Methodenartikel

Demonstratie van Spin-Multiplexed en Direction-Multiplexed All-Diëlektrische Zichtbare Metahologrammen

DOI:

10.3791/61334

⸱

25 september 2020

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

In dit artikel

Samenvatting

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

We presenteren een protocol voor de fabricage van spin- en richting-multiplexed zichtbare metahologrammen, en voeren vervolgens een optisch experiment uit om hun functie te verifiëren. Deze metahologrammen kunnen eenvoudig gecodeerde informatie visualiseren, zodat ze kunnen worden gebruikt voor projectieve volumetrische weergave en informatieversleuteling.

Samenvatting

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

De optische holografie techniek gerealiseerd door metasurfaces is naar voren gekomen als een nieuwe benadering van projectieve volumetrische display en informatie encryptie display in de vorm van ultradunne en bijna platte optische apparaten. Vergeleken met de conventionele holografische techniek met ruimtelijke lichtmodulatoren, heeft het metahologram tal van voordelen, zoals miniaturisatie van optische setup, hogere beeldresolutie en groter zichtbaarheidsveld voor holografische beelden. Hier wordt een protocol gerapporteerd voor de fabricage en optische karakterisering van optische metahologrammen die gevoelig zijn voor de spin en richting van incidentlicht. De metasurfaces bestaan uit gehydrogeneerd amorf silicium (a-Si:H), dat een grote brekingsindex en een kleine uitstervingscoëfficiënt heeft in het gehele zichtbare bereik, wat resulteert in een hoge overdracht en diffractie-efficiëntie. Het apparaat produceert verschillende holografische beelden wanneer de spin of richting van het invallende licht wordt geschakeld. Daarom kunnen ze meerdere soorten visuele informatie tegelijkertijd coderen. Het fabricageprotocol bestaat uit filmdepositie, elektronenbundel schrijven en daaropvolgende etsen. Het gefabriceerde apparaat kan worden gekarakteriseerd met behulp van een aangepaste optische setup die bestaat uit een laser, een lineaire polarisator, een kwart waveplate, een lens en een lading-gekoppeld apparaat (CCD).

Inleiding

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

Optische metasuroppervlakken bestaande uit subgolflengte nanostructuren hebben vele interessante optische verschijnselen mogelijk gemaakt, waaronder optische cloaking1, negatieve breking2, perfecte lichtabsorptie3, kleurfiltering4, holografische beeldprojectie5en straalmanipulatie6,7,8. Optische metasurfaces die op de juiste manier ontworpen strooiers hebben, kunnen het spectrum, het golffront en de polarisatie van licht moduleren. Vroege optische metasurfaces werden voornamelijk vervaardigd met behulp van edele metalen (bijvoorbeeld Au, Ag) vanwege hun hoge reflectiviteit en gemak van nanovecatie, maar ze hebben hoge Ohmic verliezen, zodat de metasoppervlakken hebben een lage efficiëntie op korte zichtbare golflengten.

De ontwikkeling van nanofabricagetechnieken voor diëlektrische materialen met lage verliezen bij zichtbaar licht (bijvoorbeeld TiO29, GaN10en a-Si:H11)heeft de realisatie van zeer efficiënte platte optische apparaten met optische metasoppervlakken mogelijk gemaakt. Deze apparaten hebben toepassingen in optica en engineering. Een intrigerende toepassing is optische holografie voor projectieve volumetric display en informatie encryptie. Vergeleken met conventionele hologrammen die gebruik maken van ruimtelijke lichtmodulatoren, heeft het metahologram tal van voordelen, zoals miniaturisatie van optische setup, hogere resolutie van holografische beelden en groter gezichtsveld.

Onlangs is het coderen van meerdere holografische informatie in een enkellaags metahologramapparaat bereikt. Voorbeelden hiervan zijn metahologrammen die zijn multiplexed in spin12,13, orbitale hoekmomentum14, incidentlichthoek15en richting16. Deze inspanningen hebben de kritieke tekortkoming van metahologrammen overwonnen, wat een gebrek aan ontwerpvrijheid in één apparaat is. De meeste conventionele metahologrammen kunnen slechts enkele gecodeerde holografische afbeeldingen produceren, maar een multiplexed apparaat kan meerdere holografische afbeeldingen in realtime coderen. Vandaar dat het multiplexed metahologram een cruciaal oplossingsplatform is voor echte holografische videoweergave of multifunctionele anticounterfeiting hologrammen.

Hier gemeld zijn protocollen te fabriceren spin- en richting-multiplexed all-diëlektrische zichtbare metahologrammen, dan optisch te karakteriseren ze13,16. Om meerdere visuele informatie in één metasurface-apparaat te coderen, zijn metahologrammen ontworpen die twee verschillende holografische beelden weergeven wanneer de spin of richting van incidenteel licht wordt gewijzigd. Om zeer efficiënte holografische beelden te fabriceren op een manier die vergelijkbaar is met CMOS-technologie, wordt a-Si:H gebruikt voor de metasurfaces en worden dubbele magnetische resonanties en antiferromagnetische resonanties die erin worden geïnduceerd, benut. Het fabricageprotocol bestaat uit filmdepositie, elektronenbundelschrijven en etsen. Het gefabriceerde apparaat wordt gekenmerkt door een aangepaste optische setup bestaande uit een laser, een lineaire polarisator, een kwart waveplate, een lens en een lading-gekoppeld apparaat (CCD).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Fabricage van het apparaat

OPMERKING: Figuur 1 toont het fabricageproces van a-Si:H metasurfaces17.

  1. Bereid een gesmolten silica wafer stuk (grootte = 2 cm x 2 cm, dikte = 500 μm) als substraat. Spoel het substraat met aceton en isopropylalcohol (IPA) en blaas stikstofgas over het substraat om het te drogen.
  2. Deponeren van een 380 nm dikke a-Si:H film op het substraat met behulp van plasma-verbeterde chemische dampdepositie (PECVD) met de volgende instellingen: kamertemperatuur = 300 °C; radiofrequentievermogen = 800 W; gasstroom = 10 sccm voor SiH4 en 75 sccm voor H2; procesdruk = 25 mTorr; tijd = 30 s.
  3. Spin-coat een e-beam lithografie fotoresist. Drop polymethyl methacrylaat (PMMA) A2 op het substraat en spin-coat met een rotatiesnelheid van 2.000 tpm gedurende 1 min.
  4. Bak het met weerstand bedekte substraat 5 min op een kookplaat op 180 °C.
  5. Spin-coat een geleidende polymeerlaag om ladingsaccumulatie tijdens het e-beam schrijfproces te voorkomen. Laat het geleidende polymeer (bijvoorbeeld Espacer) op het substraat en spinlaag vallen met een rotatiesnelheid van 2.000 tpm gedurende 1 min.
  6. Run e-beam lithografie met een acceleratiespanning van 80 kV en een stroom van 50 pA.
  7. Dompel het monster 2 min onder in gedeïsized (DI) water om de geleidende polymeerlaag te verwijderen. Dompel het monster onder in 1:3 methyleentonenobutylketon (MIBK):IPA-oplossing omgeven door een ijsbeker gedurende 12 minuten om het blootgestelde patroon te ontwikkelen. Spoel het monster vervolgens af met IPA voor 30 s.
  8. Deponeren een 30 nm dikke chroom (Cr) film met behulp van een e-beam verdamper.
  9. Dompel het monster onder in aceton om de niet-belichte fotoresistenlaag te verwijderen en breng het Cr-patroon over op het substraat. Sonicate voor 1 min op 40 kHz, dan spoelen met IPA voor 30 s.
  10. Eth de onbedekte a-Si: H laag om de Cr patroon over te dragen in de a-Si:H laag met behulp van een droge etser met een bronkracht van 500 W, bias van 100 V, gasstroom tarieven van 80 sccm voor Cl2 en 120 sccm voor HBr.
  11. Dompel het monster onder in een Cr etchant-oplossing om het Cr-etsmasker te verwijderen. Spoel het monster vervolgens achtereenvolgens af met aceton, IPA- en DI-water voor respectievelijk 30 s.

2. Scanning elektronenmicroscoop karakterisering

  1. Spin-coat een geleidende polymeerlaag om ladingsaccumulatie tijdens het elektronenbundelscanproces te voorkomen. Laat het geleidende polymeer op het substraat en spinlaag vallen bij een rotatiesnelheid van 2.000 tpm gedurende 1 min.
  2. Bevestig het substraat op de monsterhouder met behulp van koolstoftape. Ontlucht de laadslotkamer door op de AIR-knop te drukken.
  3. Leg de houder op de houdstang van de laadruimte. Evacueer de laadslotkamer door op de EVAC-knop te drukken.
  4. Stel de podiumhoogte en kantelhoek in door de Z-sensor op 8 mm te zetten en de T-sensor op 0°.
  5. Open de deur van de laadslotkamer door op de KNOP OPENEN te drukken. Druk op de houdstas om de houder over te brengen naar de hoofdelektronenmicroscoop (SEM) kamer. Trek de stang eruit en druk op de CLOSE-knop.
  6. Controleer de vacuümtoestand voordat u het elektronenkanon aanschakelt. Voer de knipperfunctie uit door op de knipperknop te drukken om koolstof of stof in het elektronenkanon met een onmiddellijke hoogspanning te verwijderen.
  7. Zet het elektronenpistool aan met een versnellingsspanning van 5 kV door op de AAN-knop in de SEM-software te klikken.
  8. Pas de bundeluitlijning aan om de elektronenbundel in de middelste positie nauwkeurig te lokaliseren door op het beam alignment-paneel in de software te klikken. Zoek met behulp van een podiumcontroller de straal in het midden.
  9. Pas de diafragmauitlijning en stigmauitlijning aan om een cirkelvormige elektronenbundel te maken door op het diafragmauitlijningspaneel in de software te klikken. Met behulp van een stigma controller, maak een stabiele balk te scannen op dezelfde plek.
  10. Leg SEM-beelden vast met een passende focus en stigmator aanpassing.
  11. Schakel de elektronenbundel uit door op de UIT-knop in de software te klikken. Klik op de startknop om het werkgebied terug te brengen naar de oorspronkelijke positie.
  12. Open de deur van de hoofdkamer en duw de stang om de monsterhouder op te halen. Ontlucht de laadslotkamer door op de AIR-knop te drukken en ontlaad de houder.
  13. Spoel het monster af met DI-water om de geleidende polymeerlaag te verwijderen.

3. Optische karakterisering van het spin-multiplexed metahologram

  1. Bereid optische componenten voor die zijn vermeld in de tabel met materialen.
  2. Bevestig de diode lasermodule op een adapter die kan worden aangesloten op een 1 inch optische mount. Pas de hoogte van de diodelaser aan met behulp van een paal en een posthouder en bevestig de positie met behulp van een klem.
    LET OP: Elk optisch onderdeel moet worden gemonteerd met behulp van een paal en een posthouder, vervolgens in positie bevestigd met behulp van een klem.
  3. Monteer de halfgolfplaat met behulp van een 1 inch draaibeugel en plaats de plaat vervolgens voor de lasermodule om het lineair gepolariseerde licht te draaien.
  4. Bereid twee spiegels door ze te monteren op 1 inch kinematische mounts en een uitlijningsschijf om de richting van de initiële bundel uit te lijnen.
    1. Plaats de uitlijnschijf voor de laser en stel de hoogte in. Plaats de twee spiegels zo dat de balk twee keer buigt op 90° elk om afwisselend richtingen.
    2. Plaats de uitlijningsschijf in de buurt van de tweede spiegel en pas de hoek van de eerste spiegel aan door knoppen te draaien om het licht in het midden uit te lijnen.
    3. Plaats de uitlijningsschijf ver van de tweede spiegel en pas de hoek van de tweede spiegel aan door knoppen te draaien om het licht in het midden uit te lijnen.
    4. Herhaal stap 3.4.2 en 3.4.3 totdat het licht op beide plaatsen door het midden van een uitlijningsschijf gaat.
  5. Plaats een neutraal dichtheidsfilter achter de spiegel om de intensiteit van het licht te regelen. Plaats een iris achter het neutrale dichtheidsfilter om de diameter van het invallende licht te regelen.
  6. Om een circulair gepolariseerd licht te maken, plaats een lineaire polarisator en een kwartgolfplaat in volgorde achter de iris. Monteer elk onderdeel op zijn eigen rotatiemount.
  7. Bevestig het gefabriceerde metasoppervlak aan een plaat met een gat en monteer de plaat op de XY-vertaalhouderij voor rechthoekige optiek. Pas de XY-vertaalmount zo aan dat het licht naar het patroon in het voorbeeld wordt geleid.
  8. Plaats een lens na het metasoppervlak. Pas de positie van de lens aan die op de brandpuntsafstand moet worden geplaatst. Plaats een CCD achter de lens om een hologramafbeelding vast te leggen.

4. Optische karakterisering van het direction-multiplexed metahologram

  1. Bereid twee bundel splitters, twee spiegels, lens en CCD.
    OPMERKING: Deze setup kan worden opgebouwd uit de spin-multiplexed metahologram setup door het toevoegen van extra componenten.
  2. Plaats een balk splitter tussen de kwart-golf plaat en de XY vertaling mount om de balk te splitsen in twee richtingen. Plaats een andere bundel splitter tussen de XY vertaling mount en de lens.
    OPMERKING: Eén balkpad is hetzelfde als de vorige metahologram-instelling met een spin-multiplexed. Hier wordt een andere gesplitste balk uitgelijnd om een monster in de tegenovergestelde richting van de vorige setup te verlichten.
  3. Plaats twee spiegels zodat de bundel twee maal buigt op 90° elk om afwisselende richtingen te vormen en de bundel aan te passen die in de tweede bundelspl splitter moet worden geleid. Lijn het licht fijn uit, zodat de straal het monster correct in de tegenovergestelde richting bestraalt.
  4. Plaats een andere lens op 90° rechts van de eerste bundel splitter en plaats een CCD om een hologram beeld vast te leggen vanuit de tegenovergestelde richting.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

De a-Si:H metasurfaces maken een hoge cross-polarisatie-efficiëntie mogelijk en kunnen worden vervaardigd met behulp van een methode(figuur 1) die compatibel is met CMOS; deze eigenschap kan schaalbare fabricage en near-future commercialisering mogelijk maken. De SEM-afbeelding toont de gefabriceerde a-Si:H metasurfaces (figuur 2). Bovendien heeft a-Si:H een grotere brekingsindex dan TiO2 en GaN, dus zelfs met een nanostructuur met een lage beeldverho...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De a-Si:H metasurfaces werden vervaardigd in drie grote stappen: a-Si: H dunne film afzetting met behulp van PECVD, precieze EBL, en droge etsen. Onder deze stappen is het EBL-schrijfproces het belangrijkste. Ten eerste is de patroondichtheid op metasoppervlakken vrij hoog, dus het proces vereist nauwkeurige controle over de elektronendosis (energie) en scanparameters zoals het aantal stippen per eenheidsgebied. De ontwikkelingsvoorwaarde moet ook zorgvuldig worden gekozen. De dichtheid van het patroon is zeer hoog, dus ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd financieel ondersteund door de National Research Foundation (NRF) subsidies (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) gefinancierd door het ministerie van Wetenschap en ICT van de Koreaanse overheid. I.K. erkent de NRF Global Ph.D. fellowship (NRF-2016H1A2A1906519) gefinancierd door het ministerie van Onderwijs van de Koreaanse overheid.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AcetonJ.T. Baker925402
Beam splitterThorlabsCCM1-BS013/M
Chromium etchantKMGCr-7
Chromium evaporation sourceKurt J. LeskerEVMCR35D
ClampThorlabsCP175
Conducting polymerShowa denkoE-spacer
Diode laserThorlabsCPS635
E-beam evaporation systemKorea Vacuum TechKVE-E4000
E-beam resistMicrochem495 PMMA A2
Electron beam lithographyElionixELS-7800
Half-wave plateThorlabsAHWP05M-600
Inductively-coupled plasma reactive ion etchingDMS-
IrisThorlabsSM1D12
Isopropyl alcoholJ.T. Baker909502
Kinematic mirror mountThorlabsKM100/M
LensThorlabsLB1630
Lens MountThorlabsLMR2/M
Linear polarizerThorlabsGTH5-A
MirrorThorlabsPF10-03-G01
Neutral density filterThorlabsNDC-50C-4
Plasma enhanced chemical vapor depositionBMR TechnologyHiDep-SC
PostThorlabsTR75/M
Post holderThorlabsPH75E/M
Quarter-wave plateThorlabsAQWP10M-580
Resist developerMicrochemMIBK:IPA=1:3
Rotational mountThorlabsRSP1/M
Scanning electron microscopyHitachiRegulus8100
XY translation mountThorlabsXYF1/M
1-inch adapterThorlabsAD11F
1-inch lens mountThorlabsCP02/M

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

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

Gerelateerde artikelen