    REMARQUE : Cette configuration peut être construite à partir de la configuration du métahologramme à multiplexe spin en ajoutant des composants supplémentaires.
  2. Placez un séparateur de faisceau entre la plaque de quart d’onde et la monture de traduction XY pour diviser le faisceau en deux directions. Placez un autre séparateur de faisceau entre le support de traduction XY et l’objectif.
    REMARQUE : Un chemin de faisceau est le même que la configuration précédente de métahologrammes à multiplexe spin. Ici, un autre faisceau fendu sera aligné pour éclairer un échantillon dans la direction opposée à la configuration précédente.
  3. Placez deux miroirs de sorte que le faisceau se plie deux fois à 90° chacun pour former des directions alternées et ajuster le faisceau à diriger dans le deuxième séparateur de faisceau. Alignez finement la lumière de façon à ce que le faisceau irradie correctement l’échantillon dans la direction opposée.
  4. Placez une autre lentille à 90° à droite du premier séparateur de faisceau et placez un CCD pour capturer une image hologramme de la direction opposée.

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Résultats

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Les métasurfaces a-Si:H permettent une efficacité de polarisation croisée élevée et peuvent être fabriquées à l’aide d’une méthode (figure 1)compatible avec CMOS; ce trait peut permettre une fabrication évolutive et une commercialisation à proximité de l’avenir. L’image SEM montre les métasurfaces a-Si:H fabriquées (Figure 2). En outre, a-Si:H a un indice de réfraction plus grand que TiO2 et GaN, de sorte que même avec une nanostructure à faible rappo...

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Discussion

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Les métasurfaces a-Si:H ont été fabriquées en trois étapes principales : le dépôt de film mince a-Si:H à l’aide de PECVD, d’EBL précis et de gravure sèche. Parmi ces étapes, le processus d’écriture eBL est le plus important. Tout d’abord, la densité de motifs sur les métasurfaces est assez élevée, de sorte que le processus nécessite un contrôle précis sur la dose d’électron (énergie) et les paramètres de balayage tels que le nombre de points par zone unitaire. L’état de développement doit également être choisi avec soin....

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Remerciements

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Ces travaux ont été soutenus financièrement par les subventions de la Fondation nationale de la recherche (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) financées par le Ministère des sciences et des TIC du gouvernement coréen. I.K. reconnaît la bourse de doctorat mondiale de la NRF (NRF-2016H1A2A1906519) financée par le Ministère de l’éducation du gouvernement coréen.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AcetonJ.T. Baker925402
Séparateur de faisceauThorlabsCCM1-BS013/M
Agent de gravure au chromeKMGCr-7
Source d’évaporation du chromeKurt J. LeskerEVMCR35D
ClampThorlabsCP175
Polymère conducteurShowa denkoE-spacer
Laser à diodeThorlabsCPS635
Système d’évaporation par faisceau d’électronsCorée Vacuum TechKVE-E4000
Résistance par faisceau d’électronsMicrochem495 PMMA A2
Lithographie par faisceau d’électronsElionixELS-7800
Plaque demi-ondeThorlabsAHWP05M-600
Plasma réactif à couplage inductif gravure ioniqueDMS-Iris
ThorlabsSM1D12
Alcool isopropyliqueJ.T. Baker909502
Monture miroir cinématiqueThorlabsKM100/M
ObjectifThorlabsLB1630
Monture d’objectifThorlabsLMR2/M
Polariseur linéaireThorlabsGTH5-A
MiroirThorlabsPF10-03-G01
Filtre à densité neutreThorlabsNDC-50C-4
Dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasmaTechnologie BMRHiDep-SC
PoteauThorlabsTR75/M
Porte-poteauThorlabsPH75E/M
Plaquequart d’ondeThorlabsAQWP10M-580
Développeur de réserveMicrochemMIBK :IPA=1:3
Monture rotativeThorlabsRSP1/M
Microscopie électronique à balayageHitachiRegulus8100
XY Monture de translationThorlabsXYF1/M
Adaptateur 1 pouceThorlabsAD11F
1- monture d’objectif en poucesThorlabsCP02/M

Références

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  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).
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  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
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Mots-clés

Metahologram FabricationSpin MultiplexingDirection MultiplexingAll Dielectric MetasurfacesHydrogenated Amorphous SiliconElectron Beam WritingOptical CharacterizationCharge Coupled DeviceScanning Electron MicroscopyCircularly Polarized Light

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