Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

הפגנה של יצירת קרן שוות-עוצמה על-ידי מטאספנים דיאלקטרי

Published: June 7, 2019 doi: 10.3791/59066
Automatic Translation
1, 1, 1,2,3
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 3National Institute of Nanomaterials Technology (NINT)

Summary

פרוטוקול עבור הייצור והאפיון האופטי של פנים מטאסורמטטים מדידות מוצג. שיטה זו ניתן להחיל על הייצור של לא רק מפצלי הקורה, אלא גם של מטאסאורפנים כללי, כגון עדשות, הולוגרמות, וגלימות אופטיות.

Abstract

פרוטוקול הייצור והאפיון של מפצל קרן הפנים המאפשר שוויון בעוצמה שווה, מוצג. סיליקון אמורפי הידרונטי (a-Si: H) מופקד על מצע סיליקה התמזגו, באמצעות התצהיר של אדי כימית משופרת פלזמה (פקאנטי). סיליקון אופייני ואמורפיים הופקד על ידי אידוי גורם לאובדן אופטי חמור, מקשה על הפעולה בתדרים גלויים. אטומי מימן בתוך הסרט סיליקון האמורפיות יכול להפחית את פגמים מבניים, שיפור הפסד אופטי. ננו מבנים של כמה מאות ננומטרים נדרשים להפעלת מטאסורפנים בתדרים הגלויים. ליתוגרפיה קונבנציונאלי או כתיבת לייזר ישירה אינה אפשרית בעת בדיית מבנים קטנים כאלה, עקב מגבלת העקיפה. מכאן, ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים (EBL) מנוצל כדי להגדיר כרום (Cr) מסכה על הסרט הדק. במהלך תהליך זה, ההתנגדות החשופה מפותחת בטמפרטורה קרה כדי להאט את התגובה הכימית ולהפוך את הדפוסים לחדים יותר. לבסוף, a-Si: H נחרט לאורך המסכה, תוך שימוש בשילוב השראה של איכול פלזמה-הראקטיבית (הקאמרי-RIE). השיטה הפגינו אינה אפשרית לייצור בקנה מידה גדול בשל התפוקה הנמוכה של EBL, אבל זה יכול להיות שיפור על ידי שילוב זה עם ליתוגרפיה nanoimprint טבעה. המכשיר מפוברק מאופיין על ידי התקנה אופטית מותאמת אישית המורכבת של לייזר, מקטצר, עדשה, מד כוח, ו-מצמידים המכשיר (CCD). על ידי שינוי אורך הגל והקיטוב של לייזר, מאפייני העקיפה נמדדים. כוחות הקרן הנמדדים שווים תמיד, ללא קשר לתקרית הקיטוב, כמו גם לאורך הגל.

Introduction

מטאסורפנים המורכב ממערכים בעלי שני מימדים של אנטנת משנה הפגינו מספר רב של פונקציות אופטיות מבטיחות, כגון עדשות אכרומטי1,2, הולוגרמות3,4,5 ,6, וגלימות אופטיות7. רכיבים אופטיים מגושם קונבנציונלי ניתן להחליף עם פרצופים מטאסליים באולטרסאונד תוך שמירה על הפונקציות המקוריות. לדוגמה, מפצל קרן הוא מכשיר אופטי המשמש להפרדת קרן אירוע לשתי קורות. מפצלי הקרן האופייני מורכב משילוב של שתי מנסרות משולשים. מאחר שמאפייני הממשק שלהם קובעים את מאפייני הקרן, קשה להקטין את הגודל הפיזי ללא השפלה פונקציונלית. מצד שני, ניתן להבין מפצלי קרן דק במיוחד עם פנים מטאסורדיות עם מעבר חד-מימדי לינארי מדרגה8,9. העובי של פאות מתכת הוא פחות מאורכי גל העבודה שלהם, ומאפייני הפרדה יכולים להיות נשלטים על ידי התפלגות הפאזה.

עיצבנו מפצל קרן מטאסארפנים שיכול ליצור קורות שוות עוצמה ללא קשר למקרה של האירוע הפולריזציה10. מאפיין זה מגיע מהולוגרמה פורייה. בשל הדימוי של שני כתמים לבנים על רקע שחור, הולוגרמה שנוצרה מפני הmetasurface זהה לתמונה המקודד. להולוגרמה פורייה אין אורך מוקד ספציפי, כך שניתן לצפות בדימוי המקודד במרחב כולו שמאחורי הפנים המטורבית11. אם אותה תמונה של שתי הדקות נוצרת מאחורי הפאה, היא פועלת גם כמפצל אלומות. ההולוגרמה פורייה על ידי מטאסורהפנים יוצרת דימוי הפוך, המכונה דמות תאומה, ביחס למדינות הפולריזציה האורתוגונאליות. התמונה התאומה נחשבת בדרך כלל לרעש. עם זאת, התמונה שתי הנקודה מקודד בפנים metasurface זה הוא מקור סימטרי, וכתוצאה מכך חפיפה מושלמת של תמונות המקורי והתאום. כיוון שכל מדינות פולריזציה יכולות להיות מיוצגות על-ידי שילוב ליניארי של הקיטוב הימני (RCP) והשמאל (LCP) מעגלי, המכשיר המתואר כאן מציג את הפונקציונליות העצמאית לפולריזציה.

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הייצור והאפיון האופטי של הפנים הדיאלקטרי מדידות המאפשרות דור שווה בעוצמה הקורה. התפלגות שלב של התקן זה מאוחזרים מאלגוריתם Gerchberg-סקטון (GS), אשר משמש בדרך כלל הולוגרמות פאזה בלבד12. a-Si: H של 300 ננומטר עבה מופקד על מצע סיליקה התמזגו, באמצעות הפקמין. מסיכת Cr מוגדרת בסרט a-Si: H באמצעות EBL. תבנית המסיכה מקבילה להתפלגות הפאזה הנגזרת מאלגוריתם GS. הרשת הקאמרי-RIE מנוצלת כדי לחרוט את הסרט a-Si: H לאורך מסכת Cr. שאר מסכת Cr מוסרת על-ידי השלמת בדיקת הדגימה. הפונקציונליות האופטית של הפאה metasurface מציא מאופיין באמצעות התקנה אופטית מותאמת אישית. כאשר קרן לייזר מהווה מקרה לפני הטאסוראל, הקרן המועברת מופרדת לשלושה חלקים, כלומר שתי קורות שפעלה וקרן אחת הסדר. קרני האור מסטות משלוחה של משעול הקורה בזמן שקורה השיגור האחר. כדי לאמת את הפונקציונליות של התקן זה, אנו מדדו את כוח הקרן, פרופיל קרן, ואת זווית הפצת באמצעות מד כוח, CCD, ו protractor, בהתאמה.

כל תהליכי הייצור והחומרים המשמשים לשימוש ממוטבים לפונקציונליות היעד. עבור תדרי עבודה גלויים, גדלי האנטנה הבודדים אמורים להיות כמה מאות ננו-מטרים, והחומר עצמו צריך להיות בעל אובדן אופטי נמוך באורכי גל גלויים. רק מספר סוגים של שיטות הייצור מתאימים בעת הגדרת מבנים קטנים כאלה. ליתוגרפיה טיפוסית, כמו גם כתיבת לייזר ישירה, אינם מסוגלים הייצור עקב מגבלת עקיפה. הטחינה ממוקדת קרן יון ניתן להשתמש, אבל יש בעיות קריטיות של זיהום גליום, התלות עיצוב דפוס, ואת מהירות התהליך איטי. למעשה, EBL היא הדרך היחידה להקל על הייצור של מטאסורפנים לעבוד בתדרים גלויים13.

דיאלקטרוניקה הם בדרך כלל העדיפו בשל אובדן בלתי נמנע של מתכות. ההפסד האופטי של a-Si: H מספיק נמוך למטרה שלנו. למרות אובדן אופטי של א-סי: H הוא לא נמוך כמו דיאלקטרים הרזיה נמוכה כגון טיטניום דו חמצני1,4 ו סיליקון גבישי14, הייצור של a-Si: H הוא הרבה יותר פשוט. התאיידות אופיינית ותהליכי התזה אינם מסוגלים לבצע הפקדת הסרט a-Si: H. בדרך כלל נדרש פקמין. במהלך תהליך הפקבי, כמה אטומי מימן מ-SiH4 ו-2 גזים לכודים בין אטומי הסיליקון, והתוצאה היא סרט a-Si: H. קיימות שתי דרכים להגדרת תבניות a-Si: H. אחד מהם הוא התצהיר של א-סי: H על photoresist בדוגמת מילוי, ואחריו תהליך ההמראה, והשני הוא על ידי הגדרת מסיכת תחריט על הסרט a-Si: H ולאחריה תהליך החריטה. הראשון הוא מתאים היטב לתהליך אידוי, אבל זה לא קל להפקיד a-Si: הסרט H באמצעות התאיידות. מכאן, האחרונה היא הדרך המיטבית לעשות א-סי: דפוסי. Cr משמשת כחומר מסכת החריטה בגלל מסלקטיביות הגבוהה עם הסיליקון.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הייצור של הפנים מתכת מדידות

  1. ניקוי מקדים של מצע סיליקה מותך
    1. הכן מלוטש המצע סיליקה-צד (אורך: 2 ס"מ; רוחב: 2 ס"מ; עובי: 500 μm).
    2. לטבול את המצע סיליקה התמזגו 50 mL של אצטון ולנהל את תהליך sonication עבור 5 דקות ב 40 kHz.
    3. לטבול את המצע ב 50 mL של 2-propanol (IPA) ולנהל את תהליך sonication עבור 5 דקות ב 40 kHz.
    4. לשטוף את המצע עם IPA ולפוצץ חנקן (N2) גז לייבש את המצע לפני אידוי של IPA.
  2. הפקדת א-סי: H על-ידי הפקאה
    1. אתר את מצעים מוכנים על זיג בתוך חדר נעילת המטען של מערכת הפקמין.
    2. על התוכנה, הגדר את טמפרטורת החדר ל-300 ° c והגדר את העוצמה בתדר הרדיו ל-800 W.
    3. הגדר את שיעור הזרימה4 הגז של ה-sih ל -10 sccm וקצב זרימת הגז H2 ל-75 sccm.
    4. הגדר את לחץ התהליך ל -25 mTorr. לחץ על לחצן התחל כדי להתחיל את תהליך התצהיר, אשר לוקח ~ 300 s.
  3. היווצרות מסיכת התחריט של Cr
    1. טען את המדגם שהושג משלב 1.2.4 על מחזיק המדגם של מתקן הספין. שחרור פולי (מתיל מתיונין) (PMMA) A2 על המדגם באמצעות מזרק מסנן 5 mL ולהתחיל את תהליך הציפוי עם מהירות סיבוב של 2,000 סל ד עבור 1 דקות.
      הערה: PMMA שוחרר צריך לכסות את המצע כולו; אחרת, הסרט מצופה הספין לא יהיה אחיד.
    2. העבר את המדגם ממחזיק המדגם לצלחת חמה, ואופים את המדגם עם צלחת חמה ב 180 ° c עבור 5 דקות. ואז, לצנן את המדגם בטמפרטורת החדר עבור 1 דקות.
    3. טען את המדגם על מחזיק המדגם של מתקן הספין. שחרור E-spacer על המדגם, באמצעות פיפטה 1 mL, ולהתחיל את תהליך הציפוי עם מהירות סיבוב של 2,000 סל ד עבור 1 דקות.
      הערה: E-spacer שוחרר צריך לכסות את המצע כולו; אחרת, הסרט מצופה הספין לא יהיה אחיד.
    4. לטעון ולתקן את המדגם על זיג עבור EBL. לשים את זיג לתוך החדר EBL ולאחר מכן, לטעון אותו לתוך החדר הראשי.
    5. במסוף EBL, לחץ על לחצן הבידוד ולאחר מכן, לחצן FC . הגדר את ההגדלה לערך המירבי שלו באמצעות כפתור ההגדלה.
    6. הפעל את לחצן בדיקת האפס. הפעל את הכפתור הנוכחי של הקרן כדי להגדיר את הערך הנוכחי של הקרן ל-50 pA. כבה את לחצן בדיקת האפס.
    7. לחץ על לחצן ההפניה כדי להזיז את השלב למיקום ההפניה. כבה את הלחצן הריק.
    8. הגדר את ערך ההגדלה ל-100,000 באמצעות כפתור ההגדלה. להתאים את המיקוד ואת ידיות stigmatism כדי לקבל את התמונה הברורה ביותר בתצוגה EBL. הפעל את הלחצן הריק.
    9. במחשב המחובר למסוף EBL, הפעל את מסוף לינוקס. העבר את המיקום הנוכחי לתיקיה עם קובץ ה-. gds, באמצעות הפקודה cd .
    10. הזן gds2cel כדי להמיר את קובץ ה-. gds לקובץ. cel והמתן עד לסיום פעולתו. הזן משימה להפעלת התוכנה הראשית.
    11. לחץ על תפריט שינוי גודל השבב . בחר 600 יקרומטר x 600 יקרומטר ו 240,000 נקודות. לחץ על שמור ולאחר מכן צא.
    12. לחץ על תפריט יצירת הנתונים של התבנית. הזן ps בחלון הפקודה כדי לטעון את תבנית הקובץ. cel שנוצרה משלב 1.3.10. הזן i בחלון הפקודה ולחץ על התבנית כדי להגדיל את תמונת התבנית.
    13. הזן sd בחלון הפקודה ו 3 כדי לקבוע את המינון זמן ל 3 μs. הזן את sp בחלון הפקודה ו -1, 1 כדי להגדיר את החשיפה למצב רגיל. הזן את pc בחלון הפקודה ואת שם הקובץ כדי ליצור קובץ. ccc. לחץ על מרכז התבנית.
    14. הזן cp בחלון הפקודה ולחץ על התבנית כדי להחיל את התנאים החושפים משלב 1.3.13. הזן sv בחלון הפקודה ובשם קובץ כדי ליצור קובץ. con הזן q בחלון הפקודה כדי לצאת מתפריט יצירת הנתונים של התבנית.
    15. לחץ על תפריט חשיפה . הזן i ואת שם הקובץ. con משלב 1.3.14. הזן e ולחץ על לחצן החשיפה כדי להתחיל את תהליך החשיפה.
      הערה: זמן החשיפה תלוי באזור התבנית ובצפיפות. תבניות metasurface כללי של 300 יקרומטר x 300 יקרומטר אזור לקחת ~ 3 h.
    16. כאשר תהליך החשיפה מסתיים, כבה את כפתור הבידוד. ללחוץ על כפתור EX כדי להזיז את הבמה.
    17. פרוק את הדגימה מהתא. לאחר שסיים את החשיפה לטבול את המדגם ב 50 mL של מים מוכי (DI) עבור 1 דקות כדי להסיר את הרווח E-spacer.
    18. הכינו 10 מ ל של מתיל איזובוטיל (MIBK): IPA = 1:3 פתרון בגביע מוקף קרח. לטבול את המדגם לתוך MIBK: IPA = 1:3 הפתרון עבור 12 דקות. ואז, לשטוף את הדגימה עם IPA ו לפוצץ N2 גז כדי לייבש את המדגם.
    19. לטעון ולתקן את המדגם על המחזיק של מאייד הקרן אלקטרון. הר את המחזיק בתוך החדר של המאייד.
    20. לטעון גרפיט-כור המצרף המכיל חתיכת סוג Cr בתוך תא אידוי.
    21. על התוכנה של מאייד קרן אלקטרון, לחץ על כפתור שאיבה קאמרית כדי ליצור ואקום על החלק הפנימי של התא, ולהקטין את הלחץ על 3 x 10-6 mTorr.
    22. בחרו כרום באזור החומרי ולחצו על הלחצן ' חומר ' כדי להחילו. לחץ על כפתור תריס E-קרן כדי לפתוח את התריס המקור. לחץ על המתח הגבוה ועל לחצן המקור, בסדר זה.
    23. לחץ על לחצן החץ כלפי מעלה כדי להגדיל את כוח קרן האלקטרונים באיטיות, וחזור על כך עד ששיעור התצהיר יגיע 0.15 ננומטר/s.
      הערה: לחיצה אחת לכל 5 s איטית מספיק.
    24. לחץ על לחצן אפס כדי לאפס את מד העובי. לחץ על כפתור התריס הראשי כדי לפתוח את התריס הראשי. כאשר מד עובי מגיע 30 ננומטר, לחץ על כפתור התריס הראשי כדי לסגור את התריס הראשי.
      הערה: ניתן לחשב בקלות את זמן התצהיר משיעור התצהיר. A 30 התצהיר ננומטר-עבה לוקח ~ 200 s, במצב המשמש כאן.
    25. לחץ על כפתור תריס E-קרן כדי לסגור את התריס המקור. לחץ על לחצן החץ הפונה כלפי מטה כדי להקטין את עוצמת קרן האלקטרונים באיטיות, וחזור על כך עד שהחשמל יגיע ל-0.
      הערה: לחיצה אחת לכל 5 s איטית מספיק.
    26. לחץ על המקור ולאחר מכן, לחצן מתח גבוה . לחכות 15 דקות כדי לקרר את החדר. לחץ על כפתור פתח האוורור כדי לפרוק את התא ולפרוק את המדגם מן המחזיק.
    27. לטבול את המדגם ב 50 מ ל של אצטון עבור 3 דקות. התנהלות תהליך sonication עבור 1 דקות ב 40 kHz. לשטוף את המדגם עם IPA ו לפוצץ N2 גז כדי לייבש את המדגם.
  4. תהליך התחריט של א-סי: H
    1. הפיצו דבק תרמי. לחלק האחורי של הדגימה לצרף את המדגם על זיג ולטעון את זיג במערכת התחריט.
    2. על התוכנה, להגדיר את כלור (Cl2) שיעור זרימת הגז כדי 80 sccm ואת מימן ברומיד (hbr) שיעור זרימת הגז ל 120 sccm. הגדר את כוח המקור ל 500 W ואת ההטיה כדי 100 V. לחץ על לחצן התחל כדי להתחיל את תהליך החריטה עבור 100 s.
    3. פרוק את הדגימה והוצא את הדבק. התרמי עם מגב חסין-אבק
    4. לטבול את המדגם 20 מ ל של Cr etchant עבור 2 דקות ו 50 mL של מים DI 1 דקות. לשטוף את המדגם עם מים DI ולפוצץ N2 גז כדי לייבש את המדגם.
  5. קבלת תמונת המיקרוסקופ אלקטרון התמונה של מטאסורפנים מפוברק
    1. טען את המדגם על מחזיק המדגם של מתקן הספין, לשחרר את E-spacer על המדגם באמצעות הפיפטה 1 mL, ולהתחיל את תהליך הציפוי עם מהירות סיבוב של 2,000 סל ד עבור 1 דקות.
    2. תקן את המדגם על מחזיק המדגם של מיקרוסקופ אלקטרון סריקה (SEM), באמצעות נייר דבק. שים את המחזיק בתא נעילת המטען של ה-SEM וליצור ואקום בחדר נעילת המטען.
    3. העבירו את המחזיק מתא המטען לחדר הראשי. תדליק את קרן האלקטרונים. עם מתח של 15 מע
    4. הזז את השלב למרחק עבודה של 1 ס מ. מצא את הפאה metasurface הזזת הבמה אופקית. כוונן את stigmatism ואת אורך המוקד עד שהתמונה תהיה ברורה.
    5. . לכוד את התמונות
    6. . כבה את קרן האלקטרונים . תזיז את הבמה לתנוחת החילוץ העבירו את המחזיק מהתא הראשי לחדר נעילת המטען.
    7. פרוק את תא המטען. ופרוק את הדגימה
    8. לטבול את המדגם לתוך 50 mL של מים DI 1 דקות כדי להסיר את הרווח E-spacer. לנשוף2 גז כדי לייבש את הדגימה.

2. אפיון אופטי של הפאה המטרונית

הערה: קרינה ישירה של לייזר עלולה לפגוע בעיניים. למנוע חשיפה ישירה עין וללבוש את המתאים משקפיים בטיחות לייזר.

  1. הר a 635 לייזר ננומטר לאורך הגל על הטבלה האופטית (איור 1a). הפעל את הלייזר והמתן 10 דקות כדי לייצב את כוח הקרן.
  2. כוונן את היישור האופקי והאנכי של הלייזר באמצעות מסך יישור הקרוב ורחוק מהלייזר.
  3. מניחים מסנן דחיסות נייטרלית מול הלייזר. הר את העדשה הקמורה הראשונה מאחורי מסנן הדחיסות הנייטרלית. הניחו קשתית במישור המוקד האחורי של העדשה הקמורה כדי להסיר רעשים.
  4. הר העדשה קמורה השני עם כפול אורך המוקד מן העדשה קמורה הראשון. מניחים מקטזר לינארי מאחורי העדשה הקמורה השנייה. מניחים מקטזר מעוגל ימני מאחורי מקטזר ליניארי.
  5. הר העדשה הקמורה השלישית מאחורי הקיטוב המעגלי. הבהר את הפאה המפוברקת על המחזיק. אתר את הפאה המטורבית במישור המוקד האחורי של העדשה הקמורה.
    הערה: קרן הלייזר צריכה להיות מקרה ממצע לאזור התבנית.
  6. מניחים מסך עבה של נייר לבן, בעל קוטר של 1 ס מ במרכז, מאחורי הפאה המטורבית. טעינת מטען על הטבלה האופטית מיישר את המקור עם הפאה metasurface.
  7. מדוד את כוחה של שלושת הקורות הפולטים, שהם שלושה כתמים בהירים על המסך, תוך שימוש במד כוח.
    הערה: אם כוח קרן הלייזר אינו מתוחזק באופן קבוע, חשב את עוצמת הקרן הממוצעת על פני תקופה של זמן.
  8. החליפו את הקטצר העגול הימני עם מקטזר עגול שמאלי. מדדו את שלושת כוחות הקורה התפוצצים באמצעות מד הכוח.
  9. הסר את הקטצר מעגלי מעוגל שמאלי. מדידת שלוש כוחות קרן, באמצעות מד הכוח.
  10. הנמך את כוח קרן הלייזר, באמצעות מסנן הדחיסות הנייטרלית כדי לאפשר מדידת CCD. הניחו את הקטצר העגול הימני. לכוד את שלושת פרופילי הקרן שפעלו באמצעות CCD.
    הערה: חשמל חלש קרן לייזר הוא המועדף, כדי למנוע נזק CCD. הכוח קרן של 300 μW שימש בעבודה זו.
  11. החליפו את הקטצר העגול הימני עם הקטצר העגול השמאלי. לכוד את שלושת פרופילי הקרן שפעלו באמצעות CCD.
  12. הסר את הקטצר מעגלי מעוגל שמאלי. לכוד את שלושת פרופילי הקרן שפעלו באמצעות CCD.
  13. החלף את לייזר 635 ננומטר לאורך הגל עם לייזר באורך של 532 ננומטר.
  14. חזור על שלבים 2.2 עד 2.12.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תוצאות המדידה מציגות את הפונקציונליות העצמאית לפולריזציה של ההתקן המוצג כאן (איור 1). מדוד סמכויות הקרן של הזמנות עקיפה של m = ± 1 שווים ללא קשר למצב הקיטוב האירוע (כלומר, RCP, LCP, ופולריזציה לינארית). מכיוון שכל מצבי קיטוב שרירותי יכולים להיות מפורקת על-ידי השילוב הליניארי של RCP ו-LCP, הפונקציונליות של המכשיר יכולה להישמר, ללא קשר למדינות הפולריזציה. זוויות עקיפה הן 24 ° ו 28.5 ° עבור אורכי הגל של 532 nm ו 635 nm, בהתאמה, ואת הזוויות ניתן לשלוט על ידי שינוי הולוגרמה מקודד.

יעילות עקיפה מוגדרת על-ידי היחס של כוחות הקרן התפוצטיים (m = ± 1) לכוח קרן האירוע. המכשיר המוצג כאן מורכב nanorods בגודל זהה עם הכיוונים שונים מבוסס על הפעולה הגיאומטרי-הסופי כתוצאה פס רחב (איור 2). תיאורטית, היעילות אמורה להיות. גבוהה מ -20% לשני אורכי הגל עם זאת, היעילות עקיפה נמדד הם 18.3% ב λ = 532 nm ו 9.1% ב λ = 635 nm. הפער מגיע בעיקר מגודל הקרן להיות גדול יותר מאשר הפנים מטאסוראל עצמו. הפרופילים הנמדדים של קרן הסדר הקטנה מראים בבירור שגודל קרן האירוע גדול יותר מפני המטה-מחלקה (כלומר, החלק העודף של קרן האירוע מגיע ישירות למד הכוח מבלי לקיים אינטראקציה עם הפאה המגנטית, הפחתת העקיפה יעילות) (איור 3).

Figure 1
איור 1: הפצת מדידת כוח הקרן. (א) הכיוונון האופטי של התאורה לייזר. שני הפאנלים הבאים מראים את הכוח הנמדד של קרן האור (ב) ב λ = 532 ננומטר ו (ג) ב 635 nm. כיוון שכוח קרן הלייזר לא היה עקבי, כוחות הקרן הנמדדים מחושבים באמצעות זמן-ממוצע ערכים מוקלטים. קווי השגיאה באיור מייצגים את הערכים המרביים והמינימליים בזמן ההקלטה. איור זה השתנה מיון ואח '. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: התמונות SEM של הפנים metasurface פוברק. (א) מבט מלמעלה על הפנים. יבוץ גאומטריה של תא היחידה: אורך (L) = 150 nm, רוחב (W) = 80 nm, גובה (H) = 300 nm, ו המגרש (P) = 240 nm. (ב) מבט בפרספקטיבה על הפאה המטורתית. איור זה השתנה מיון ואח '. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: פרופילי קרן שנתפסו על ידי CCD נלקח 14 ס"מ מאחורי metasurface. קטרים הקרן יכול להיות מוערך ב ~ 3 מ"מ ב λ = 532 nm ו ~ 5 מ"מ ב λ = 635 nm. זוויות השיגור המתאימות הן כ-2.5 ° ו-4.1 °, בהתאמה. פרופילי קרן שנתפסו יש ספאקלס לייזר, אבל הם יכולים להיות מוסרים על ידי מפזרים1 או dammann פומפיה3,15. איור זה השתנה מיון ואח '. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

כמה צעדי הייצור צריך להתבצע בזהירות, כדי ליצור מטאסורפנים שהוא זהה לעיצוב המקורי. בתהליך הפיתוח להתנגד, פתרון בטמפרטורות נמוכות מועדף בדרך כלל. התנאי הסטנדרטי הוא טמפרטורת החדר, אך ניתן להאט את מהירות התגובה על-ידי הפחתת טמפרטורת הפתרון ל-0 ° c. למרות שזמן התגובה המקביל הופך לארוך יותר, ניתן להשיג תבנית עדינה יותר מאשר בתנאים סטנדרטיים. שליטה בזמן התגובה היא קלה גם בשל מהירות תגובה נמוכה. צעד קריטי נוסף לדפוס עדין הוא ייבוש IPA לאחר התפתחות ההתנגדות. הדלק N2 נע ומתאדה את שאר הIPA על המדגם. כמות מסוימת של IPA אינה זזה, יצירת איים מבוזרים באופן אקראי. אם איי IPA נוצרו ולאחר מכן התאדו, המדגם יהיה פגום. לכן, כדי למזער את היווצרות האי IPA, נשיפה חזקה היא טובה יותר מאשר לנשוף חלש, אלא אם המצע הוא נשבר על ידי זרימת האוויר החזק. כוח מתאים של הsonication הוא מועיל לקלף בבהירות את הסרט הדק. לאחר שלב ההמראה, ניתן לבדוק אם הסרט הדק בבירור מתקלף או לא באמצעות מיקרוסקופ אופטי קונבנציונאלי. למרבה המזל, אם כל סרט Cr דק נשאר על האזור בתבנית, ניתן להסיר את השאריות על ידי תהליך sonication נוסף. זהו יתרון ניכר של מסכת Cr, משום שמסכות העשויות מחומרים אחרים, כגון זהב, קשות מאוד להסרה לאחר ששאריות מתייבש.

EBL היא שיטה יעילה כדי לייצר מבנים ננו-סקאלה, אבל שיטה זו סובלת תפוקה נמוכה, מכשיר בקנה מידה גדול ייצור. דרך אחת לשפר את הפרודוקטיביות היא על-ידי ביצוע תבניות בסיס, שימוש ב-EBL, והדפסת התבנית באמצעות תבנית האב. שיטה זו נקראת הדפס ננו-חותם. למרות הייצור של העובש באמצעות EBL לוקח זמן רב, התוצאה היא כי דפוסים ניתן להעביר בזמן קצר, באמצעות עובש שניתן להשתמש בו שוב ושוב. כמו-כן, ניתן להעביר את התבנית למצע גמיש על ידי שינוי תהליכי ההדפסה.

בעבודה זו, אנו מציגים תהליך מפורט עבור הייצור של מטאסורפנים מדידות. השיטה אינה מוגבלת ליישום מפצלי קרן; יישומי metasurface אחרים, כגון עדשות, הולוגרמות, וגלימות אופטיות, ניתן להבין באמצעות שיטה זו. בהשוואה למשטחים מטאסונית, מטאסורפנים מדידות מספקים יעילות גבוהה יותר באורכי גל גלויים עקב הפסדים אופטיים נמוכים של dielectrics אלקטרוניקה. מכאן, פרוטוקול זה יכול לסלול את הדרך ללמוד ולפתח מטאסורפנים מעשיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת כספית על ידי מענקי קרן המחקר הלאומי (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019R1A2C3003129, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) ממומן על ידי משרד המדע והתקשוב (MSIT), הרפובליקה של קוריאה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Plasma enhanced chemical vapor deposition BMR Technology HiDep-SC
Electron beam lithography Elionix ELS-7800
E-beam evaporation system Korea Vacuum Tech KVE-E4000
Inductively-coupled plasma reactive ion etching DMS -
Ultrasonic cleaner Honda W-113
E-beam resist MICROCHEM 495 PMMA A2
Resist developer MICROCHEM MIBK:IPA=1:3
Conducting polymer Showa denko E-spacer
Chromium etchant KMG CR-7
Acetone J.T. Baker 925402
2-propanol J.T. Baker 909502
Chromium evaporation source Kurt J. Lesker EVMCR35D
Collimated laser diode module Thorlabs CPS-635 wavelength: 635 nm
ND:YAG laser GAM laser GAM-2000 wavelength: 532 nm
power meter Thorlabs S120VC
CCD Camera INFINITY infinity2-2M
ND filter Thorlabs NCD-50C-4-A
Linear polarizer Thorlabs LPVISA100-MP2
Lens Thorlabs LB1676
Iris Thorlabs ID25
Circular polarizer Edmund optics 88-096
sample holder Thorlabs XYFM1
PECVD software BMR Technology HIDEP

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  2. Chen, W. T., et al. A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible. Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).
  3. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
  4. 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).
  5. Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Pragmatic Metasurface Hologram at Visible Wavelength: The Balance between Diffraction Efficiency and Fabrication Compatibility. ACS Photonics. 5 (5), 1643-1647 (2018).
  6. Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. "Crypto-Display" in Dual-Mode Metasurfaces by Simultaneous Control of Phase and Spectral Responses. ACS Nano. 12 (7), 6421-6428 (2018).
  7. 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).
  8. Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter. Nature Communications. 5, 5386 (2014).
  9. Zhang, D., et al. Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces. Optics Letters. 43 (2), 267 (2018).
  10. Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting. Scientific Reports. 8 (1), 9468 (2018).
  11. Goodman, J. W. Introduction to Fourier Optics. , Roberts and Company Publishers. Englewood, CO. (2005).
  12. Gerchberg, R. W., Saxton, W. O. A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures. Optik. 35 (2), 237-246 (1972).
  13. Yoon, G., Kim, I., Rho, J. Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials. Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).
  14. Zhou, Z., et al. Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light. ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).
  15. Dammann, H., Görtler, K. High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).

Tags

הנדסה סוגיה 148 מפצל קרן הולוגרמה פורייה סיליקון אמורפי הידרונטי ליתוגרפיה של קרן האלקטרונים מצמידים באופן משולב איכול פלזמה מוגבר פלזמה משופרת הפקדת אדים כימיים פס רחב עצמאות פולריזציה
הפגנה של יצירת קרן שוות-עוצמה על-ידי מטאספנים דיאלקטרי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yoon, G., Lee, D., Rho, J.… More

Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of Equal-Intensity Beam Generation by Dielectric Metasurfaces. J. Vis. Exp. (148), e59066, doi:10.3791/59066 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter