방법 논문

스핀 멀티플렉스 및 방향 멀티플렉션 된 모든 유전체 가시 메타 홀로그램의 데모

DOI:

10.3791/61334

⸱

2020년 9월 25일

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

이 논문에서

요약

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우리는 스핀 및 방향 멀티플렉스 가시 대사장의 제조를위한 프로토콜을 제시한 다음 광학 실험을 수행하여 기능을 확인합니다. 이러한 메타홀로그램은 인코딩된 정보를 쉽게 시각화할 수 있으므로 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화에 사용할 수 있습니다.

초록

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메타표면에서 실현한 광학 홀로그래피 기술은 초박형 및 거의 평평한 광학 장치의 형태로 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화 디스플레이에 대한 새로운 접근법으로 부상했습니다. 공간 광 변조기를 사용한 기존의 홀로그램 기술과 비교하여, 메타홀로그램은 광학 설정의 소형화, 더 높은 이미지 해상도 및 홀로그램 이미지에 대한 가시성의 더 큰 필드와 같은 수많은 장점을 가지고 있습니다. 여기서, 인시던트 라이트의 스핀 및 방향에 민감한 광학 메타홀로그램의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜이 보고된다. 상기 메타표면은 수소무정형 실리콘(a-Si:H)으로 구성되며, 이는 전체 가시 범위에서 큰 굴절지수와 소형 소멸 계수를 가지고 있어 높은 송신 및 회절 효율을 초래한다. 이 장치는 인시던트 라이트의 스핀 또는 방향을 전환할 때 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성합니다. 따라서 여러 유형의 시각적 정보를 동시에 인코딩할 수 있습니다. 제조 프로토콜은 필름 증착, 전자 빔 쓰기 및 후속 에칭으로 구성됩니다. 제조된 장치는 레이저, 선형 편광기, 쿼터 파판, 렌즈 및 충전 결합 장치(CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정을 사용하여 특성화될 수 있습니다.

서론

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서브 파장 나노 구조로 구성된 광학 메타표면은 광학 은폐1,음수 굴절2,완벽한 광 흡수3,컬러 필터링4,홀로그램 이미지 프로젝션5,빔 조작6,7,8을포함한 많은 흥미로운 광학현상을가능하게 하였다., 적절하게 설계된 산란체가 있는 광학 메타표면은 빛의 스펙트럼, 파면 및 편광을 조절할 수 있습니다. 초기 광학 메타표면은 주로 나노 제조의 높은 반사율과 용이성으로 인해 고귀한 금속(예: Au, Ag)을 사용하여 제작되었지만, 오믹 손실이 높기 때문에 메타표면은 짧은 가시 파장에서 낮은 효율을 갖는다.

가시광선에서 손실이 적은 유전체 재료(예: TiO29,GaN 10 및 a-Si:H11)에대한 나노 제조 기술의 개발은 광학 메타표면을 가진 고효율 평면 광학 장치의 실현....

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프로토콜

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1. 장치 제작

참고: 도 1은 a-Si:H 메타표면(17)의 제작 과정을 나타낸다.17

  1. 융합된 실리카 웨이퍼 조각(크기 = 2cm x 2cm, 두께 =500 μm)을 기판으로 준비합니다. 아세톤과 이소프로필 알코올(IPA)으로 기판을 헹구고 기판 위에 질소 가스를 날려 건조시다.
  2. 다음 설정으로 플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 사용하여 기판에 380nm 두께의 a-Si:H 필름을 기판에 기탁한다: 챔버 온도 = 300°C; 무선 주파수 전력 = 800 W; 가스 유량 = H2용SiH4용 10cm, sccm 75; 공정 압력 = 25 mTorr; 시간 = 30 s.
  3. 스핀 코트 e-빔 리소그래피 포토 레지스트. 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) A2를 기판과 스핀코트에 1분 동안 2,000rpm의 회전 속도로 떨어뜨립니다.
  4. 핫플레이트에 저항 코팅된 기판을 5분간 180°C로 굽습니다.
  5. 전자빔 쓰기 과정에서 전하 축적을 방지하기 위해 전도성 폴리머 층을 스핀 코팅한다. 전도성 폴리머(예를 들어, Espacer)를 ....

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결과

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상기 a-Si:H 메타표면은 높은 교차 편광 효율을 가능하게 하고 CMOS와 호환되는방법(도 1)을사용하여 제조될 수 있다; 이러한 특성은 확장 가능한 제조 및 가까운 미래 상용화를 가능하게 할 수 있습니다. SEM 이미지는 제작된 a-Si:H 메타표면(그림2)을나타낸다. 또한, A-Si:H는 TiO2 및 GaN보다 굴절률이 크므로, 약 4.7의 낮은 종횡비 나노구조에서도 회절 효율이 높은 a-SiH 메타 홀로그램을 실현할 수 있다. 633nm 파장의 계산된 효율은 74%였고 측정효율은 61%였다.

스핀 멀티플렉스 메타홀로그램은 단순히 사건의 핸드를 원형 편광광(도3a)을뒤집어 투영된 홀로그램 이미지를 전환할 수 있다. 이러한 스핀 멀티플렉스 메타홀로그램을 설계하기 위해 두 종류의 메타표면이 사용되었습.......

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토론

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A-Si:H 메타표면은 PECVD, 정밀EBL 및 건식 에칭을 사용하여 a-Si:H 박막 증착의 세 가지 주요 단계로 제작되었습니다. 이러한 단계 중 EBL 쓰기 프로세스가 가장 중요합니다. 첫째, 메타표면의 패턴 밀도는 매우 높기 때문에 공정은 전자 용량(energy) 및 단위 면적당 점 수와 같은 스캐닝 파라미터를 정밀하게 제어해야 합니다. 개발 조건도 신중하게 선택해야 합니다. 패턴의 밀도는 매우 높기 때문에 개발 과정이 즉각적으로 수행되면 나노로드 모양패턴이 잘 정의되지 않고 서로 연결됩니다. 이 문제를 방지하고 쉽게 리프트 오프할 수 있도록 포토 레지스트의 적절한 음수 경사를 제공하기 위해, 개발 과정이 2-4 °C에서 수행되는 냉개발 기술이 사용되었다. 더욱이, 이중층 저항 방법은 개발 용액에서 서로 다른 분자량과 용해도를 갖는 두 가지 종류의 저항이 사용되는 쉬운 리프트 오프 공정에 사용될 수 있다. 또한 에칭 공정 중 측면 벽 프로파일은 에칭 공정을 조정하여 가능한 한 90°에 가깝게 만들어야 합니다.

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감사의 글

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이 작품은 국립연구재단(NRF)의 보조금(NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290)이 후원했다. I.K.는 한국 정부 교육부의 지원을 받는 NRF 글로벌 박사 펠로우십(NRF-2016H1A2A1906519)을 인정한다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
AcetonJ.T. Baker925402
빔 스플리터ThorlabsCCM1-BS013/M
크롬 에칭제KMGCr-7
크롬 증발원Kurt J. LeskerEVMCR35D
클램프ThorlabsCP175
전도성 폴리머Showa denkoE-스페이서
다이오드 레이저ThorlabsCPS635
E-beam evaporation systemKorea Vacuum TechKVE-E4000
E-beam resistMicrochem495 PMMA A2
Electronbeam lithographyElionixELS-7800
Half-wave plateThorlabsAHWP05M-600
Inductively-coupled plasma reactive 이온 에칭DMS-Iris
ThorlabsSM1D12
이소프로필 알코올J.T. Baker909502
Kinematic 미러 마운트ThorlabsKM100/M
렌즈ThorlabsLB1630
렌즈 마운트ThorlabsLMR2/M
선형 편광판ThorlabsGTH5-A
미러ThorlabsPF10-03-G01
중성 밀도 필터ThorlabsNDC-50C-4
플라즈마 강화 화학 기상 증착BMR 기술HiDep-SC
포스트ThorlabsTR75 / M
포스트 홀더ThorlabsPH75E / M
쿼터 웨이브 플레이트ThorlabsAQWP10M-580
레지스트 현상액MicrochemMIBK:IPA=1:3
회전식 마운트ThorlabsRSP1/M
주사 전자 현미경HitachiRegulus8100
XY 변환 마운트ThorlabsXYF1/M
1인치 어댑터ThorlabsAD11F
1- 인치 렌즈 마운트ThorlabsCP02/M

참고문헌

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

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

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