Waiting
Login processing...

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

Engineering

Demonstration af lige-Intensitets stråle generering ved dielektriske Metasurfaces

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

En protokol til fabrikation og optisk karakterisering af dielektriske metasurfaces præsenteres. Denne metode kan anvendes til fabrikation af ikke kun Beam Splitters, men også af generelle dielektriske metasurfaces, såsom linser, hologrammer, og optiske cloaks.

Abstract

Der påvises en fabrikations-og karakteriserings protokol for en metasurface-stråle splitter, som muliggør lige-intensitets stråle generering. Hydrogeneret Amorfe silicium (a-Si: H) er deponeret på det smeltet silica substrat, ved hjælp af plasma-forstærket kemisk damp deposition (PECVD). Typisk Amorfe silicium deponeret ved fordampning forårsager alvorlige optiske tab, påvirker operationen ved synlige frekvenser. Hydrogen atomer inde i Amorfe silicium tynde film kan reducere de strukturelle defekter, forbedre optisk tab. Nanostrukturer af et par hundrede nanometer er nødvendige for driften af metasurfaces i de synlige frekvenser. Konventionel fotolitografi eller direkte laser skrivning er ikke muligt, når opdigte sådanne små strukturer, på grund af diffraktion grænse. Derfor anvendes elektronstråle litografi (EBL) til at definere en chrom (CR) maske på den tynde film. Under denne proces, den eksponerede modstå er udviklet ved en kold temperatur for at bremse den kemiske reaktion og gøre mønsteret kanter skarpere. Endelig er a-Si: H ætset langs masken, ved hjælp af indukt koblet plasma-reaktiv ion ætsning (ICP-RIE). Den påviste metode er ikke mulig for storstilet fabrikation på grund af den lave gennemløb af EBL, men den kan forbedres ved at kombinere den med nanoimprint litografi. Den fabrikerede enhed er karakteriseret ved en tilpasset optisk opsætning bestående af en laser, polarisator, linse, effektmåler, og opladning-koblede enhed (CCD). Ved at ændre laser bølgelængden og polariseringen måles diffraktions egenskaberne. De målte diffracted stråle kræfter er altid lige, uanset hændelsen polarisering, samt bølgelængde.

Introduction

Metasurfaces bestående af to-dimensionelle subbølge længde antennesystemer har vist mange lovende optiske funktionaliteter, såsom akromatiske linser1,2, hologrammer3,4,5 ,6og optiske kapper7. Konventionelle voluminøse optiske komponenter kan udskiftes med ultratynde metasurfaces, samtidig med at de oprindelige funktionaliteter bevares. For eksempel er en stråle splitter en optisk enhed, der bruges til at adskille en hændelses stråle i to bjælker. Typiske stråle splittere er lavet ved at kombinere to trekantede prismer. Da deres interface egenskaber bestemme strålen opdeling egenskaber, er det svært at reducere den fysiske størrelse uden funktionel nedbrydning. På den anden side, ultratynde stråle splittere kan realiseres med metasurfaces kodet med en endimensional lineær fase gradient8,9. Tykkelsen af metasurfaces er mindre end deres arbejds bølgelængder, og separations egenskaber kan styres af fasefordelingen.

Vi designede en metasurface Beam splitter, som kan generere lige-intensitets stråler uanset hændelsen polariserings tilstande10. Denne egenskab kommer fra et Fourier hologram. På grund af billedet af to hvide pletter på en sort baggrund, genereret hologram fra metasurface er den samme som det kodede billede. Fourier hologrammet har ikke en specifik brændvidde, så det kodede billede kan observeres i hele rummet bag metasurface11. Hvis det samme to-spot billede genereres bag metasurface, fungerer det også som en stråle splitter. Fourier hologram af metasurface skaber et inverteret billede, som kaldes et Twin billede, med hensyn til de ortogonale polariserings tilstande. Twin billedet betragtes typisk som støj. Men det to-spot billede kodet i denne metasurface er Origin-symmetrisk, hvilket resulterer i en perfekt overlapning af de oprindelige og Twin billeder. Da enhver polariserings stat kan repræsenteres ved en lineær kombination af højrehåndet (RCP) og venstrehåndet (LCP) cirkulære polariseringer, viser den her beskrevne enhed den polariserings uafhængige funktionalitet.

Her præsenterer vi en protokol for fabrikation og optisk karakterisering af dielektriske metasurfaces muliggør lige-intensitet stråle generation. Den fase fordeling af denne enhed er hentet fra Gerchberg-Saxton (GS) algoritme, som generelt anvendes til fase-kun hologrammer12. a-Si: H af 300 Nm tyk er deponeret på smeltet silica substrat, ved hjælp af PECVD. En CR Mask er defineret på a-Si: H film, ved hjælp af EBL. Maske mønsteret svarer til den fase fordeling, som er afledt af GS-algoritmen. ICP-RIE udnyttes til at etch a-Si: H-filmen langs CR-masken. Resten af CR masken fjernes ved at finalisere prøve fabrikation. Den optiske funktionalitet af den fabrikerede metasurface er karakteriseret ved hjælp af en tilpasset optisk setup. Når en laserstråle er hændelsen til metasurface, er den transmitterede stråle opdelt i tre dele, nemlig to diffracted bjælker og en Zeroth-ordre stråle. De diffracted bjælker afviger fra en udvidelse af hændelsesstråle stien, mens Zeroth-ordre strålen følger den. For at verificere funktionaliteten af denne enhed, målte vi stråle effekt, stråle profil og diffracted vinkel ved hjælp af henholdsvis en effektmåler, CCD og Protractor.

Alle fremstillingsprocesser og materialer, der anvendes, er optimeret til målet funktionalitet. For synlige arbejds frekvenser bør de enkelte antennestørrelser være et par hundrede nanometer, og selve materialet bør have et lavt optisk tab ved synlige bølgelængder. Kun få former for fabrikationsmetoder er gældende, når der defineres sådanne små strukturer. Typisk fotolitografi, samt direkte laser skrivning, er ude af stand til fabrikation på grund af diffraktion grænse. Fokuseret ionstråle fræsning kan anvendes, men der er kritiske spørgsmål om gallium forurening, mønster design afhængighed, og den langsomme proceshastighed. Praktisk, EBL er den eneste måde at lette fremstilling af metasurfaces arbejder på synlige frekvenser13.

Dielektrika foretrækkes normalt på grund af det uundgåelige ohmiske tab af metaller. Det optiske tab af a-Si: H er lav nok til vores formål. Selv om det optiske tab af a-Si: h er ikke så lavt som lavt tabs-dielektrika såsom titandioxid1,4 og krystallinsk silicium14, fremstilling af a-Si: h er meget enklere. Typisk fordampning og spruttende processer er ikke i stand til aflejring af en a-Si: H film. PECVD er normalt påkrævet. Under PECVD-processen er nogle hydrogenatomer fra SiH4 og H2 gasser fanget blandt silicium atomerne, hvilket resulterer i en a-Si: H-film. Der er to måder at definere a-Si: H mønstre. Den ene er aflejring af a-Si: H på en mønstrede photoresist, efterfulgt af elevatoren-off proces, og den anden er ved at definere en ætsning maske på a-Si: H film, efterfulgt af ætsning proces. Førstnævnte er velegnet til fordampning processer, men det er ikke let at deponere en-si: H film ved hjælp af fordampning. Derfor er sidstnævnte den optimale måde at lave en-si: H mønstre. CR bruges som det ætsning maske materiale på grund af sin høje ætsning selektivitet med silicium.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fremstilling af dielektrisk metasurface

  1. Forrensning af et smeltet silica-substrat
    1. Forbered en dobbelt side poleret, smeltet silica substrat (længde: 2 cm; bredde: 2 cm; tykkelse: 500 μm).
    2. Sænk det smeltet silica-substrat i 50 ml acetone, og Udfør sonikering-processen i 5 minutter ved 40 kHz.
    3. Sænk substratet i 50 mL 2-propanol (IPA) og gennemføre sonikering proces for 5 min ved 40 kHz.
    4. Skyl substratet med IPA-og blæse nitrogen (N2)-gassen for at tørre substratet, før IPA fordamper.
  2. Deposition af a-Si: H ved PECVD
    1. Find de forberedte substrater på en zig inde i belastnings låsen kammer af PECVD-systemet.
    2. På PECVD-software skal du indstille kammertemperaturen til 300 °C og indstille radiofrekvens strømmen til 800 W.
    3. Indstil SiH4 gas flowhastighed til 10 SCCM og H2 gas flowhastighed til 75 SCCM.
    4. Indstil proces trykket til 25 mTorr. Klik på Start -knappen for at starte deposition processen, som tager ~ 300 s.
  3. Dannelse af kr æsning maske
    1. Læg prøven fra trin 1.2.4 på prøveholderen på spin Coater. Frigivelse poly (methylmethacrylat) (PMMA) a2 på prøven ved hjælp af en filter monteret 5 mL sprøjte og starte belægningsprocessen med en rotationshastighed på 2.000 rpm i 1 min.
      Bemærk: frigivet PMMA bør dække hele substrat; ellers vil den spin-coated film ikke være ensartet.
    2. Prøven overføres fra prøveholderen til en kogeplade, og prøven bages med en kogeplade ved 180 °C i 5 minutter. Derefter afkøles prøven ved stuetemperatur i 1 min.
    3. Læg prøven på prøveholderen på spin Coater. Frigør E-spacer på prøven ved hjælp af en 1 mL pipette, og start belægningsprocessen med en rotationshastighed på 2.000 rpm i 1 min.
      Bemærk: frigivet E-spacer bør dække hele substrat; ellers vil den spin-coated film ikke være ensartet.
    4. Indlæs og fastgør prøven på Zig for EBL. Anbring zig i EBL-kammeret, og læg den derefter i hoved kammeret.
    5. Tryk på isolations knappen og derefter på FC -knappen på EBL-konsollen. Indstil forstørrelsen til dens maksimumværdi ved hjælp af forstørrelses knappen.
    6. Drej knappen Zero check on. Drej bjælken strøm knappen for at indstille strålens aktuelle værdi til 50 PA. Slå nulkontrol knappen fra.
    7. Tryk på Reference knappen for at flytte scenen til Referencepositionen. Slå den tomme knap fra.
    8. Indstil forstørrelses værdien til 100.000 ved hjælp af forstørrelses knappen. Juster fokus og stigmatisme knapper for at få det klareste billede i EBL-displayet. Slå den tomme knap til.
    9. På den computer, som er sluttet til EBL-konsollen, skal du køre Linux-terminalen. Flyt den aktuelle placering til den mappe, der har. GDS-filen, ved hjælp af kommandoen cd .
    10. Skriv gds2cel for at konvertere. GDS-filen til en. cel-fil, og vent, indtil den er færdig. Indtast job for at køre hovedsoftwaren.
    11. Klik på menuen til ændring af chip størrelse . Vælg 600 μm x 600 μm og 240.000 prikker. Klik på Gem og derefter på Afslut.
    12. Klik på menuen oprettelse af mønster data . Indtast PS i kommandovinduet for at indlæse Pattern. cel-filen, der er genereret fra trin 1.3.10. Indtast i i kommandovinduet og klik på mønsteret for at forstørre mønster billedet.
    13. Indtast SD i kommandovinduet og 3 for at indstille dosis tiden til 3 μs. Indtast SP i kommandovinduet og 1, 1 for at indstille den eksponere pitch til en normal tilstand. Indtast PC i kommandovinduet og et filnavn for at oprette en. CCC-fil. Klik på midten af mønsteret.
    14. Indtast CP i kommandovinduet og klik på mønsteret for at anvende de eksponere betingelser fra trin 1.3.13. Skriv SV i kommandovinduet og et filnavn for at oprette en. con-fil. Indtast q i kommandovinduet for at forlade menuen for oprettelse af mønster data .
    15. Klik på menuen eksponering . Indtast i og. con filnavn fra trin 1.3.14. Indtast e og klik på eksponerings knappen for at starte eksponeringsprocessen.
      Bemærk: den eksponere tid afhænger af mønsteret område og tæthed. Generelle metasurface mønstre af et 300 μm x 300 μm område tage ~ 3 h.
    16. Når eksponeringen er afsluttet, skal du slå isolations knappen fra. Tryk på knappen ex for at flytte scenen.
    17. Aflæs prøven fra kammeret efter endt eksponering. Prøven nedsænkes i 50 mL deioniseret (DI) vand i 1 min. for at fjerne E-spaceren.
    18. Forbered 10 mL methylisobutylketon (MIBK): IPA = 1:3 opløsning i et bægerglas omgivet af is. Prøven nedsænkes i MIBK: IPA = 1:3-opløsningen i 12 min. Skyl derefter prøven med IPA-og Blow N2 -gassen for at tørre prøven.
    19. Læg prøven på indehaveren af elektronstråle fordamper. Monter holderen inde i fordamper Rens kammer.
    20. Der indlà ¦ ses et stykke CR af typen grafit-smeltedigel i fordampnings kammeret.
    21. På software af elektronstråle fordamper, skal du klikke på kammer pumpe knappen for at skabe et vakuum på indersiden af kammeret, og sænke trykket til 3 x 10-6 mtorr.
    22. Vælg chrom i afsnittet materiale, og klik på knappen materiale for at anvende det. Klik på E-Beam-udløser knappen for at åbne kilde udløseren. Klik på højspændings -og kilde knappen i den rækkefølge.
    23. Klik på den opadgående pileknap for at øge elektronstråle strømmen langsomt, og Gentag dette, indtil aflejrings hastigheden når 0,15 nm/s.
      Bemærk: et klik pr. 5 s er langsomt nok.
    24. Klik på knappen nul for at nulstille tykkelses måleren. Klik på den primære udløser knap for at åbne hoved udløseren. Når tykkelses måleren når 30 nm, skal du klikke på den primære udløser knap for at lukke hoved udløseren.
      Bemærk: deposition tid kan let beregnes fra deposition sats. En 30 nm-tyk deposition tager ~ 200 s, i den tilstand, der anvendes her.
    25. Klik på E-Beam-udløser knappen for at lukke kilde udløseren. Klik på den nedadgående pileknap for at formindske elektronstråle strømmen langsomt, og Gentag dette, indtil strømmen når 0.
      Bemærk: et klik pr. 5 s er langsomt nok.
    26. Klik på kilden og derefter på højspændings knappen. Vent 15 min til at køle kammeret. Klik på udluftnings knappen for at udlufte kammeret og aflæsse prøven fra holderen.
    27. Prøven nedsænkes i 50 mL acetone i 3 min. Udfør sonikering processen i 1 min ved 40 kHz. Prøven skylles med IPA-og Blow N2 -gas for at tørre prøven.
  4. Ætsning proces af a-Si: H
    1. Spred termisk lim på bagsiden af prøven. Fastgør prøven på Zig og indlæse zig på ætsning system.
    2. På softwaren, sæt klor (CL2) gas flowhastighed til 80 SCCM og Hydrogenbromid (HBR) gas flowhastighed til 120 SCCM. Indstil kilde strømmen til 500 W og bias til 100 V. Klik på Start -knappen for at starte ætsning processen for 100 s.
    3. Aflæs prøven og fjern den termiske lim med en støvtæt visker.
    4. Prøven nedsænkes i 20 ml Cr ætsemiddel i 2 min. og i 50 ml di-vand i 1 min. Skyl prøven med di-vand og pust N2 -gas for at tørre prøven.
  5. Opnåelse af scannings elektronmikroskopet billede af det fabrikerede metasurface
    1. Læg prøven på prøveholderen på spin Coater, frigør E-spaceren på prøven ved hjælp af en 1 mL pipette, og start belægningsprocessen med en rotationshastighed på 2.000 rpm i 1 min.
    2. Fastgør prøven på prøveholderen til scannings elektronmikroskop (SEM) ved hjælp af kulstof tape. Anbring holderen i SEM-kammeret til indlæsnings låsning, og Opret et vakuum i last låsekammeret.
    3. Holderen fra last låsekammeret overføres til hoved kammeret. Tænd for elektronstrålen med en 15 kV accelerations spænding.
    4. Flyt scenen til en 1 cm arbejdsafstand. Find metasurface ved at flytte scenen vandret. Juster stigmatismen og brændvidden, indtil billedet bliver klart.
    5. Optag billederne.
    6. Sluk for elektronstrålen. Flyt scenen til udvindings positionen. Overfør holderen fra hoved kammeret til last låsekammeret.
    7. Afvent last låsen og aflæs prøven.
    8. Prøven nedsænkes i 50 mL DI-vand i 1 min. for at fjerne E-spaceren. Blæse N2 gas til at tørre prøven.

2. optisk karakterisering af dielektrisk metasurface

Bemærk: direkte stråling af en laser kan beskadige øjnene. Undgå direkte øjeneksponering og bær de relevante laser beskyttelsesbriller.

  1. Monter en 635 nm-bølgelængde laser på det optiske bord (figur 1a). Tænd for laseren, og vent i 10 minutter for at stabilisere stråle strømmen.
  2. Juster den vandrette og lodrette justering af laseren ved hjælp af en Justeringsskærm både nær og langt fra laseren.
  3. Placer et neutralt tætheds filter foran laseren. Monter den første konvekse linse bag filteret neutral tæthed. Placer en iris på den konvekse objektivets bageste brændplan for at fjerne støjen.
  4. Monter den anden konvekse linse med to gange brændvidden fra den første konvekse linse. Placer en lineær polarisator bag den anden konvekse linse. Placer en højrehåndet cirkulær polarisator bag den lineære polarisator.
  5. Monter den tredje konvekse linse bag den cirkulære polarisator. Monter det fabrikerede metasurface på holderen. Find metasurface på den konvekse objektivets bageste brændings plan.
    Bemærk: laserstrålen skal være en hændelse fra substratet til det mønstrede område.
  6. Placer en tyk hvid papir skærm, som har en 1 cm-diameter hul i midten, bag metasurface. Monter en vinkelmåler på den optiske tabel, der justerer oprindelsen med metasurface.
  7. Mål kraften af de tre diffracted bjælker, som er tre lyse pletter på skærmen, ved hjælp af en effektmåler.
    Bemærk: Hvis laserstrålen ikke holdes konstant, beregnes den gennemsnitlige stråle effekt over en tidsperiode.
  8. Udskift den højrehåndede cirkulære polarisator med en venstre håndet cirkulær polarisator. Mål de tre diffracted stråle kræfter ved hjælp af effektmåleren.
  9. Fjern den venstrehåndede, cirkulære polarisator. Mål tre diffracted stråle kræfter ved hjælp af effektmåleren.
  10. Reducer Laserstrålens effekt ved hjælp af filteret neutral tæthed for at tillade en CCD-måling. Placer den højrehåndede cirkulære polarisator. Indfang de tre diffracted stråle profiler ved hjælp af CCD.
    Bemærk: svagere laserstråle magt foretrækkes, at forhindre CCD skader. Der er anvendt en stråle effekt på 300 μW i dette arbejde.
  11. Udskift den højrehåndede cirkulære polarisator med den venstrehåndede, cirkulære polarisator. Fang de tre diffracted stråle profiler ved hjælp af CCD.
  12. Fjern den venstrehåndede, cirkulære polarisator. Fang de tre diffracted stråle profiler ved hjælp af CCD.
  13. Udskift 635 nm-bølgelængde laseren med en 532 nm-bølgelængde laser.
  14. Gentag trin 2,2 til 2,12.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Måle resultaterne viser den polariserings uafhængige funktionalitet af den enhed, der præsenteres her (figur 1). Målte stråle kræfter af diffraktion ordrer af m = ± 1 er lige uanset hændelsen polariserings tilstand (dvs. RCP, LCP, og lineær polarisering). Da enhver vilkårlig polariserings tilstande kan nedbrydes af den lineære kombination af RCP og LCP, kan enhedens funktionalitet vedligeholdes, uanset polariserings tilstande. Diffraktions vinklen er 24 ° og 28,5 ° for bølgelængder på henholdsvis 532 nm og 635 nm, og vinklerne kan styres ved at ændre det kodede hologram.

Diffraktion effektivitet er defineret ved forholdet mellem de diffracted stråle kræfter (m = ± 1) til hændelsen stråle effekt. Anordningen, der præsenteres her, består af nanoroder af samme størrelse med forskellige retninger baseret på den geometriske fase resulterende bredbånds drift (figur 2). Teoretisk set bør effektiviteten være højere end 20% for begge bølgelængder. Den målte diffraktion-effektivitet er dog 18,3% ved λ = 532 nm og 9,1% ved λ = 635 nm. Uoverensstemmelsen kommer hovedsageligt fra strålens størrelse, der er større end selve metasurface. De målte profiler af Zeroth-Order Beam viser tydeligt, at hændelses strålens størrelse er større end metasurface (dvs. at den overskydende del af hændelses strålen direkte går til effektmåleren uden at interagere med metasurface, hvilket reducerer diffraktionen effektivitet) (figur 3).

Figure 1
Figur 1: Diffracted stråle effektmåling. a) det optiske setup for laser belysningen. De næste to paneler viser den målte diffracted stråle effekt (b) ved λ = 532 nm og (c) ved 635 nm. Da Laserstrålens effekt ikke var konsistent, beregnes de målte stråle kræfter ved hjælp af tidsgennemsnit lige registrerede værdier. Fejllinjerne i figuren repræsenterer maksimum-og minimumværdierne i optagelsestiden. Dette tal er blevet ændret fra Yoon et al.10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: SEM billeder af den fabrikerede metasurface. (a) den øverste visning af metasurface. justerings Enhedens celle geometri: længde (L) = 150 nm, bredde (W) = 80 nm, højde (H) = 300 Nm og pitch (P) = 240 Nm. (b) perspektivvisning af metasurface. Dette tal er blevet ændret fra Yoon et al.10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: erobrede stråle profiler af CCD taget 14 cm bag metasurface. Stråle diametrene kan anslås til ~ 3 mm ved λ = 532 nm og ~ 5 mm ved λ = 635 nm. De tilsvarende stråle divergerende vinkler er henholdsvis ca. 2,5 ° og 4,1 °. De tilfangetagne stråle profiler har laser pletter, men de kan fjernes af diffusorer1 eller Dammann rist3,15. Dette tal er blevet ændret fra Yoon et al.10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nogle fabrikations trin bør gennemføres omhyggeligt, at generere en meta Face, der er den samme som det oprindelige design. I den modstående udviklingsproces foretrækkes en lavtemperatur løsning normalt. Standardtilstanden er stuetemperatur, men reaktionshastigheden kan bremses ved at nedsætte opløsningens temperatur til 0 °C. Selv om den tilsvarende reaktionstid bliver længere, kan der opnås et finere mønster end med standardbetingelser. Reaktionstiden kontrol er også let på grund af den lave reaktionshastighed. Et andet kritisk skridt for et fint mønster er tørring IPA efter modstå udvikling. N2 -gassen bevæger sig og fordamper resten af IPA på prøven. Nogle beløb af IPA bevæger sig ikke, skabe tilfældigt fordelt øer. Hvis IPA-øerne dannes og derefter fordampes, vil prøven blive beskadiget. Derfor, for at minimere IPA ø dannelse, stærk blæser er bedre end svag blæser, medmindre substratet er brudt af den stærke luftstrøm. En passende effekt af sonikering er nyttigt til klart at skrælle den tynde film. Efter løft-off trin, er det muligt at kontrollere, om den tynde film klart skræller af eller ikke ved hjælp af en konventionel optisk mikroskop. Heldigvis, hvis nogen CR tynde film forbliver på det mønstrede område, er det muligt at fjerne resten ved en ekstra sonikering proces. Dette er en betydelig fordel ved CR Mask, fordi masker lavet af andre materialer, såsom guld, er yderst vanskeligt at fjerne, når restprodukter tørrer.

EBL er en effektiv metode til at fabrikere nanoskala strukturer, men denne metode lider af en lav gennemløb, der påvirker storstilet produktion. En måde at forbedre produktiviteten er ved at lave Master forme, ved hjælp af EBL, og udskrive mønsteret ved hjælp af Master skimmel. Denne metode kaldes nanoimprint litografi. Selv om fabrikation af formen ved hjælp af EBL tager lang tid, resultatet er, at mønstre kan overføres på kort tid, ved hjælp af formen, der kan bruges gentagne gange. Desuden er det også muligt at overføre mønsteret til et fleksibelt substrat ved at ændre udskrivnings processerne.

I dette arbejde præsenterer vi en detaljeret proces for fabrikation af dielektriske metasurfaces. Metoden er ikke begrænset til anvendelse af stråle splittere; andre metasurface applikationer, såsom linser, hologrammer, og optiske cloaks, kan realiseres via denne metode. Sammenlignet med plasmoniske metasurfaces giver dielektriske metasurfaces en langt højere effektivitet ved synlige bølgelængder på grund af lave optiske tab af dielectrics. Derfor kan denne protokol bane vejen for at studere og udvikle praktiske metasurfaces.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde støttes finansielt af National Research Foundation tilskud (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) finansieret af Ministeriet for videnskab og IKT (MSIT), Republikken Korea.

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

Engineering Beam splitter Fourier hologram hydrogeneret Amorfe silicium elektronstråle litografi industivt koblede plasma reaktiv ion ætsning plasma-forstærket kemisk damp deposition bredbånd polarisering uafhængighed
Demonstration af lige-Intensitets stråle generering ved dielektriske Metasurfaces
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