Summary
Een protocol voor de fabricage en optische karakterisering van diëlektrische metareeksen wordt gepresenteerd. Deze methode kan worden toegepast op de vervaardiging van niet alleen beam splitters, maar ook van algemene diëlektrische Metasequoia, zoals lenzen, hologrammen, en optische cloaks.
Abstract
Het fabricage-en karakterisatie protocol voor een metasurface Beam splitter, waardoor de bundelvorming met gelijke intensiteit mogelijk wordt, wordt gedemonstreerd. Gehydrogeneerde amorfe silicium (a-Si: H) wordt afgezet op het gesmolten silica substraat, met behulp van plasma-versterkte chemische damp afzetting (PECVD). Typisch amorf silicium dat door verdamping wordt afgezet, veroorzaakt ernstig optisch verlies, waardoor de werking bij zichtbare frequenties wordt geprikseerd. Waterstofatomen in de amorf silicium dunne film kunnen de structurele defecten verminderen, waardoor optisch verlies wordt verbeterd. Nanostructuren van enkele honderden nanometers zijn nodig voor de werking van Metasequoia in de zichtbare frequenties. Conventionele foto lithografie of direct laserschrijven is niet haalbaar bij het vervaardigen van dergelijke kleine constructies, als gevolg van de diffractie limiet. Vandaar, elektronenstraal lithografie (EBL) wordt gebruikt om een chroom (CR) masker op de dunne film te definiëren. Tijdens dit proces wordt de blootgestelde weerstand ontwikkeld bij een koude temperatuur om de chemische reactie te vertragen en de patroon randen scherper te maken. Tot slot, a-Si: H is geëtst langs het masker, met behulp van inductief gekoppeld plasma – reactieve Ion etsen (ICP-RIE). De Gedemonstreerde methode is niet haalbaar voor grootschalige fabricage als gevolg van de lage doorvoer van EBL, maar het kan worden verbeterd door het te combineren met nano opdruk lithografie. Het gefabriceerde apparaat wordt gekenmerkt door een aangepaste optische opstelling, bestaande uit een laser, polarisator, lens, Vermogensmeter en CCD (Charge-gekoppelde apparaat). Door de laser golflengte en polarisatie te veranderen, worden de diffractie-eigenschappen gemeten. De gemeten verstrooide bundel krachten zijn altijd gelijk, ongeacht de incident polarisatie, evenals golflengte.
Introduction
Meta meters bestaande uit tweedimensionale antenne arrays met een subgolf lengte hebben vele veelbelovende optische functionaliteiten aangetoond, zoals Achromatische lenzen1,2, hologrammen3,4,5 ,6en optische mantels7. Conventionele volumineuze optische componenten kunnen worden vervangen door ultradunne Metasequoia met behoud van de originele functionaliteiten. Een straal splitter is bijvoorbeeld een optisch apparaat dat wordt gebruikt om een incident straal in twee stralen te scheiden. Typische beam splitters worden gemaakt door twee driehoekige prisma's te combineren. Omdat hun Interface kenmerken de bundel splitsings eigenschappen bepalen, is het moeilijk om de fysieke grootte te verminderen zonder functionele degradatie. Aan de andere kant kunnen ultradunne straal splitters worden gerealiseerd met Metasequoia gecodeerd met een eendimensionale lineaire fase gradiënt8,9. De dikte van Metasequoia is kleiner dan hun werk golflengten, en scheidings eigenschappen kunnen worden bestuurd door de faseverdeling.
We ontwierpen een metasurface Beam splitter die gelijke-intensiteit stralen kan genereren ongeacht de incident polarisatie toestanden10. Dit kenmerk is afkomstig van een Fourier-hologram. Als gevolg van het beeld van twee witte vlekken op een zwarte achtergrond, gegenereerde hologram van de meta Face is hetzelfde als de gecodeerde afbeelding. Het Fourier-hologram heeft geen specifieke brandpuntsafstand, zodat het gecodeerde beeld in de hele ruimte achter de Metasequoia11kan worden waargenomen. Als het zelfde beeld van twee vlekken achter de Metasequoia wordt gegenereerd, werkt het ook als een straal splitter. Het Fourier-hologram van de Metasequoia creëert een omgekeerd beeld, dat een tweeling beeld wordt genoemd, met betrekking tot de orthogonale polarisatie toestanden. Het dubbele beeld wordt meestal beschouwd als ruis. Echter, de twee-spot afbeelding gecodeerd in deze Metasequoia is oorsprong-symmetrische, wat resulteert in een perfecte overlapping van de originele en dubbele afbeeldingen. Aangezien polarisatie toestanden kunnen worden weergegeven door een lineaire combinatie van rechtshandige (RCP) en linkshandige (LCP) circulaire polarisaties, toont het hier beschreven apparaat de polarisatie-onafhankelijke functionaliteit.
Hier presenteren we een protocol voor de fabricage en optische karakterisering van diëlektrische meta meters die een gelijke intensiteit van de bundel generatie mogelijk maken. De faseverdeling van dit apparaat wordt opgehaald uit het Gerchberg-Saxton (GS)-algoritme, dat over het algemeen wordt gebruikt voor fase-alleen hologrammen12. a-Si: H van 300 nm dik wordt afgezet op het gesmolten silica substraat, met behulp van PECVD. Een CR-masker is gedefinieerd op de a-Si: H-film, met behulp van EBL. Het masker patroon komt overeen met de faseverdeling die is afgeleid van het GS-algoritme. ICP-RIE wordt uitgebuit om de a-Si: H-film langs het CR-masker te etsen. De rest van het CR-masker wordt verwijderd door CR-etsmiddel om de monster fabricage te voltooien. De optische functionaliteit van de gefabriceerde metaforen wordt gekenmerkt door een aangepaste optische instelling. Wanneer een laserstraal is incident aan de meta face, de uitgezonden straal is onderverdeeld in drie delen, namelijk twee verstrooide balken en één zeroth-orde Beam. De verstrooide stralen afwijken van een uitbreiding van het incident Beam pad, terwijl de zeroth-order Beam volgt. Om de functionaliteit van dit apparaat te controleren, hebben we het stralingsvermogen, het profiel van de straal en de verstrooide hoek gemeten met respectievelijk een Vermogensmeter, CCD en Protractor.
Alle fabricageprocessen en gebruikte materialen zijn geoptimaliseerd voor de doel functionaliteit. Voor zichtbare Werkfrequenties moeten de individuele antenne maten enkele honderden nanometers zijn en het materiaal zelf moet een laag optisch verlies hebben bij zichtbare golflengten. Bij het definiëren van dergelijke kleine constructies zijn slechts enkele soorten fabricagemethoden van toepassing. Typische foto lithografie, evenals direct Laser schrijven, zijn niet in staat om de fabricage als gevolg van de diffractie limiet. Gericht ionen straal frezen kan worden gebruikt, maar er zijn kritische problemen van gallium besmetting, patroon ontwerp afhankelijkheid en de langzame processnelheid. Praktisch, EBL is de enige manier om de vervaardiging van metaforen werken op zichtbare frequenties13.
Dielectrics hebben meestal de voorkeur als gevolg van de onvermijdelijke a ohms verlies van metalen. Het optische verlies van a-Si: H is laag genoeg voor ons doel. Hoewel het optische verlies van a-Si: h niet zo laag is als lage-verlies diëlekten zoals titaniumdioxide1,4 en kristallijn silicium14, is de fabricage van a-Si: h veel eenvoudiger. Typische verdampings-en sputterende processen zijn niet in staat de afzetting van een a-Si: H film. PECVD is meestal vereist. Tijdens het PECVD-proces worden sommige waterstofatomen van SiH4 -en H2 -gassen gevangen tussen de siliciumatomen, wat resulteert in een a-Si: H-film. Er zijn twee manieren om a-Si: H-patronen te definiëren. Een daarvan is de afzetting van a-Si: H op een fotororesist met een patroon, gevolgd door het Lift-off proces, en de andere is door het definiëren van een etsen masker op de a-Si: H film, gevolgd door het etsen proces. De eerste is zeer geschikt voor verdampings processen, maar het is niet eenvoudig om a-Si: H-film te storten met verdamping. Vandaar, de laatste is de optimale manier om a-Si: H patronen te maken. CR wordt gebruikt als het etsen masker materiaal vanwege de hoge etsen selectiviteit met silicium.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fabricage van de diëlektrische metaforen
- Vooroverleunen van een gesmolten silica substraat
- Bereid een dubbele zijde gepolijst, gesmolten silica substraat (lengte: 2 cm; breedte: 2 cm; dikte: 500 μm).
- Dompel het gesmolten silica substraat onder in 50 mL aceton en voer het ultrasoonapparaatproces gedurende 5 min bij 40 kHz uit.
- Dompel het substraat onder in 50 mL 2-propanol (IPA) en voer het ultrasoonapparaatproces gedurende 5 minuten uit op 40 kHz.
- Spoel het substraat met de IPA en blaas stikstof (N2) gas om het substraat te drogen voor de verdamping van de IPA.
- Afzetting van a-Si: H door PECVD
- Zoek de geprepareerde ondergronden op een zig in de laadslot kamer van het PECVD-systeem.
- Stel op de PECVD-software de kamertemperatuur in op 300 °C en stel het radiofrequentievermogen in op 800 W.
- Stel het gasdebiet SiH4 in op 10 SCCM en het Gasdebiet van H2 naar 75 SCCM.
- Stel de proces druk in op 25 mTorr. Klik op de knop Start om het depositie proces te starten, dat ~ 300 s kost.
- Vorming van het CR-etsen masker
- Laad het monster dat is verkregen uit stap 1.2.4 op de monsterhouder van de spin coater. Afgifte van poly (methylmethacrylaat) (PMMA) a2 op het monster met behulp van een op het filter gemonteerde 5 mL spuit en start het coatingproces met een rotatiesnelheid van 2.000 rpm gedurende 1 minuut.
Opmerking: vrijgegeven PMMA moet de hele ondergrond bedekken; anders zal de spin gecoate film niet uniform zijn. - Breng het monster van de monsterhouder over naar een hete plaat en bak het monster gedurende 5 minuten met een kookplaat bij 180 °C. Koel het monster vervolgens op kamertemperatuur gedurende 1 minuut.
- Laad het monster op de monsterhouder van de spin coater. Laat de E-spacer op het monster los met een pipet van 1 mL en start het coatingproces met een rotatiesnelheid van 2.000 rpm gedurende 1 minuut.
Opmerking: vrijgegeven E-spacer moet de hele ondergrond bedekken; anders zal de spin gecoate film niet uniform zijn. - Laad en fixeer het monster op de zig voor EBL. Zet de zig in de EBL kamer en laad hem vervolgens in de hoofdkamer.
- Op de EBL-console drukt u op de isolatie knop en vervolgens op de knop FC . Stel de vergroting in op de maximale waarde met behulp van de vergrotings knop.
- Schakel de knop nul controleren in. Draai de straalstroom knop om de stralings stroomwaarde in te stellen op 50 pa. Schakel de knop Zero check uit.
- Druk op de knop Reference om het werkgebied naar de referentiepositie te verplaatsen. Schakel de lege knop uit.
- Stel de vergrotings waarde in op 100.000 met de vergrotings knop. Pas de focus-en stigmatisme-knoppen aan om het helderste beeld in het EBL-scherm te verkrijgen. Schakel de lege knop in.
- Voer de Linux-Terminal uit op de computer die is aangesloten op de EBL-console. Verplaats de huidige locatie naar de map met het. GDS-bestand met behulp van de opdracht cd .
- Voer gds2cel in om het. GDS-bestand naar een. cel-bestand te converteren en wacht tot het is voltooid. Voer de taak in om de HoofdSoftware uit te voeren.
- Klik op het menu voor het wijzigen van de chip grootte . Selecteer 600 μm x 600 μm en 240.000 stippen. Klik op Opslaan en vervolgens Afsluiten.
- Klik op het menu patroon gegevens maken . Voer PS in het opdrachtvenster in om het bestand pattern. cel te laden dat is gegenereerd op basis van stap 1.3.10. Voer i in het opdrachtvenster in en klik op het patroon om de patroon afbeelding te vergroten.
- Voer SD in het opdrachtvenster in en 3 om de dosis tijd in te stellen op 3 μs. Voer SP in het opdrachtvenster in en 1, 1 om de toonhoogte in te stellen op een normale conditie. Voer PC in het opdrachtvenster en een bestandsnaam in om een. CCC-bestand te maken. Klik op het midden van het patroon.
- Voer CP in het opdrachtvenster in en klik op het patroon om de voorwaarden voor blootstelling toe te passen vanaf stap 1.3.13. Typ SV in het opdrachtvenster en een bestandsnaam om een. con-bestand te maken. Voer q in het opdrachtvenster in om het menu voor het maken van patroon gegevens af te sluiten.
- Klik op het menu belichting . Voer i en de. con bestandsnaam van stap 1.3.14. Voer e in en klik op de knop belichting om het ontbloot proces te starten.
Opmerking: de tijd die wordt blootgesteld hangt af van het patroongebied en de dichtheid. Algemene Metasequoia patronen van een 300 μm x 300 μm gebied nemen ~ 3 h. - Wanneer het proces dat wordt weergegeven is voltooid, schakelt u de isolatie knop uit. Druk op de knop ex om het werkgebied te verplaatsen.
- Verwijder het monster uit de kamer na het afronden van de belichting. Dompel het monster gedurende 1 minuut onder in 50 mL gedeïoniseerd (DI) water om de E-spacer te verwijderen.
- Bereid 10 mL methyl isobutylketon (MIBK): IPA = 1:3 oplossing in een bekerglas, omringd door ijs. Dompel het monster onder in de MIBK: IPA = 1:3 oplossing voor 12 min. Spoel het monster vervolgens met de IPA en blaas N2 gas om het monster te drogen.
- Laad en fixeer het monster op de houder van de elektronenstraal verdamper. Monteer de houder in de kamer van de verdamper.
- Laad een grafiet-kroes-met stuk-type CR in de verdampings kamer.
- Op de software van de elektronenstraal verdamper, klik op de kamer pomp knop om een vacuüm te creëren aan de binnenkant van de kamer, en verlaag de druk tot 3 x 10-6 mtorr.
- Selecteer chromium in het materiaal gedeelte en klik op de knop material om het toe te passen. Klik op de E-Beam sluiter knop om de bron sluiter te openen. Klik op de knop hoogspanning en bron , in die volgorde.
- Klik op de pijl omhoog om de stroom van de elektronenstraal langzaam te verhogen en herhaal dit totdat de depositie snelheid 0,15 nm/s bereikt.
Opmerking: Eén klik per 5 s is traag genoeg. - Klik op de knop nul om de diktemeter opnieuw in te stellen. Klik op de hoofd sluiter knop om de hoofd sluiter te openen. Wanneer de diktemeter 30 nm bereikt, klikt u op de hoofd sluiter knop om de hoofd sluiter te sluiten.
Opmerking: depositie tijd kan eenvoudig worden berekend op basis van de depositie snelheid. Een 30 nm-dikke depositie neemt ~ 200 s, in de aandoening die hier wordt gebruikt. - Klik op de E-Beam sluiter knop om de bron sluiter te sluiten. Klik op de pijl omlaag om de stroom van de elektronenstraal langzaam te verlagen en herhaal dit totdat het vermogen 0 bereikt.
Opmerking: Eén klik per 5 s is traag genoeg. - Klik op de bron en vervolgens op de hoogspannings knop. Wacht 15 minuten om de kamer te koelen. Klik op de ventilatie knop om de kamer te ontluchten en het monster uit de houder te verwijderen.
- Dompel het monster onder in 50 mL aceton gedurende 3 min. Voer het ultrasoonapparaatproces gedurende 1 minuut uit op 40 kHz. Spoel het monster met IPA en blaas N2 gas om het monster te drogen.
- Laad het monster dat is verkregen uit stap 1.2.4 op de monsterhouder van de spin coater. Afgifte van poly (methylmethacrylaat) (PMMA) a2 op het monster met behulp van een op het filter gemonteerde 5 mL spuit en start het coatingproces met een rotatiesnelheid van 2.000 rpm gedurende 1 minuut.
- Etsen proces van a-Si: H
- Verdeel de thermische lijm naar de achterzijde van het monster. Bevestig het monster op de Zig en laad de zig op het etsen systeem.
- Stel op de software de gasstroom van chloor (cl2) in op 80 SCCM en het gasdebiet van het waterstofbromide (HBR) naar 120 SCCM. Stel de bron stroom in op 500 W en de bias naar 100 V. Klik op de knop Start om het etsen proces voor 100 s te starten.
- Ontlaad het monster en verwijder de thermische lijm met een stofdichte wisser.
- Dompel het monster in 20 ml CR-etsmiddel gedurende 2 minuten en in 50 ml di water gedurende 1 minuut. Spoel het monster met di water en blaas N2 gas om het monster te drogen.
- Het verkrijgen van de scanning elektronen microscoop afbeelding van de gefabriceerde meta face
- Laad het monster op de monsterhouder van de spin coater, laat de E-spacer op het monster los met een pipet van 1 mL en start het coatingproces met een rotatiesnelheid van 2.000 rpm gedurende 1 minuut.
- Bevestig het monster op de monsterhouder van de scanning elektronen microscoop (SEM) met behulp van Carbon tape. Plaats de houder in de belastingsloze kamer van de rem en creëer een vacuüm in de belastingsloze kamer.
- Breng de houder van de last slot kamer over naar de hoofdkamer. Draai de elektronenstraal aan met een acceleratie spanning van 15 kV.
- Verplaats het werkgebied naar een werkafstand van 1 cm. Zoek de meta Face door het werkgebied horizontaal te verplaatsen. Pas het stigmatisme en de brandpuntsafstand aan totdat het beeld helder wordt.
- Leg de beelden vast.
- Schakel de elektronenstraal uit. Verplaats het werkgebied naar de extractie positie. Breng de houder van de hoofdkamer over naar de belastingsloze kamer.
- De laad sluis kamer uit en ontlaad het monster.
- Dompel het monster gedurende 1 minuut onder in 50 mL DI water om de E-spacer te verwijderen. Blaas N2 gas om het monster te drogen.
2. optische karakterisering van de diëlektrische metasurface
Opmerking: directe straling van een laser kan de ogen beschadigen. Vermijd directe blootstelling aan de ogen en draag de juiste laser veiligheidsbril.
- Monteer een 635 nm-golflengte laser op de optische tafel (Figuur 1a). Draai de laser aan en wacht 10 minuten om de stralings kracht te stabiliseren.
- Pas de horizontale en verticale uitlijning van de laser aan met behulp van een uitlijnings scherm, zowel dichtbij als ver van de laser.
- Plaats een neutraal dichtheids filter voor de laser. Monteer de eerste bolle lens achter het neutrale dichtheids filter. Plaats een Iris op het achterste focal vlak van de bolle lens om ruis te verwijderen.
- Monteer de tweede bolle lens met tweemaal de brandpuntsafstand van de eerste bolle lens. Plaats een lineaire polarisator achter de tweede bolle lens. Plaats een rechtshandigen cirkelvormige polarisator achter de lineaire polarisator.
- Monteer de derde bolle lens achter de circulaire polarisator. Monteer de gefabriceerde meta face op de houder. Zoek de metafoor op het achterste focal vlak van de bolle lens.
Opmerking: de laserstraal moet worden incident van de ondergrond naar het patroongebied. - Plaats een dik wit papier scherm, dat een gat van 1 cm diameter in het midden, achter de meta face heeft. Monteer een gradenboog op de optische tafel die de oorsprong met de meta face uitlijnt.
- Meet de kracht van de drie verstrooide balken, die drie heldere vlekken op het scherm, met behulp van een Vermogensmeter.
Opmerking: als het vermogen van de laserstraal niet constant wordt gehandhaafd, berekent u de gemiddelde bundel kracht gedurende een bepaalde tijd. - Vervang de rechtshandige circulaire polarisator door een linkshandige circulaire polarisator. Meet de drie verstrooide Beam Powers, met behulp van de Vermogensmeter.
- Verwijder de linkshandige circulaire polarisator. Meet drie verstrooide Beam Powers met behulp van de Vermogensmeter.
- Verlaag de kracht van de laserstraal met behulp van het filter met neutrale dichtheid om een CCD-meting mogelijk te maken. Plaats de rechtshandige circulaire polarisator. Leg de drie verstrooide Beam-profielen vast met behulp van de CCD.
Opmerking: zwakkere laserstraal vermogen heeft de voorkeur, om CCD schade te voorkomen. Bij dit werk is een bundel vermogen van 300 μW gebruikt. - Vervang de rechtshandige circulaire polarisator door de linkshandige circulaire polarisator. Leg de drie verstrooide Beam-profielen vast met behulp van de CCD.
- Verwijder de linkshandige circulaire polarisator. Leg de drie verstrooide Beam-profielen vast met behulp van de CCD.
- Vervang de 635 nm-golflengte laser met een 532 nm-golflengte laser.
- Herhaal de stappen 2,2 tot en met 2,12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De meetresultaten tonen de polarisatie-onafhankelijke functionaliteit van het apparaat dat hier wordt weergegeven (Figuur 1). Gemeten bundel krachten van diffractie orders van m = ± 1 zijn gelijk, ongeacht de incident polarisatie toestand (d.w.z. RCP, LCP, en lineaire polarisatie). Aangezien willekeurige polarisatie toestanden kunnen worden ontleed door de lineaire combinatie van RCP en LCP, kan de functionaliteit van het apparaat worden gehandhaafd, ongeacht de polarisatie toestanden. De diffractie-hoeken zijn 24 ° en 28,5 ° voor de golflengten van respectievelijk 532 nm en 635 nm, en de hoeken kunnen worden bestuurd door het gecodeerde hologram te wijzigen.
De efficiëntie van de diffractie wordt bepaald door de verhouding tussen de krachten van de lichtbundel (m = ± 1) en het vermogen van de incident straal. Het hier gepresenteerde apparaat bestaat uit nano orod's van dezelfde grootte met verschillende oriëntaties op basis van de in de meetkundige fase resulterende breedband werking (Figuur 2). Theoretisch moet de efficiëntie hoger zijn dan 20% voor beide golflengten. De gemeten diffractie-efficiëntie is echter 18,3% bij λ = 532 nm en 9,1% bij λ = 635 nm. De discrepantie komt voornamelijk van de bundel grootte groter dan de metaforen zelf. De gemeten profielen van de zeroth-order bundel tonen duidelijk aan dat de incident bundel grootte groter is dan de Metasequoia (d.w.z. dat het overtollige deel van de incident straal direct naar de Vermogensmeter gaat zonder interactie met de metasurface, waardoor de diffractie efficiëntie) (Figuur 3).
Figuur 1: spanningsmeting met Diffracted Beam. a) de optische opstelling voor de laser verlichting. De volgende twee panelen tonen het gemeten verstrooide vermogen (b) bij λ = 532 nm en (c) bij 635 nm. Omdat het vermogen van de laserstraal niet consistent was, worden de gemeten bundel krachten berekend door de tijd-gemiddelde opgenomen waarden. De foutbalken in de figuur vertegenwoordigen de maximum-en minimumwaarden tijdens de opnametijd. Dit cijfer is gewijzigd van Yoon et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: SEM-beelden van de gefabriceerde metaforen. (a) bovenaanzicht van de meta face. inzet Geometrie van de eenheidcel: lengte (L) = 150 Nm, breedte (W) = 80 nm, hoogte (H) = 300 nm, en toonhoogte (P) = 240 nm. b) perspectief van de metaforen. Dit cijfer is gewijzigd van Yoon et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: vastgelegde Beam profielen door CCD genomen 14 cm achter de meta face. De diameter van de bundel kan worden geschat op ~ 3 mm bij λ = 532 nm en ~ 5 mm bij λ = 635 nm. De corresponderende breedte-divergerende hoeken zijn respectievelijk ongeveer 2,5 ° en 4,1 °. De vastgelegde Beam profielen hebben Laser spikkels, maar ze kunnen worden verwijderd door diffusers1 of Dammann rooster3,15. Dit cijfer is gewijzigd van Yoon et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sommige fabricage stappen moeten zorgvuldig worden uitgevoerd, voor het genereren van een meta script dat hetzelfde is als het oorspronkelijke ontwerp. In het Resist ontwikkelingsproces wordt doorgaans de voorkeur gegeven aan een oplossing met lage temperaturen. De standaard conditie is kamertemperatuur, maar de reactiesnelheid kan worden vertraagd door de oplossings temperatuur te verlagen tot 0 °C. Hoewel de corresponderende reactietijd langer wordt, kan een fijnere patroon worden verkregen dan bij standaardcondities. De reactietijd controle is ook gemakkelijk als gevolg van de lage reactiesnelheid. Een andere belangrijke stap voor een fijn patroon is het drogen van IPA na de weerstand ontwikkeling. De N2 gas beweegt en verdampt de rest van de IPA op het monster. Sommige hoeveelheid IPA beweegt niet, het creëren van willekeurig gedistribueerde eilanden. Als de IPA-eilanden worden gevormd en vervolgens worden verdampd, wordt het monster beschadigd. Daarom, om IPA-eiland vorming te minimaliseren, is sterk blazen beter dan zwak blazen, tenzij het substraat wordt gebroken door de sterke luchtstroom. Een geschikte kracht van het ultrasoonapparaat is handig om de dunne film duidelijk af te pellen. Na de lift-off stap is het mogelijk om te controleren of de dunne film duidelijk afpeelt of niet met behulp van een conventionele optische Microscoop. Gelukkig, als een CR dunne film blijft op het patroongebied, is het mogelijk om het residu te verwijderen door een extra ultrasoonapparaat proces. Dit is een aanzienlijk voordeel van het CR-masker, omdat maskers gemaakt van andere materialen, zoals goud, buitengewoon moeilijk te verwijderen zijn als het residu droogt.
EBL is een effectieve methode voor het fabriceren van nanoschaal structuren, maar deze methode lijdt aan een lage doorvoer, het opsteken van grootschalige productie. Een manier om de productiviteit te verbeteren is door het maken van Master mallen, met behulp van EBL, en het afdrukken van het patroon met behulp van de Master Mold. Deze methode wordt Imprint lithografie genoemd. Hoewel de vervaardiging van de mal met behulp van EBL lang duurt, het resultaat is dat patronen kunnen worden overgebracht in een korte tijd, met behulp van de mal die herhaaldelijk kan worden gebruikt. Bovendien is het mogelijk om het patroon over te dragen op een flexibele ondergrond door de drukprocessen aan te passen.
In dit werk presenteren we een gedetailleerd proces voor de fabricage van diëlektrische meta meters. De methode is niet beperkt tot de toepassing van beam splitters; andere metasurface-toepassingen, zoals lenzen, hologrammen en optische cloaks, kunnen via deze methode worden gerealiseerd. Vergeleken met plasmonische Metasequoia bieden diëlektrische meta meters een veel hogere efficiëntie bij zichtbare golflengten als gevolg van lage optische verliezen van dielectrics. Daarom kan dit protocol de weg vrijmaken om praktische metaforen te bestuderen en te ontwikkelen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk wordt financieel ondersteund door subsidies van de National Research Foundation (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) gefinancierd door het ministerie van Wetenschappen en ICT (MSIT), Republiek 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 |
References
- Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
- Chen, W. T., et al. A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible. Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).
- Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter. Nature Communications. 5, 5386 (2014).
- Zhang, D., et al. Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces. Optics Letters. 43 (2), 267 (2018).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting. Scientific Reports. 8 (1), 9468 (2018).
- Goodman, J. W. Introduction to Fourier Optics. , Roberts and Company Publishers. Englewood, CO. (2005).
- 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).
- Yoon, G., Kim, I., Rho, J. Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials. Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).
- Zhou, Z., et al. Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light. ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).
- Dammann, H., Görtler, K. High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).
