Summary
Ein Protokoll zur Herstellung und optischen Charakterisierung von dielektrischen Metaoberflächen wird vorgestellt. Diese Methode kann nicht nur auf die Herstellung von Strahlsplittern, sondern auch von allgemeinen dielektrischen Metaoberflächen wie Linsen, Hologrammen und optischen Umhängen angewendet werden.
Abstract
Das Fertigungs- und Charakterisierungsprotokoll für einen Metaoberflächenstrahlteiler, der die Erzeugung von Gleich-Intensitätsstrahlermöglicht, wird demonstriert. Hydriertes amorphes Silizium (a-Si:H) wird auf dem geschmolzenen Kieselsäuresubstrat unter Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) abgelagert. Typisches amorphes Silizium, das durch Verdunstung abgelagert wird, verursacht einen schweren optischen Verlust, der den Betrieb bei sichtbaren Frequenzen beeinträchtigt. Wasserstoffatome im inneren amorphen Silizium-Dünnfilm können die strukturellen Defekte reduzieren und den optischen Verlust verbessern. Für den Betrieb von Metaoberflächen in den sichtbaren Frequenzen werden Nanostrukturen von wenigen hundert Nanometern benötigt. Herkömmliche Photolithographie oder direktes Laserschreiben ist bei der Herstellung solcher kleinen Strukturen aufgrund der Beugungsgrenze nicht möglich. Daher wird die Elektronenstrahllithographie (EBL) verwendet, um eine Chrommaske (Cr) auf dem dünnschichtigen Film zu definieren. Während dieses Prozesses wird der exponierte Widerstand bei einer kalten Temperatur entwickelt, um die chemische Reaktion zu verlangsamen und die Musterkanten schärfer zu machen. Schließlich wird a-Si:H entlang der Maske geätzt, mit induktiv gekoppelter Plasma-reaktiver Ionenätzung (ICP-RIE). Die demonstrierte Methode ist für großflächige Fertigung aufgrund des geringen Durchsatzes von EBL nicht machbar, kann aber durch die Kombination mit Nanoimprint-Lithographie verbessert werden. Das gefertigte Gerät zeichnet sich durch ein maßgeschneidertes optisches Setup aus Laser, Polarisator, Linse, Leistungsmesser und ladungsgekoppeltem Gerät (CCD) aus. Durch Ändern der Laserwellenlänge und Polarisation werden die Beugungseigenschaften gemessen. Die gemessenen diffracted Strahlkräfte sind immer gleich, unabhängig von der einfallenden Polarisation, sowie Wellenlänge.
Introduction
Metaoberflächen, bestehend aus zweidimensionalen Subwellenlängenantennen-Arrays, haben viele vielversprechende optische Funktionalitäten gezeigt, wie z.B. achromatische Linsen1,2, Hologramme3,4,5 ,6und optische Umhänge7. Herkömmliche sperrige optische Komponenten können durch ultradünne Metaoberflächen ersetzt werden, während die ursprünglichen Funktionalitäten erhalten bleiben. Ein Strahlteiler ist z. B. ein optisches Gerät, das verwendet wird, um einen einfallenden Strahl in zwei Strahlen zu trennen. Typische Strahlsplitter werden durch die Kombination von zwei dreieckigen Prismen hergestellt. Da ihre Schnittstelleneigenschaften die Eigenschaften der Strahlspaltung bestimmen, ist es schwierig, die physische Größe ohne funktionelle Verschlechterung zu reduzieren. Andererseits können ultradünne Strahlsplitter mit Metaflächen realisiert werden, die mit einem eindimensionalen linearen Phasengradienten8,9kodiert sind. Die Dicke der Metaoberflächen ist kleiner als ihre Arbeitswellenlängen, und die Trenneigenschaften können durch die Phasenverteilung gesteuert werden.
Wir haben einen Metaoberflächenstrahl-Splitter entwickelt, der gleich intensive Strahlen erzeugen kann, unabhängig von den einfallenden Polarisationszuständen10. Diese Eigenschaft stammt aus einem Fourier Hologramm. Aufgrund des Bildes von zwei weißen Flecken auf schwarzem Hintergrund ist das erzeugte Hologramm von der Metaoberfläche das gleiche wie das codierte Bild. Das Fourier-Hologramm hat keine spezifische Brennweite, so dass das kodierte Bild im gesamten Raum hinter der Metaoberfläche11beobachtet werden kann. Wenn das gleiche Zwei-Punkt-Bild hinter der Metaoberfläche erzeugt wird, funktioniert es auch als Strahlsplitter. Das Fourier-Hologramm durch die Metaoberfläche erzeugt ein invertiertes Bild, das als Zwillingsbild bezeichnet wird, in Bezug auf die orthogonalen Polarisationszustände. Das Zwillingsbild wird in der Regel als Rauschen betrachtet. Das in dieser Metaoberfläche kodierte Zwei-Punkt-Bild ist jedoch ursprungssymmetrisch, was zu einer perfekten Überlappung der Original- und Zwillingsbilder führt. Da alle Polarisationszustände durch eine lineare Kombination von Rechtshand- (RCP) und Linkshand-Kreispolarisationen (LCP) dargestellt werden können, zeigt das hier beschriebene Gerät die polarisationsunabhängige Funktionalität.
Hier stellen wir ein Protokoll zur Herstellung und optischen Charakterisierung von dielektrischen Metaoberflächen vor, das die Erzeugung von Gleich-Intensität-Strahlen ermöglicht. Die Phasenverteilung dieses Geräts wird aus dem Gerchberg-Saxton (GS)-Algorithmus abgerufen, der in der Regel für phasengebundene Hologramme verwendet wird12. a-Si:H von 300 nm Dicke wird mit PECVD auf dem geschmolzenen Kieselsäuresubstrat abgelagert. Eine Cr-Maske wird auf dem a-Si:H-Film mit EBL definiert. Das Maskenmuster entspricht der phasenweise, die vom GS-Algorithmus abgeleitet wird. ICP-RIE wird ausgenutzt, um den a-Si:H-Film entlang der Cr-Maske zu ätzen. Der Rest der Cr-Maske wird von Cr etchant entfernt, der die Probenherstellung fertigstellt. Die optische Funktionalität der hergestellten Metaoberfläche wird durch ein maßgeschneidertes optisches Setup charakterisiert. Wenn ein Laserstrahl auf die Metaoberfläche einfällt, wird der übertragene Strahl in drei Teile getrennt, nämlich zwei diffracted Strahlen und ein Null-Ordnungsstrahl. Die diffrierten Balken weichen von einer Verlängerung des Einfallsbalkenpfads ab, während der Null-Ordnungsbalken ihm folgt. Um die Funktionalität dieses Geräts zu überprüfen, haben wir die Strahlleistung, das Strahlprofil und den diffracted Winkel mit einem Leistungsmesser, CCD und einem Winkelmesser gemessen.
Alle verwendeten Fertigungsprozesse und Materialien sind für die Zielfunktionalität optimiert. Bei sichtbaren Arbeitsfrequenzen sollten die einzelnen Antennengrößen ein paar hundert Nanometer betragen, und das Material selbst sollte bei sichtbaren Wellenlängen einen geringen optischen Verlust aufweisen. Bei der Definition solcher kleinen Strukturen sind nur wenige Arten von Herstellungsmethoden anwendbar. Typische Photolithographie sowie direktes Laserschreiben sind aufgrund der Beugungsgrenze nicht in der Lage, die Herstellung zu ermöglichen. Fokussiertes Ionenstrahlfräsen kann verwendet werden, aber es gibt kritische Probleme der Galliumkontamination, der Abhängigkeit von Musterdesigns und der langsamen Prozessgeschwindigkeit. Praktisch ist EBL die einzige Möglichkeit, die Herstellung vonMetaoberflächen zu erleichtern, die mit sichtbaren Frequenzen 13 arbeiten.
Dielektrika werden in der Regel aufgrund des unvermeidlichen ohmschen Verlustes von Metallen bevorzugt. Der optische Verlust von a-Si:H ist niedrig genug für unseren Zweck. Obwohl der optische Verlust von a-Si:H nicht so gering ist wie verlustarme Dielektrika wie Titandioxid1,4 und kristallines Silizium14,ist die Herstellung von a-Si:H viel einfacher. Typische Verdampfungs- und Sputterprozesse sind nicht in der Lage, eine a-Si:H-Folie absetzen zu können. PECVD ist in der Regel erforderlich. Während des PECVD-Prozesses werden einige Wasserstoffatome aus SiH4- und H2-Gasen unter den Siliziumatomen eingeschlossen, was zu einem a-Si:H-Film führt. Es gibt zwei Möglichkeiten, a-Si:H-Muster zu definieren. Das eine ist die Ablagerung von a-Si:H auf einem gemusterten Photoresist, gefolgt vom Abhebevorgang, und das andere ist die Definition einer Ätzmaske auf dem a-Si:H-Film, gefolgt vom Ätzprozess. Ersteres eignet sich gut für Verdampfungsprozesse, aber es ist nicht einfach, a-Si:H-Folie mittels Verdunstung abzulagern. Daher ist letzteres der optimale Weg, um a-Si:H-Muster zu machen. Cr wird als Ätzmaskenmaterial wegen seiner hohen Ätzselektivität mit Silizium verwendet.
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Protocol
1. Herstellung der dielektrischen Metaoberfläche
- Vorreinigung eines geschmolzenen Kieselsäuresubstrats
- Bereiten Sie ein doppelseitig poliertes, geschmolzenes Kieselsäuresubstrat (Länge: 2 cm; Breite: 2 cm; Dicke: 500 m) vor.
- Tauchen Sie das geschmolzene Kieselsäuresubstrat in 50 ml Aceton ein und leiten Sie den Beschallungsprozess für 5 min bei 40 kHz.
- Tauchen Sie das Substrat in 50 ml 2-Propanol (IPA) ein und leiten Sie den Beschallungsprozess für 5 min bei 40 kHz.
- Spülen Sie das Substrat mit dem IPA und blasen Sie Stickstoff (N2) Gas, um das Substrat vor der Verdunstung des IPA zu trocknen.
- Deposition von a-Si:H durch PECVD
- Suchen Sie die vorbereiteten Substrate auf einem Zick in der Lastverriegelungskammer des PECVD-Systems.
- Stellen Sie bei der PECVD-Software die Kammertemperatur auf 300 °C ein und stellen Sie die Hochfrequenzleistung auf 800 W ein.
- Stellen Sie den SiH 4-Gasdurchfluss auf 10 sccm und den H2-Gasdurchfluss auf 75 sccm ein.
- Stellen Sie den Prozessdruck auf 25 mTorr ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start, um den Abscheidungsprozess zu starten, der 300 s dauert.
- Bildung der Cr-Radierungsmaske
- Laden Sie die Probe aus Schritt 1.2.4 auf den Probenhalter des Spincoaters. Poly(Methylmethacrylat) (PMMA) A2 mit einer filtermontierten 5-ml-Spritze auf die Probe geben und den Beschichtungsprozess mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2.000 Umdrehungen pro Minute für 1 min starten.
HINWEIS: Freigegebenes PMMA sollte das gesamte Substrat abdecken; Andernfalls ist die Spin-beschichtete Folie nicht einheitlich. - Die Probe vom Probenhalter auf eine Kochplatte geben und die Probe mit einer Kochplatte bei 180 °C 5 min backen. Dann die Probe bei Raumtemperatur 1 min abkühlen lassen.
- Laden Sie die Probe auf den Probenhalter des Spincoaters. Lassen Sie den E-Spacer mit einer 1 ml Pipette auf der Probe los und starten Sie den Beschichtungsprozess mit einer Drehzahl von 2.000 Umdrehungen für 1 min.
HINWEIS: Der freigesetzte E-Spacer sollte das gesamte Substrat abdecken; Andernfalls ist die Spin-beschichtete Folie nicht einheitlich. - Laden und fixieren Sie die Probe auf dem Zick für EBL. Legen Sie den Zick in die EBL-Kammer und laden Sie ihn dann in die Hauptkammer.
- Drücken Sie auf der EBL-Konsole die Isolationstaste und dann die FC-Taste. Stellen Sie die Vergrößerung mit dem Vergrößerungsknopf auf ihren maximalen Wert ein.
- Schalten Sie die Null-Check-Taste ein. Drehen Sie den Beam-Stromknopf, um den Strahlstromwert auf 50 pA einzustellen. Schalten Sie die Null-Check-Taste aus.
- Drücken Sie die Referenztaste, um die Bühne an die Referenzposition zu verschieben. Schalten Sie die Leere-Taste aus.
- Stellen Sie den Vergrößerungswert mit dem Vergrößerungsknopf auf 100.000 ein. Passen Sie den Fokus und stigmatism Knöpfe, um das klarste Bild in der EBL-Anzeige zu erhalten. Schalten Sie die Leere-Taste ein.
- Führen Sie auf dem Computer, der mit der EBL-Konsole verbunden ist, das Linux-Terminal aus. Verschieben Sie den aktuellen Speicherort mithilfe des Befehls cd in den Ordner mit der .gds-Datei.
- Geben Sie gds2cel ein, um die .gds-Datei in eine .cel-Datei zu konvertieren und zu warten, bis sie abgeschlossen ist. Geben Sie den Auftrag ein, um die Hauptsoftware auszuführen.
- Klicken Sie auf das Menü "Änderung der Chipgröße". Wählen Sie 600 x 600 x 240.000 Punkteaus. Klicken Sie auf Speichern und dann auf Beenden.
- Klicken Sie auf das Menü Musterdatenerstellung. Geben Sie ps in das Befehlsfenster ein, um die Musterdatei .cel zu laden, die aus Schritt 1.3.10 generiert wurde. Geben Sie i in das Befehlsfenster ein und klicken Sie auf das Muster, um das Musterbild zu vergrößern.
- Geben Sie sd in das Befehlsfenster ein und geben Sie 3 ein, um die Dosiszeit auf 3 s einzustellen. Geben Sie sp im Befehlsfenster und 1,1 ein, um die aussetzende Tonhöhe auf eine normale Bedingung festzulegen. Geben Sie pc in das Befehlsfenster und einen Dateinamen ein, um eine .ccc-Datei zu erstellen. Klicken Sie auf die Mitte des Musters.
- Geben Sie cp in das Befehlsfenster ein, und klicken Sie auf das Muster, um die aussetzenden Bedingungen aus Schritt 1.3.13 anzuwenden. Geben Sie sv im Befehlsfenster und einen Dateinamen ein, um eine .con-Datei zu erstellen. Geben Sie q in das Befehlsfenster ein, um das Menü "Pattern-Datenerstellung" zu beenden.
- Klicken Sie auf das Menü Belichtung. Geben Sie i und den .con-Dateinamen aus Schritt 1.3.14 ein. Geben Sie e ein, und klicken Sie auf die Schaltfläche Belichtung, um den Belichtungsprozess zu starten.
HINWEIS: Die Auslegenszeit hängt von der Musterfläche und -dichte ab. Allgemeine Metaoberflächenmuster einer Fläche von 300 x 300 m dauern 3 h. - Wenn der Entlarvungsprozess abgeschlossen ist, schalten Sie die Isolationsschaltfläche aus. Drücken Sie die EX-Taste, um die Bühne zu bewegen.
- Entladen Sie die Probe nach Beendigung der Belichtung aus der Kammer. Tauchen Sie die Probe 1 min in 50 ml deionisiertes (DI) Wasser ein, um den E-Spacer zu entfernen.
- 10 ml Methylisobutylketon (MIBK): IPA = 1:3 Lösung in einem becherigen Becher, der von Eis umgeben ist. Tauchen Sie die Probe in die MIBK:IPA = 1:3-Lösung für 12 min ein. Anschließend spülen Sie die Probe mit dem IPA ab und blasen Sie N2 Gas, um die Probe zu trocknen.
- Laden und fixieren Sie die Probe auf den Halter des Elektronenstrahlverdampfers. Montieren Sie den Halter in der Kammer des Verdampfers.
- Laden Sie eine graphit-tiegelhaltige Stück-Cr in die Verdampfungskammer.
- Klicken Sie auf die Software des Elektronenstrahlverdampfers auf den Pumpenknopf Kammer, um ein Vakuum auf der Innenseite der Kammer zu erzeugen und den Druck auf 3 x 10-6 mTorr zu senken.
- Wählen Sie Chrom im Materialbereich aus, und klicken Sie auf die Schaltfläche Material, um es anzuwenden. Klicken Sie auf den E-beam-Shutter-Button, um den Quell-Shutter zu öffnen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Hochspannung und Quelle in dieser Reihenfolge.
- Klicken Sie auf die Pfeiltaste nach oben, um die Elektronenstrahlleistung langsam zu erhöhen, und wiederholen Sie diese, bis die Abscheidungsrate 0,15 nm/s erreicht.
HINWEIS: Ein Klick pro 5 s ist langsam genug. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Null, um die Dickenanzeige zurückzusetzen. Klicken Sie auf den Hauptauslöser, um den Hauptauslöser zu öffnen. Wenn die Dickenanzeige 30 nm erreicht, klicken Sie auf den Hauptauslöser, um den Hauptauslöser zu schließen.
HINWEIS: Die Abscheidungszeit kann leicht aus der Abscheidungsrate berechnet werden. Eine 30 nm dicke Ablagerung dauert 200 s, in dem Zustand, der hier verwendet wird. - Klicken Sie auf den E-Beam-Shutter-Button, um den Quellauslöser zu schließen. Klicken Sie auf die Pfeiltaste nach unten, um die Elektronenstrahlleistung langsam zu verringern, und wiederholen Sie dies, bis die Leistung 0 erreicht.
HINWEIS: Ein Klick pro 5 s ist langsam genug. - Klicken Sie auf die Quelle und dann auf die Schaltfläche Hochspannung. Warten Sie 15 min, um die Kammer zu kühlen. Klicken Sie auf die Entlüftungstaste, um die Kammer zu entlüften und die Probe vom Halter zu entladen.
- Tauchen Sie die Probe in 50 ml Aceton für 3 min. Führen Sie den Beschallungsprozess für 1 min bei 40 kHz. Spülen Sie die Probe mit IPA und blasen SieN2 Gas, um die Probe zu trocknen.
- Laden Sie die Probe aus Schritt 1.2.4 auf den Probenhalter des Spincoaters. Poly(Methylmethacrylat) (PMMA) A2 mit einer filtermontierten 5-ml-Spritze auf die Probe geben und den Beschichtungsprozess mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2.000 Umdrehungen pro Minute für 1 min starten.
- Ätzprozess von a-Si:H
- Thermischen Kleber auf die Rückseite der Probe verteilen. Befestigen Sie die Probe auf dem Zick und laden Sie das Zick auf das Ätzsystem.
- Stellen Sie in der Software den Chlor-Gas-Durchfluss (Cl2) auf 80 sccm und den Wasserstoffbromid-Gasdurchfluss (HBr) auf 120 sccm ein. Stellen Sie die Ausgangsleistung auf 500 W und die Verzerrung auf 100 V. Klicken Sie auf die Start-Taste, um den Ätzvorgang für 100 s zu starten.
- Entladen Sie die Probe und entfernen Sie den Thermokleber mit einem staubdichten Wischer.
- Tauchen Sie die Probe in 20 ml Cr etchant für 2 min und in 50 ml DI-Wasser für 1 min. Spülen Sie die Probe mit DI-Wasser und blasen Sie N2 Gas, um die Probe zu trocknen.
- Abrufen des Rasterelektronenmikroskopbilds der hergestellten Metaoberfläche
- Laden Sie die Probe auf den Probenhalter des Spincoaters, lassen Sie den E-Abstandshalter mit einer 1 ml Pipette auf die Probe und starten Sie den Beschichtungsprozess mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2.000 U/min für 1 min.
- Befestigen Sie die Probe auf dem Probenhalter des Rasterelektronenmikroskops (SEM) mit Carbonband. Setzen Sie den Halter in die Ladeschlosskammer des SEM und erzeugen Sie ein Vakuum in der Lastschlosskammer.
- Übertragen Sie den Halter von der Ladesperrkammer in die Hauptkammer. Schalten Sie den Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV ein.
- Bewegen Sie die Bühne auf einen Arbeitsabstand von 1 cm. Finden Sie die Metaoberfläche, indem Sie die Bühne horizontal verschieben. Passen Sie den Stigmatismus und die Brennweite an, bis das Bild klar wird.
- Erfassen Sie die Bilder.
- Schalten Sie den Elektronenstrahl aus. Verschieben Sie die Bühne in die Extraktionsposition. Übertragen Sie den Halter von der Hauptkammer in die Lastschlosskammer.
- Entlüften Sie die Lastsperrkammer und entladen Sie die Probe.
- Tauchen Sie die Probe 1 min in 50 ml DI-Wasser ein, um den E-Spacer zu entfernen. Blasen Sie N2 Gas, um die Probe zu trocknen.
2. Optische Charakterisierung der dielektrischen Metaoberfläche
HINWEIS: Direkte Strahlung eines Lasers kann die Augen schädigen. Vermeiden Sie eine direkte Augenbelichtung und tragen Sie die entsprechende Laserschutzbrille.
- Montieren Sie einen 635 nm Wellenlängenlaser auf dem optischen Tisch (Abbildung 1a). Schalten Sie den Laser ein und warten Sie 10 min, um die Strahlleistung zu stabilisieren.
- Passen Sie die horizontale und vertikale Ausrichtung des Lasers mithilfe eines Ausrichtungsbildschirms sowohl in der Nähe als auch in der Nähe des Lasers an.
- Platzieren Sie einen Neutraldichtefilter vor dem Laser. Montieren Sie die erste konvexe Linse hinter dem Neutraldichtefilter. Platzieren Sie eine Iris auf der hinteren Brennweite der konvexen Linse, um Geräusche zu entfernen.
- Montieren Sie die zweite konvexe Linse mit der doppelten Brennweite der ersten konvexen Linse. Platzieren Sie einen linearen Polarisator hinter der zweiten konvexen Linse. Platzieren Sie einen rechtshändigen kreisförmigen Polarisator hinter dem linearen Polarisator.
- Montieren Sie die dritte konvexe Linse hinter dem kreisförmigen Polarisator. Montieren Sie die hergestellte Metaoberfläche auf dem Halter. Suchen Sie die Metaoberfläche auf der hinteren Brennebene der konvexen Linse.
HINWEIS: Der Laserstrahl sollte vom Substrat in den gemusterten Bereich einfallen. - Legen Sie einen dicken weißen Papierschirm, der ein Loch von 1 cm Durchmesser in der Mitte hat, hinter die Metaoberfläche. Montieren Sie einen Winkelmesser auf dem optischen Tisch, der den Ursprung an der Metaoberfläche ausrichtet.
- Messen Sie die Leistung der drei diffragierten Strahlen, die drei helle Flecken auf dem Bildschirm sind, mit einem Powermeter.
HINWEIS: Wenn die Laserstrahlleistung nicht konstant gehalten wird, berechnen Sie die durchschnittliche Strahlleistung über einen bestimmten Zeitraum. - Ersetzen Sie den rechtshändigen kreisförmigen Polarisator durch einen linkshändigen kreisförmigen Polarisator. Messen Sie die drei diffracted Strahlkräfte mit dem Leistungsmesser.
- Entfernen Sie den linkshändigen kreisförmigen Polarisator. Messen Sie drei diffracted Strahlkräfte, mit dem Leistungsmesser.
- Verringern Sie die Laserstrahlleistung, indem Sie den Neutraldichtefilter verwenden, um eine CCD-Messung zu ermöglichen. Platzieren Sie den rechtshändigen kreisförmigen Polarisator. Erfassen Sie die drei diffracted Strahlprofile mit der CCD.
HINWEIS: Schwächere Laserstrahlleistung wird bevorzugt, um CCD-Schäden zu verhindern. Bei dieser Arbeit wurde eine Strahlleistung von 300 W verwendet. - Ersetzen Sie den rechtshändigen kreisförmigen Polarisator durch den linkshändigen kreisförmigen Polarisator. Erfassen Sie die drei diffracted Strahlprofile mit der CCD.
- Entfernen Sie den linkshändigen kreisförmigen Polarisator. Erfassen Sie die drei diffracted Strahlprofile mit der CCD.
- Ersetzen Sie den 635 nm-Wellenlängenlaser durch einen 532 nm-Wellenlängenlaser.
- Wiederholen Sie die Schritte 2.2 bis 2.12.
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Representative Results
Die Messergebnisse zeigen die polarisationsunabhängige Funktionalität des hier vorgestellten Gerätes (Abbildung 1). Die gemessenen Strahlkräfte der Beugungsreihenfolgen von m = 1 sind gleich, unabhängig vom einfallenden Polarisationszustand (d. h. RCP, LCP und linearer Polarisation). Da beliebige Polarisationszustände durch die lineare Kombination von RCP und LCP zerlegt werden können, kann die Funktionalität des Geräts unabhängig von Polarisationszuständen beibehalten werden. Die Beugungswinkel sind 24° und 28,5° für die Wellenlängen von 532 nm bzw. 635 nm, und die Winkel können durch Ändern des codierten Hologramms gesteuert werden.
Die Beugungseffizienz wird durch das Verhältnis der diffracted Strahlkräfte (m = 1) zur Einfallsstrahlleistung definiert. Das hier vorgestellte Gerät besteht aus gleichgroßen Nanostäben mit unterschiedlichen Ausrichtungen, die auf dem geometrisch-phasenresultierenden Breitbandbetrieb basieren (Abbildung 2). Theoretisch sollte der Wirkungsgrad für beide Wellenlängen über 20 % liegen. Die gemessenen Beugungseffizienzen liegen jedoch bei 18,3 % bei n = 532 nm und bei 9,1 % bei n = 635 nm. Die Diskrepanz ergibt sich hauptsächlich dadurch, dass die Strahlgröße größer ist als die Metaoberfläche selbst. Die gemessenen Profile des Nullstrahls zeigen deutlich, dass die Einfallstrahlgröße größer ist als die Metaoberfläche (d. h. der überschüssige Teil des Einfallsstrahls geht direkt an den Leistungsmesser, ohne mit der Metaoberfläche zu interagieren, wodurch die Beugung reduziert wird. Effizienz) (Abbildung 3).
Abbildung 1: Diffracted Strahlleistungsmessung. (a) Das optische Setup für die Laserbeleuchtung. Die nächsten beiden Panels zeigen die gemessene diffrierte Strahlleistung (b) bei n = 532 nm und (c) bei 635 nm. Da die Laserstrahlleistung nicht konsistent war, werden die gemessenen Strahlleistungen durch zeitmittelierte aufgezeichnete Werte berechnet. Die Fehlerbalken in der Abbildung stellen die Maximal- und Minimalwerte während der Aufzeichnungszeit dar. Diese Zahl wurde von Yoon et al.10geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: SEM-Bilder der hergestellten Metaoberfläche. (a) Obere Ansicht der Metaoberfläche. (Einset) Geometrie der Einheitszelle: Länge (L) = 150 nm, Breite (W) = 80 nm, Höhe (H) = 300 nm und Steigung (P) = 240 nm. (b) Perspektivische Ansicht der Metaoberfläche. Diese Zahl wurde von Yoon et al.10geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Erfasste Strahlprofile von CCD, die 14 cm hinter der Metaoberfläche aufgenommen wurden. Die Strahldurchmesser können auf 3 mm bei 532 nm und 5 mm bei 635 nm geschätzt werden. Die entsprechenden Abunterschiedlichwinkel des Strahls liegen bei ca. 2,5° bzw. 4,1°. Die erfassten Strahlprofile haben Laserflecken, können aber durch Diffusoren1 oder Dammann Gitter3,15entfernt werden. Diese Zahl wurde von Yoon et al.10geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Einige Fertigungsschritte sollten sorgfältig durchgeführt werden, um eine Metaoberfläche zu erzeugen, die mit dem ursprünglichen Design identisch ist. Im Widerstandsentwicklungsprozess wird in der Regel eine Niedertemperaturlösung bevorzugt. Der Standardzustand ist die Raumtemperatur, aber die Reaktionsgeschwindigkeit kann verlangsamt werden, indem die Lösungstemperatur auf 0 °C verringert wird. Obwohl die entsprechende Reaktionszeit länger wird, kann ein feineres Muster als bei Standardbedingungen erhalten werden. Die Reaktionszeitregelung ist auch aufgrund der geringen Reaktionsgeschwindigkeit einfach. Ein weiterer wichtiger Schritt für ein feines Muster ist das Trocknen von IPA nach der Widerstandsentwicklung. Das N2-Gas bewegt und verdampft den Rest des IPA auf der Probe. Eine gewisse IPA-Menge bewegt sich nicht, wodurch zufällig verteilte Inseln entstehen. Wenn die IPA-Inseln gebildet und dann verdampft werden, wird die Probe beschädigt. Daher, um die IPA-Inselbildung zu minimieren, ist starkes Blasen besser als schwaches Blasen, es sei denn, das Substrat wird durch den starken Luftstrom gebrochen. Eine entsprechende Kraft der Beschallung ist hilfreich, um den dünnen Film deutlich abzuschälen. Nach dem Abhebeschritt kann mit einem herkömmlichen optischen Mikroskop überprüft werden, ob sich der dünne Film deutlich abzieht oder nicht. Glücklicherweise ist es möglich, den Rückstand durch einen zusätzlichen Beschallungsprozess zu entfernen, wenn ein Cr-Dünnfilm auf der gemusterten Fläche verbleibt. Dies ist ein erheblicher Vorteil der Cr-Maske, da Masken aus anderen Materialien, wie Gold, extrem schwer zu entfernen sind, sobald der Rückstand trocknet.
EBL ist eine effektive Methode zur Herstellung von nanoskaligen Strukturen, aber diese Methode leidet unter einem geringen Durchsatz, der die Großproduktion beeinträchtigt. Eine Möglichkeit, die Produktivität zu verbessern, besteht darin, Masterformen herzustellen, EBL zu verwenden und das Muster mit der Masterform zu drucken. Diese Methode wird Nanoimprint-Lithographie genannt. Obwohl die Herstellung der Form mit EBL lange dauert, ist das Ergebnis, dass Muster in kurzer Zeit übertragen werden können, mit der Form, die wiederholt verwendet werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Muster durch Modifizieren der Druckprozesse auf ein flexibles Substrat zu übertragen.
In dieser Arbeit stellen wir einen detaillierten Prozess zur Herstellung von dielektrischen Metaoberflächen vor. Die Methode ist nicht auf die Anwendung von Strahlsplittern beschränkt; andere Metaoberflächenanwendungen wie Linsen, Hologramme und optische Tarnungen können mit dieser Methode realisiert werden. Im Vergleich zu plasmonischen Metaoberflächen bieten dielektrische Metaoberflächen aufgrund geringer optischer Verluste der Dielektrika eine viel höhere Effizienz bei sichtbaren Wellenlängen. Daher kann dieses Protokoll den Weg für die Untersuchung und Entwicklung praktischer Metaoberflächen ebnen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wird finanziell durch Stipendien der National Research Foundation (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) finanziert, die vom Ministerium für Wissenschaft und IKT (MSIT) koreas finanziert wird.
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 |
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