Name: 유전체 메타표면에 의한 동등한 강도 빔 생성 시연 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: 배우세요 고효율 유전체 메타표면 제작 방법을 원자층 증착과 융합 실리카 기판을 활용하여. 이 기술은 렌즈, 홀로그램, 광학 클로킹 등 다양한 광학 소자 제작에 적용 가능하며 실리콘 포토닉스 연구에 중요한 통찰을 제공합니다.

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이 작품은 국립연구재단 보조금(NRF-2019R1A2C303129, CAMM-2019M3B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A1A1037668)에 의해 지원된다.

1. 유전체 메타 표면의 제조
<ol><li>융합 실리카 기판의 사전 세척
	<ol>
<li>양면 광택, 융합 실리카 기판 (길이 : 2cm; 폭 : 2cm; 두께 : 500 μm)을 준비합니다.</li>
		<li>융합실리카 기판을 50 mL의 아세톤에 담그고 40kHz에서 5분 동안 초음파 처리를 수행합니다.</li>
		<li>기판을 50 mL의 2 프로판올 (IPA)에 담그고 40 kHz에서 5 분 동안 초음파 처리를 수행합니다.</li>
		<li>IPA의 증발 전에 기판을 건조시키기 위해 IPA 및 블로우 질소(N2) 기판을 헹구고 기판을 건조시다.</li>
	</ol></li>
	<li>PECVD에 의한 A-Si:H의 증착
	<ol>
<li>PECVD 시스템의 로드 록 챔버 내부의 지그재그에서 준비된 기판을 찾습니다.</li>
		<li>PECVD 소프트웨어에서 챔버 온도를 300°C로 설정하고 무선 주파수 전력을 800W로 설정합니다.</li>
		<li>SiH4 가스 유량을 10sccm로 설정하고 H2 가스 유량을 75 sccm로 설정합니다.</li>
		<li>공정 압력을 25 mTorr로 설정합니다. 시작 버튼을 클릭하여 300초정도 걸리는 증착 프로세스를 시작합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>Cr 에칭 마스크의 형성
	<ol><li>1.2.4단계에서 얻은 샘플을 스핀 코터의 샘플 홀더에 로드합니다. 필터 장착 5 mL 주사기를 사용하여 샘플상에서 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA) A2를 방출하고 1분 동안 2,000 rpm의 회전 속도로 코팅 공정을 시작합니다. 참고: 방출된 PMMA는 전체 기판을 덮어야 합니다. 그렇지 않으면 스핀 코팅 필름이 균일하지 않습니다.</li>
		<li>샘플 홀더에서 핫 플레이트로 샘플을 옮기고 180 °C에서 5 분 동안 핫 플레이트로 샘플을 굽습니다. 그런 다음 실온에서 샘플을 1 분 동안 식힙니다.</li>
		<li>샘플을 스핀 코터의 샘플 홀더에 로드합니다. 1 mL 파이펫을 사용하여 샘플에 E-스페이서를 방출하고 1 분 동안 2,000 rpm의 회전 속도로 코팅 공정을 시작합니다. 참고 : 방출 된 E-스페이서는 전체 기판을 덮어야합니다. 그렇지 않으면 스핀 코팅 필름이 균일하지 않습니다.</li>
		<li>EBL용 지그재그에서 샘플을 로드하고 수정합니다. 지그재그를 EBL 챔버에 넣고 메인 챔버에 적재하십시오.</li>
		<li>EBL 콘솔에서 격리 버튼을 누린 다음 FC 버튼을 누를 수 있습니다. 배율 노브를 사용하여 배율을 최대값으로 설정합니다.</li>
		<li>0 확인 버튼을 켭니다. 빔 전류 노브를 돌려 빔 전류 값을 50pA로 설정합니다. 0 확인 버튼을 끕니다.</li>
		<li>참조 버튼을 눌러 스테이지를 참조 위치로 이동합니다. 빈 버튼을 끕니다.</li>
		<li>배율 노브를 사용하여 배율 값을 100,000으로 설정합니다. EBL 디스플레이에서 가장 선명한 이미지를 얻으려면 초점과 낙인 손잡이를 조정합니다. 빈 버튼을 켭니다.</li>
		<li>EBL 콘솔에 연결된 컴퓨터에서 Linux 터미널을 실행합니다. cd 명령을 사용하여 현재 위치를 .gds 파일이 있는 폴더로 이동합니다.</li>
		<li>gds2cel을 입력하여 .gds 파일을 .cel 파일로 변환하고 완료될 때까지 기다립니다. 기본 소프트웨어를 실행하려면 작업을 입력합니다.</li>
		<li>칩 크기 수정 메뉴를 클릭합니다. 600 μm x 600 μm 및 240,000도트를선택합니다. 저장을 클릭한 다음 을 종료합니다. </li>
		<li>패턴 데이터 생성 메뉴를 클릭합니다. 명령 창에 ps를 입력하여 1.3.10 단계에서 생성된 패턴 .cel 파일을 로드합니다. 명령 창에 i를 입력하고 패턴을 클릭하여 패턴 이미지를 확대합니다.</li>
		<li>명령 창에 sd를 입력하고 3을 입력하여 용량 시간을 3 μs로 설정합니다. 명령 창에 sp를 입력하고 1,1을 입력하여 노출 피치를 정상 상태로 설정합니다. 명령 창에 PC와 파일 이름을 입력하여 .ccc 파일을 만듭니다. 패턴의 중심을 클릭합니다.</li>
		<li>명령 창에 cp를 입력하고 패턴을 클릭하여 1.3.13 단계에서 노출 조건을 적용합니다. 명령 창에 sv를 입력하고 파일 이름을 입력하여 .con 파일을 만듭니다. 명령 창에 q를 입력하여 패턴 데이터 생성 메뉴를 종료합니다.</li>
		<li>노출 메뉴를 클릭합니다. 1.3.14 단계에서 i 및 .con 파일 이름을 입력합니다. 전자를 입력하고 노출 버튼을 클릭하여 노출 프로세스를 시작합니다. 참고: 노출 시간은 패턴 영역 및 밀도에 따라 다릅니다. 300 μm x 300 μm 면적의 일반적인 메타표면 패턴은 ~3h를 취합니다.</li>
		<li>노출 프로세스가 끝나면 격리 버튼을 끕니다. EX 버튼을 눌러 스테이지를 이동합니다.</li>
		<li>노출을 완료한 후 챔버에서 샘플을 언로드합니다. 샘플을 50 mL의 탈이온화(DI) 물에 1분 동안 담그고 E-스페이서를 제거합니다.</li>
		<li>메틸 이소부틸 케톤(MIBK) 10 mL를 준비합니다:IPA = 얼음으로 둘러싸인 비커에 1:3 용액을 준비합니다. 샘플을 MIBK:IPA = 1:3 용액에 12분 동안 담그세요. 그런 다음 IPA로 샘플을 헹구고 N2 가스를 불어 샘플을 건조시합니다.</li>
		<li>전자 빔 증발기의 홀더에 샘플을 로드하고 고정합니다. 증발기의 챔버 내부에 홀더를 장착합니다.</li>
		<li>증발 챔버 내부에 흑연 도가니 함유 조각 형 Cr을로드합니다.</li>
		<li>전자 빔 증발기의 소프트웨어에서 챔버 펌핑 버튼을 클릭하여 챔버 내부에 진공을 만들고 압력을 3 x 10-6 mTorr로 낮춥시됩니다.</li>
		<li>재질 섹션에서 크롬을 선택하고 재질 단추를 클릭하여 적용합니다. 전자 빔 셔터 버튼을 클릭하여 소스 셔터를 엽니다. 해당 순서대로 고전압 및 소스 버튼을 클릭합니다.</li>
		<li>위쪽 화살표 버튼을 클릭하여 전자 빔 전력을 천천히 늘리고 증착 속도가 0.15 nm/s에 도달할 때까지 이 버튼을 반복합니다. 참고 : 5 s당 한 번의 클릭은 충분히 느립니다.</li>
		<li>0 버튼을 클릭하여 두께 게이지를 재설정합니다. 메인 셔터 버튼을 클릭하여 주 셔터를 엽니다. 두께 게이지가 30nm에 도달하면 메인 셔터 버튼을 클릭하여 주 셔터를 닫습니다. 참고 : 증착 시간은 증착 속도에서 쉽게 계산 할 수 있습니다. 30 nm 두께의 증착은 ~ 200 s가 소요됩니다.</li>
		<li>전자 빔 셔터 버튼을 클릭하여 소스 셔터를 닫습니다. 아래쪽 화살표 버튼을 클릭하여 전자 빔 전력을 천천히 줄이고 전원이 0에 도달할 때까지 이 버튼을 반복합니다. 참고 : 5 s당 한 번의 클릭은 충분히 느립니다.</li>
		<li>소스를 클릭한 다음 고전압 버튼을 클릭합니다. 챔버를 식히기 위해 15 분 동안 기다립니다. 통풍 버튼을 클릭하여 챔버를 배출하고 홀더에서 샘플을 언로드합니다.</li>
		<li>샘플을 50 mL의 아세톤에 3 분 동안 담급니다. 40 kHz에서 1 분 동안 초음파 처리수행. IPA로 시료를 헹구고N2 가스를 불어 시료를 건조시다.</li>
	</ol></li>
	<li>A-Si:H의 에칭 공정
	<ol>
<li>열 접착제를 샘플 뒷면에 펼치. 지그재그위에 샘플을 부착하고 에칭 시스템에 지그재그를로드합니다.</li>
		<li>소프트웨어에서 염소(Cl2) 가스유량을 80scm로 설정하고 수소 브로마이드(HBr) 가스 유량을 120 sccm로 설정합니다. 소스 전원을 500W로 설정하고 바이어스를 100V로 설정합니다. 시작 버튼을 클릭하여 100초 동안 에칭 프로세스를 시작합니다.</li>
		<li>시료를 언로드하고 방진 와이퍼로 열 접착제를 제거하십시오.</li>
		<li>20 mL의 Cr etchant에 2 분 동안 50 mL의 DI 물에 1 분 동안 샘플을 담그고 DI 물로 샘플을 헹구고 N2 가스를 불어 샘플을 건조시.</li>
	</ol></li>
	<li>제조된 메타표면의 주사 전자 현미경 이미지 획득
	<ol>
<li>스핀 코터의 샘플 홀더에 샘플을 로드하고 1 mL 파이펫을 사용하여 샘플에 E 스페이서를 방출하고 1 분 동안 2,000 rpm의 회전 속도로 코팅 공정을 시작합니다.</li>
		<li>탄소 테이프를 사용하여 주사 전자 현미경 (SEM)의 샘플 홀더에 샘플을 고정합니다. 홀더를 SEM의 로드 록 챔버에 넣고 로드 록 챔버에 진공을 만듭니다.</li>
		<li>로드 록 챔버에서 메인 챔버로 홀더를 전송합니다. 15kV 가속 전압으로 전자 빔을 켭니다.</li>
		<li>스테이지를 1cm 작동 거리로 이동합니다. 스테이지를 수평으로 이동하여 메타서피스를 찾습니다. 이미지가 선명해질 때까지 낙인과 초점 거리를 조정합니다.</li>
		<li>이미지를 캡처합니다.</li>
		<li>전자 빔을 끕니다. 스테이지를 추출 위치로 이동합니다. 메인 챔버에서 로드 록 챔버로 홀더를 전송합니다.</li>
		<li>로드 록 챔버를 배출하고 샘플을 언로드합니다.</li>
		<li>샘플을 50 mL의 DI 물에 1 분 동안 담그고 E 스페이서를 제거합니다. N2 가스를 불어 샘플을 건조시.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 유전체 메타 표면의 광학 특성화
참고: 레이저의 직접 방사선은 눈을 손상시킬 수 있습니다. 직접적인 눈 노출을 피하고 적절한 레이저 안전 안경을 착용하십시오.
<ol><li>광학 테이블에 635 nm 파장 레이저를장착하십시오 (그림 1a). 레이저를 켜고 빔 전원을 안정화하기 위해 10 분 동안 기다립니다.</li>
	<li>레이저에서 가까운 거리와 멀리 정렬 화면을 사용하여 레이저의 수평 및 수직 정렬을 조정합니다.</li>
	<li>레이저 앞에 중립 밀도 필터를 놓습니다. 중립 밀도 필터 뒤에 첫 번째 볼록 렌즈를 장착합니다. 볼록 렌즈의 후면 초점 면에 홍채를 배치하여 노이즈를 제거합니다.</li>
	<li>두 번째 볼록 렌즈를 첫 번째 볼록 렌즈에서 초점 거리의 두 배로 장착합니다. 두 번째 볼록 렌즈 뒤에 선형 편광판을 놓습니다. 선형 편광판 뒤에 오른손잡이 원형 편광판을 놓습니다.</li>
	<li>원형 편광판 뒤에 세 번째 볼록 렌즈를 장착합니다. 제작된 메타표면을 홀더에 장착합니다. 볼록 렌즈의 후면 초점 평면에서 메타표면을 찾습니다. 참고: 레이저 빔은 기판에서 패턴 영역으로 입사해야 합니다.</li>
	<li>중앙에 직경 1cm의 구멍이 있는 두꺼운 흰색 종이 스크린을 메타표면 뒤에 놓습니다. 원통과 메타표면을 정렬하는 각도기표를 광학 테이블에 장착합니다.</li>
	<li>파워 미터를 사용하여 화면의 세 가지 밝은 반점인 3개의 회절된 빔의 전력을 측정합니다. 참고: 레이저 빔 전력이 일정하게 유지되지 않으면 일정 기간 동안 평균 빔 전력을 계산합니다.</li>
	<li>오른손잡이 원형 편광판을 왼손잡이 원형 편광판으로 교체합니다. 파워 미터를 사용하여 세 개의 회절 빔 전력을 측정합니다.</li>
	<li>왼손잡이 원형 편광판을 제거합니다. 파워 미터를 사용하여 세 개의 회절 빔 전력을 측정합니다.</li>
	<li>중성 밀도 필터를 사용하여 레이저 빔 전력을 줄여 CCD 측정을 허용합니다. 오른손잡이 원형 편광판을 놓습니다. CCD를 사용하여 3개의 회절된 빔 프로파일을 캡처합니다. 참고: CCD 손상을 방지하기 위해 약한 레이저 빔 전력이 선호됩니다. 이 작업에는 300 μW의 빔 전력이 사용되었습니다.</li>
	<li>오른손잡이 원형 편광판을 왼손잡이 원형 편광판으로 교체합니다. CCD를 사용하여 3개의 회절된 빔 프로파일을 캡처합니다.</li>
	<li>왼손잡이 원형 편광판을 제거합니다. CCD를 사용하여 3개의 회절된 빔 프로파일을 캡처합니다.</li>
	<li>635nm 파장 레이저를 532nm 파장 레이저로 교체합니다.</li>
	<li>2.2단계에서 2.12단계반복합니다.</li>
</ol>

<ol><li>Khorasaninejad, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metalenses+at+visible+wavelengths%3A+Diffraction-limited+focusing+and+subwavelength+resolution+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging.</a> Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).</li>
<li>Chen, W. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+broadband+achromatic+metalens+for+focusing+and+imaging+in+the+visible%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible.</a> Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).</li>
<li>Zheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metasurface+holograms+reaching+80%25+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Metasurface holograms reaching 80% efficiency.</a> Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).</li>
<li>Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broadband+high-efficiency+dielectric+metasurfaces+for+the+visible+spectrum%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pragmatic+Metasurface+Hologram+at+Visible+Wavelength%3A+The+Balance+between+Diffraction+Efficiency+and+Fabrication+Compatibility%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Pragmatic Metasurface Hologram at Visible Wavelength: The Balance between Diffraction Efficiency and Fabrication Compatibility.</a> ACS Photonics. 5 (5), 1643-1647 (2018).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22Crypto-Display%22+in+Dual-Mode+Metasurfaces+by+Simultaneous+Control+of+Phase+and+Spectral+Responses%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">"Crypto-Display" in Dual-Mode Metasurfaces by Simultaneous Control of Phase and Spectral Responses.</a> ACS Nano. 12 (7), 6421-6428 (2018).</li>
<li>Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+ultrathin+invisibility+skin+cloak+for+visible+light%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">An ultrathin invisibility skin cloak for visible light.</a> Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).</li>
<li>Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+nanofin+grating+as+a+miniature+chirality-distinguishing+beam-splitter%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter.</a> Nature Communications. 5, 5386(2014).</li>
<li>Zhang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+beam+splitters+based+on+gradient+metasurfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces.</a> Optics Letters. 43 (2), 267(2018).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometric+metasurface+enabling+polarization+independent+beam+splitting%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting.</a> Scientific Reports. 8 (1), 9468(2018).</li>
<li>Goodman, J. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGoodman%2C+JW+%22Introduction+to+Fourier+Optics%22">Introduction to Fourier Optics</a>. , Roberts and Company Publishers. Englewood, CO. (2005).</li>
<li>Gerchberg, R. W., Saxton, W. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+algorithm+for+the+determination+of+the+phase+from+image+and+diffraction+plane+pictures%5BTitle%5D)+AND+%22Optik%22%5BJournal%5D)">A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures.</a> Optik. 35 (2), 237-246 (1972).</li>
<li>Yoon, G., Kim, I., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+in+fabrication+towards+realization+of+practical+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials.</a> Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).</li>
<li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Silicon+Metasurfaces+for+Visible+Light%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light.</a> ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).</li>
<li>Dammann, H., Görtler, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-efficiency+in-line+multiple+imaging+by+means+of+multiple+phase+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Communications%22%5BJournal%5D)">High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms.</a> Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).</li>
</ol>

저자는 공개 할 것이 없다.

일부 제작 단계는 원래 디자인과 동일한 메타 표면을 생성하기 위해 신중하게 수행해야합니다. 레지스트 개발 공정에서 일반적으로 저온 용액이 바람직합니다. 표준 조건은 실온이지만 용액 온도를 0°C로 감소시킴으로써 반응 속도를 늦출 수 있다. 해당 반응 시간이 길어지더라도 표준 조건보다 더 미세한 패턴을 얻을 수 있습니다. 반응 시간 제어도 낮은 반응 속도로 인해 용이합니다. 미세 패턴에 대한 또 다른 중요한 단계는 레지스트 개발 후 IPA를 건조시키는 것입니다. N2 기체는 샘플에서 IPA의 나머지 부분을 이동하고 증발시다. IPA의 일부 양은 무작위로 분산 된 섬을 생성, 이동하지 않습니다. IPA 제도가 형성되고 증발하면 샘플이 손상됩니다. 따라서, IPA 섬 형성을 최소화하기 위해, 강한 분비물보다 강한 송풍이 더 낫고, 강한 공기 흐름에 의해 기판이 파손되지 않는 한. 초음파 처리의 적절한 힘은 얇은 필름을 명확하게 벗기는 데 도움이됩니다. 리프트 오프 단계 후, 종래의 광학 현미경을 사용하여 박막이 명...

2 차원 소파장 안테나 어레이로 구성된 메타 표면은 무채색 렌즈 1,2,홀로그램 3,4,5와 같은 많은 유망한 광학 기능을 입증했습니다. ,6, 광학 망토7. 기존의 부피가 큰 광학 부품은 원래의 기능을 유지하면서 초박형 메타표면으로 대체 될 수있다. 예를 들어 빔 스플리터는 입사 빔을 두 개의 빔으로 분리하는 데 사용되는 광학 장치입니다. 일반적인 빔 스플리터는 두 개의 삼각형 프리즘을 결합하여 만들어집니다. 인터페이스 특성이 빔 분할 특성을 결정하기 때문에 기능 저하 없이 물리적 크기를 줄이기가 어렵습니다. 한편, 초박형 빔 스플리터는 1차원 선형 위상 그라데이션8,9로인코딩된 메타표면으로 실현될 수 있다. 메타표면의 두께는 작동 파장보다 적으며, 분리 특성은 상 분포에 의해 제어될 수 있습니다.
입사 분광 상태10에관계없이 동일한 강도의 빔을 생성할 수 있는 메타표면 빔 스플리터를 설계했습니다. 이 특성은 푸리에 홀로그램에서 온다. 검은 색 배경에 두 개의 흰색 반점의 이미지로 인해, 메타 표면에서 생성 된 홀로그램은 인코딩 된 이미지와 동일합니다. 푸리에 홀로그램은 특정 초점 거리를 갖지 않으므로 인코딩된 이미지는메타표면(11)뒤의 전체 공간에서 관찰될 수 있다. 메타표면 뒤에 동일한 2스팟 이미지가 생성되면 빔 스플리터로도 작동합니다. 메타표면에 의한 푸리에 홀로그램은 직교 편광 상태에 대하여 쌍둥이 이미지라고 하는 반전된 이미지를 생성합니다. 트윈 이미지는 일반적으로 노이즈로 간주됩니다. 그러나 이 메타서피스에 인코딩된 두 자리 이미지는 원점 대칭으로 원본 이미지와 트윈 이미지가 완벽하게 겹칩니다. 모든 편광 상태는 오른손잡이(RCP)와 왼손잡이(LCP) 원형 편광의 선형 조합으로 표현될 수 있기 때문에 여기에 설명된 장치는 편광 독립적인 기능을 보여줍니다.
여기서, 우리는 동일한 강도빔 생성을 가능하게 하는 유전체 메타표면의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜을 제시한다. 이 장치의 위상 분포는 일반적으로 위상 전용 홀로그램12에사용되는 Gerchberg-Saxton (GS) 알고리즘에서 검색됩니다. a-Si:300 nm 두께의 H는 PECVD를 사용하여 융합실리카 기판상에 증착된다. Cr 마스크는 EBL을 사용하여 a-Si:H 필름에 정의됩니다. 마스크 패턴은 GS 알고리즘에서 파생된 위상 분포에 해당합니다. ICP-RIE는 Cr 마스크를 따라 A-Si:H 필름을 에칭하는 데 악용됩니다. Cr 마스크의 나머지 는 샘플 제작을 마무리 하는 Cr etchant에 의해 제거 됩니다. 제조 된 메타 표면의 광학 기능은 사용자 정의 광학 설정을 사용하는 것이 특징입니다. 레이저 빔이 메타표면에 입사되면 투과된 빔은 세 부분으로 나뉘는데, 즉 2개의 회절빔과 1개의 제로차오드 빔으로 분리됩니다. 회절된 빔은 입사 빔 경로의 확장에서 벗어나고 0차 빔은 이를 따릅니다. 이 장치의 기능을 확인하기 위해 전력 계, CCD 및 각도기를 사용하여 빔 전력, 빔 프로파일 및 회절 각도를 각각 측정했습니다.
사용되는 모든 제조 공정 및 재료는 대상 기능에 최적화되어 있습니다. 가시 작동 주파수의 경우 개별 안테나 크기는 수백 나노미터여야 하며 재료 자체는 가시 파장에서 낮은 광학 손실을 가져야 합니다. 이러한 작은 구조를 정의할 때 몇 가지 종류의 제작 방법만 적용할 수 있습니다. 일반적인 포토리소그래피뿐만 아니라 직접 레이저 쓰기는 회절 한계로 인해 제작이 불가능합니다. 집중 이온 빔 밀링을 사용할 수 있지만 갈륨 오염, 패턴 설계 의존성 및 느린 공정 속도의 중요한 문제가 있습니다. 실질적으로, EBL은 가시 주파수에서 작동하는 메타 표면의 제조를 용이하게하는 유일한 방법입니다13.
유전체는 일반적으로 금속의 피할 수없는 오믹 손실로 인해 바람직하다. A-Si:H의 광학 적 손실은 우리의 목적을 위해 충분히 낮습니다. A-Si:H의 광학 손실은 이산화 티타늄1,4 및 결정 실리콘14와같은 저손실 유전체만큼 낮지 않지만 A-Si:H의 제조는 훨씬 간단합니다. 일반적인 증발 및 스퍼터링 공정은 a-Si:H 필름의 증착을 할 수 없다. PECVD는 일반적으로 필요합니다. PECVD 공정 동안 SiH4 및 H2 가스의 일부 수소 원자가 실리콘 원자 사이에 갇혀 A-Si:H 필름을 생성합니다. a-Si:H 패턴을 정의하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 패턴 포토레지스트에 a-Si:H의 증착이고, 그 다음에 리프트 오프 프로세스가 있고, 다른 하나는 a-Si:H 필름에 에칭 마스크를 정의하고 에칭 프로세스를 정의하는 것입니다. 전자는 증발 공정에 적합하지만 증발을 사용하여 A-Si:H 필름을 증착하는 것은 쉽지 않습니다. 따라서 후자는 A-Si:H 패턴을 만드는 최적의 방법입니다. Cr은 실리콘의 높은 에칭 선택성 때문에 에칭 마스크 재료로 사용됩니다.

<table><tbody><tr><td>플라즈마 강화 화학 기상 증착</td><td>BMR 기술</td><td>HiDep-SC</td><td></td></tr><tr><td>전자빔 리소그래</td>피 <td>Elionix</td><td>ELS-7800</td><td></td></tr><tr><td>E-빔 증착 시스템</td><td>(주)한국진공기술</td><td>KVE-E4000</td><td></td></tr><tr><td>유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭</td><td>DMS</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>초음파 세척기</td><td>Honda</td><td>W-113</td><td></td></tr><tr><td>전자빔 레지스트</td><td>MICROCHEM</td><td>495 PMMA A2</td><td></td></tr><tr><td>레지스트 현상액</td><td>MICROCHEM</td><td>MIBK:IPA=1:3</td><td></td></tr><tr><td>전도성 폴리머</td><td>Showa denko</td><td>E-spacer</td><td></td></tr><tr><td>크롬 에칭제</td><td>KMG</td><td>CR-7</td><td></td></tr><tr><td>아세톤</td><td>J.T. Baker</td><td>925402</td><td></td></tr><tr><td>2-프로판올</td><td>J.T. Baker</td><td>909502</td><td></td></tr><tr><td>크롬 증발원</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCR35D</td><td></td></tr><tr><td>시준 레이저 다이오드 모듈</td><td>Thorlabs</td><td>CPS-635</td><td>파장: 635nm</td></tr><tr><td>ND:YAG 레이저</td><td>GAM 레이저</td><td>GAM-2000</td><td>파장: 532nm</td></tr><tr><td>파워미터</td><td>Thorlabs</td><td>S120VC</td><td></td></tr><tr><td>CCD 카메라</td><td>INFINITY</td><td>인피니티2-2M</td><td></td></tr><tr><td>ND 필터</td><td>Thorlabs</td><td>NCD-50C-4-A</td><td></td></tr><tr><td>선형 편광판</td><td>Thorlabs</td><td>LPVISA100-MP2</td><td></td></tr><tr><td>렌즈</td><td>Thorlabs</td><td>LB1676</td><td></td></tr><tr><td>Iris</td><td>Thorlabs</td><td>ID25</td><td></td></tr><tr><td>원형 편광판</td><td>Edmund optics</td><td>88-096</td><td></td></tr><tr><td>샘플 홀더</td><td>Thorlabs</td><td>XYFM1</td><td></td></tr><tr><td>PECVD 소프트웨어</td><td>BMR 기술</td><td>히뎁</td><td></td></tr></tbody></table>

유전체 메타표면에 의한 동등한 강도 빔 생성 시연

Demonstration of Equal-Intensity Beam Generation by Dielectric Metasurfaces

동일한 강도의 빔 생성을 가능하게 하는 메타표면 빔 스플리터의 제작 및 특성화 프로토콜이 입증되었습니다. 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)을 사용하여 융합실리카 기판에 증착됩니다. 증발에 의해 증착된 전형적인 비정질 실리콘은 가시 주파수에서 작동을 방해하는 심각한 광학 손실을 일으킵니다. 비정질 실리콘 박막 내부의 수소 원자는 구조적 결함을 감소시키고 광학 손실을 개선할 수 있습니다. 가시 주파수에서 메타표면의 작동을 위해서는 수백 나노미터의 나노 구조가 필요합니다. 회절 한계로 인해 이러한 작은 구조를 제조할 때 기존의 포토리소그래피 또는 직접 레이저 필기는 불가능합니다. 따라서, 전자 빔 리소그래피(EBL)는 박막 상에 크롬(Cr) 마스크를 정의하는 데 이용된다. 이 과정에서 노출된 레지스트는 차가운 온도에서 개발되어 화학 반응을 늦추고 패턴 가장자리를 선명하게 만듭니다. 마지막으로, a-Si:H는 유도성 결합 된 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP-RIE)을 사용하여 마스크를 따라 에칭됩니다. 입증된 방법은 EBL의 낮은 처리량으로 인해 대규모 제작에 적합하지 않지만 나노 임프린트 리소그래피와 결합하여 개선할 수 있습니다. 제작 된 장치는 레이저, 편광판, 렌즈, 파워 미터 및 충전 결합 장치 (CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정이 특징입니다. 레이저 파장과 편광을 변경하여 회절 특성을 측정합니다. 측정된 확산 빔 파워는 입사 분극과 파장에 관계없이 항상 동일합니다.

측정 결과는 여기에 제시된 장치의 편광 독립적인기능을 보여 준다(그림 1). m = ±1의 회절 순서의 측정된 빔 전력은 입사 편광 상태(즉, RCP, LCP 및 선형 편광)에 관계없이 동일합니다. 임의의 편광 상태는 RCP와 LCP의 선형 조합에 의해 분해될 수 있기 때문에 편광 상태에 관계없이 장치의 기능을 유지할 수 있습니다. 회절 각도는 각각 532 nm 및 635 nm의 파장에 대해 24° 및 28.5°이며, 인코딩된 홀로그램을 변경하여 각도를 제어할 수 있습니다.
회절 효율은 입사 빔 전력에 대한 회절 빔 전력(m= ±1)의 비율에 의해 정의됩니다. 여기에 제시된 장치는 기하학적 위상 결과 광대역 작동에 따라 서로 다른 방향을가진 동일한 크기의 나노로드로 구성됩니다(그림 2). 이론적으로, 효율은 두 파장에 대해 20% 이상이어야 한다. 그러나 측정된 회절 효율은...

유전체 메타표면의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜이 제시된다. 이 방법은 빔 스플리터뿐만 아니라 렌즈, 홀로그램 및 광학 망토와 같은 일반적인 유전체 메타 표면의 제작에도 적용 될 수 있습니다.

The fabrication and characterization protocol for a metasurface beam splitter, enabling equal-intensity beam generation, is demonstrated. Hydrogenated ...

이 프로토콜은 메타 표면 연구 분야에서 가장 중요한 문제 중 하나 인 고효율 메타 표면을 실현하기 위한 상세한 제조 방법을 제공합니다. 원자층 증착을 테스트하는 다른 방법과 비교하여, 이 기술은 가시 파장에서 작동하는 고효율 메타표면을 실현하는 저비용 및 빠른 제조 방법입니다. 이 프로토콜은 패턴 구성을 변경하여 렌즈, 홀로그램 및 광학 시계와 같은 일반 메타표면을 제작하는 데 적용할 수 있습니다.이 기술은 실리콘 마이크로 및 나노 구조를 활용하는 실리콘 광장 연구 분야에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 메타 표면의 기판은 실리카가 융합되어 있습니다. 측면에 깨끗한 양면 광택 사각형 융합 실리카 2 센티미터를 준비합니다.기판을 타고 PECVD 시스템에 적재하십시오. 하중 잠금 챔버에 기판을 지그 위에 배치합니다. 챔버를 닫고 시스템을 작동할 준비를 하십시오.제어 소프트웨어에서 온도, RF 전력, 가스 유량 및 공정 압력을 설정하여 증착 공정을 설정합니다. 약 300초가 걸리는 증착 후 샘플을 복구합니다. 증착된 수소화 무정형 실리콘을 스핀 코터에 보관하여 샘플을 채취하십시오.스핀 코터 샘플 홀더에 샘플을 로드합니다. 다음으로, 2%의 아누솔이 있는 PMMA를 포함하는 5밀리리터 주사기를 장착한 필터를 가져옵니다. 샘플을 PMMA로 코팅한 후 2, 000 RPM에서 1분 동안 회전을 시작합니다.완료되면 샘플을 핫 플레이트로 옮기습니다. 샘플을 섭씨 180도에서 5분간 굽습니다. 그런 다음 샘플을 제거하여 계속하기 전에 1 분 동안 식힙니다.그런 다음 샘플을 스핀 코터에 반환합니다. 1 밀리리터 파이펫을 사용하여 표면에 전도 폴리머 용액을 방출합니다. 샘플을 2, 000 RPM에서 1분간 코팅합니다.코팅이 완료되면 전자 빔 리소그래피를 위한 샘플을 채취하십시오. 샘플이 기기의 지그위에 고정되어 있어야 합니다. 그런 다음 지그를 기계의 챔버에 넣고 적재 과정을 완료합니다.콘솔로 작업하고 절차에 대한 전자 빔 리소그래피 시스템을 준비합니다. 시스템을 준비한 후 콘솔에 연결된 컴퓨터에서 작업합니다. 이 시스템에서는 명령줄을 사용하여 GDS 파일을 CEL 파일로 변환합니다.파일이 변환되면 작업을 입력하여 EBL 소프트웨어를 시작합니다. 명령줄을 사용하여 원하는 패턴이 현재 디렉터리에서 CEL 형식 파일에 있는지 확인합니다. 소프트웨어를 실행하려면 작업을 입력합니다.소프트웨어에서 칩 크기 수정 메뉴를 클릭합니다. 600 마이크로미터x미터를 600마이크로미터로 선택합니다. 다음으로 240점, 000점을 선택합니다.변경 내용을 저장합니다. 그런 다음 이 화면을 종료합니다. 이제 패턴 데이터 생성 메뉴를 클릭합니다.명령 창에서 PS를 입력하여 패턴의 CEL 파일을 로드합니다. 명령 창에 I를 입력합니다. 그런 다음 패턴을 클릭하여 이미지를 확대합니다.이제 명령 창에 ST0을 입력하여 용량 시간을 3 마이크로초로 설정합니다. SP11을 입력하여 노출 피치를 정상 상태로 설정합니다. PC와 파일 이름을 입력하여 CCC 파일을 만듭니다.완료되면 패턴의 중심을 클릭합니다. 노출 조건을 적용하려면 명령 창에 CP를 입력하고 패턴을 클릭합니다. SV와 파일 이름을 입력하여 CON 파일을 만듭니다.노출 메뉴를 클릭하여 Q.Move를 입력하여 이 패턴 데이터 생성 메뉴를 종료합니다. I와 선택한 CON 파일 이름을 입력합니다. 투여량을 2.4로 설정합니다.이스케이프 버튼을 눌러 일정을 완료합니다. 그런 다음 E를 입력하고 노출 버튼을 클릭하여 노출 프로세스를 시작합니다. 노출 프로세스가 완료되면 EBL 콘솔로 돌아갑니다.격리 버튼을 끄십시오. EX 버튼을 눌러 스테이지를 이동합니다. 그런 다음 챔버에서 샘플을 언로드합니다.다음으로, 전도성 중합체를 제거할 준비를 한다. 1 분 동안 50 밀리리터의 탈온 물에 샘플을 침지하여이 작업을 수행하십시오. 그런 다음 샘플을 얼음으로 둘러싸인 메틸 이소부틸 케톤과 이소프로필 알코올의 10 밀리리터 용액으로 이동합니다.12 분 후 샘플을 제거하고 이소 프로필 알코올로 헹신다. 날려 버린 질소 가스로 말리십시오. 다음 단계는 전자 빔 증발기가 필요합니다.증발기의 홀더에 샘플을 고정하고 증발 챔버 내부에 홀더를 장착하십시오. 이제 증발기에서 사용하기 위해 크롬을 가져옵니다. 샘플 표면에 증발하기 위해 흑연 도가니에 조각 유형 크롬을 준비합니다.도가니를 챔버에 적재합니다. 다음으로 전자 빔 증발기용 소프트웨어와 함께 작업합니다. 챔버 펌핑 버튼을 클릭하여 챔버에 진공을 만듭니다.재료 섹션에서 크롬을 선택합니다. 그런 다음 재질 버튼을 클릭하여 선택 영역을 적용합니다. E 빔 셔터 버튼을 클릭하여 소스 셔터를 엽니다.다음으로 고전압을 클릭합니다. 소스를 클릭하여 이 것을 따르십시오. 위쪽 화살표를 사용하여 빔 전력을 천천히 증가시면 됩니다.대상 증착 속도로 중지합니다. 두께 게이지를 재설정하려면 0 단추를 클릭합니다. 메인 셔터 버튼을 클릭하여 해당 셔터를 엽니다.두께 게이지를 모니터링합니다. 게이지가 30나노미터에 도달하면 메인 셔터 버튼을 클릭하여 셔터를 닫습니다. E 빔 셔터를 클릭하여 소스 셔터를 닫습니다.아래쪽 화살표를 사용하여 빔 전력을 0으로 천천히 줄입니다. 0으로 한 번, 고전압 다음에 소스를 클릭합니다. 챔버가 15분 동안 식힌 다음 통풍구를 클릭합니다.챔버 및 홀더에서 샘플을 제거합니다. 다음으로, 리프트 오프 프로세스를 위해 가져 가라. 먼저 아세톤의 50밀리리터에 3분간 담급드시면 됩니다.40 킬로헤르츠에서 1 분 동안 초음파 처리로 이 것을 따르십시오. 이소프로필 알코올로 샘플을 헹구고 질소 가스로 건조시다. 이 시점에서 샘플은 에칭할 준비가 되어 있습니다.에칭 시스템의 지그에 샘플을 부착하기 전에 열 접착제를 얻고 샘플 뒷면에 확산하십시오. 지그를 에칭 시스템에 로드합니다. 컴퓨터에서 염소 가스와 브로마이드 수소 가스 유량, 소스 전력 및 바이어스를 100초 동안 에칭하기 전에 설정합니다.에칭 후 샘플을 언로드합니다. 먼지가 없는 닦아서 열 접착제를 제거합니다. 2분 동안 크롬 에트챈트의 20 밀리리터에 샘플을 담그면 됩니다.그런 다음 1 분 동안 50 밀리리터의 탈온 된 물로 옮기습니다. 분해된 물로 샘플을 헹구고 질소 가스로 건조시라. 이것은 메타 표면의 상단의 주사 전자 현미경 이미지입니다.각 세포는 80 나노미터에 의해 150 나노미터인 염기입니다. 세포 높이는 300 나노미터입니다. 셀의 추가 세부 사항은 이 원근 뷰에서 볼 수 있습니다.532 나노미터 레이저 빔이 메타표면에서 발생했을 때 빔 전력을 측정하는 실험은 장치의 편광 독립적 기능을 보여줍니다. 오른쪽 원형 편광 빔, 선형 편광 빔 및 왼쪽 원형 편광 빔의 경우 플러스 및 마이너스 하나의 회절 순서의 전력이 동일합니다. 635 나노미터 레이저 빔을 가진 실험은 유사한 결과를 산출합니다.개발 방법은 느린 반응 속도로 인해 개발 과정을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 가장 중요한 단계입니다. 대부분의 고장은 건조 단계에서 발생합니다. 하나는 강한 불고 일반적으로 약한 불기보다 낫다는 것을 명심해야한다.이 절차는 일반 유전체 메타 표면뿐만 아니라 실리콘 광장 및 마이크로 전자 기계 시스템에도 적용 할 수 있습니다. 일반적으로 이 기술로 섬세한 나노 구조를 만들 수 있으므로 빛이 일부 파장 구조와 상호 작용하는 방식을 해결할 수 있는 길을 열어줍니다. PMMA 및 개발 솔루션 증기는 모두 위험하므로 관련 프로세스가 연기 후드에서 수행되어야 합니다.

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연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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유전체 메타표면에 의한 동등한 강도 빔 생성 시연

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