Summary
ويُعرض بروتوكول لتصنيع الأسطح الفوقية العازلة وتوصيفها البصري. ويمكن تطبيق هذه الطريقة على تصنيع ليس فقط الفواصل شعاع، ولكن أيضا من الأسطح السطحية العازلة العامة، مثل العدسات، الهولوغرامات، والعباءات البصرية.
Abstract
ويتضح بروتوكول التصنيع والتوصيف لمقسم شعاع سطح النقي، مما يتيح توليد شعاع متساوي الكثافة. يتم إيداع السيليكون المهدرجة غير متبلور (A-Si:H) على الركيزة السيليكا تنصهر، وذلك باستخدام البلازما تعزيز ترسب بخار الكيميائية (PECVD). ويتسبب السيليكون غير المتبلور النموذجي المودع عن طريق التبخر في فقدان بصري شديد، مما يؤدي إلى إصابة العملية بترددات مرئية. ذرات الهيدروجين داخل فيلم السيليكون رقيقة غير متبلور يمكن أن تقلل من العيوب الهيكلية، وتحسين فقدان البصرية. وهناك حاجة إلى هياكل نانوية لبضع مئات من النانومترات لتشغيل الأسطح الفوقية في الترددات المرئية. التصوير الضوئي التقليدي أو الكتابة بالليزر المباشرة غير ممكن عند تصنيع مثل هذه الهياكل الصغيرة، وذلك بسبب حد الانعراج. وبالتالي، يتم استخدام الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون (EBL) لتعريف قناع الكروم (Cr) على الفيلم رقيقة. خلال هذه العملية، يتم تطوير المقاومة المكشوفة في درجة حرارة باردة لإبطاء التفاعل الكيميائي وجعل حواف النمط أكثر وضوحا. وأخيراً، يتم حفر A-Si:H على طول القناع، وذلك باستخدام النقش على الأيون (ICP-RIE) المقترن بالبلازما بشكل غير نشط. الطريقة المثبتة غير ممكنة للتصنيع على نطاق واسع بسبب انخفاض الإنتاجية من EBL، ولكن يمكن تحسينها من خلال الجمع بين ذلك مع الطباعة الحجرية nanoimprint. يتميز الجهاز المصنع بجهاز بصري مخصص يتكون من الليزر، المستقطب، العدسة، عداد الطاقة، وجهاز المقترنة بالشحن (CCD). عن طريق تغيير الطول الموجي الليزر والاستقطاب، يتم قياس خصائص الانعراج. ال يقاس [فرقب] قوى دائما يتماثل, [رغردلّس] الحادث استقطاب, [أس ولّ س] طول موجة.
Introduction
وقد أظهرت الأسطح الفوقية التي تتكون من صفائف هوائي ثنائي الأبعاد تحت الطولالموجي العديد من الوظائف البصرية الواعدة، مثل العدسات الأكرومية 1،2،الصور ثلاثية الأبعاد 3،4،5 ،6، والعباءات البصرية7. يمكن استبدال المكونات البصرية الضخمة التقليدية بأسطح طميتا رقيقة جداً مع الحفاظ على الوظائف الأصلية. على سبيل المثال، مقسم الحزمة هو جهاز بصري يستخدم لفصل شعاع الحادث إلى شعاعين. يتم إجراء فواصل شعاع نموذجية من خلال الجمع بين اثنين من المنشور الثلاثي. وبما أن خصائص الواجهة الخاصة بهم تحدد خصائص تقسيم الحزمة، فمن الصعب تقليل الحجم المادي دون تدهور وظيفي. من ناحية أخرى، يمكن تحقيق الفواصل شعاع رقيقة جدا مع metasurfaces ترميز مع التدرج المرحلة الخطية أحادية الأبعاد8،9. سمك الأسطح الفوقية أقل من أطوال موجية العمل الخاصة بهم، ويمكن التحكم في خصائص الفصل عن طريق توزيع المرحلة.
قمنا بتصميم مقسم شعاع سطح البحر الذي يمكن أن تولد الحزم متساوية الكثافة بغض النظر عن حالات الاستقطاب الحادث10. هذه الخاصية تأتي من صورة ثلاثية الأبعاد فورييه. نظرًا لصورة بقعتين أبيضتين على خلفية سوداء، فإن الهولوغرام الذي تم إنشاؤه من سطح التعريف هو نفس الصورة المشفرة. لا يحتوي الهولوغرام فورييه على بُعد بؤري محدد، بحيث يمكن ملاحظة الصورة المشفرة في المساحة الكاملة خلف سطح التعريف11. إذا تم إنشاء نفس الصورة ذات النقطتين خلف سطح التعريف، فإنها تعمل أيضًا كمقسم شعاعي. الهولوغرام فورييه من سطح التعريف يخلق صورة مقلوبة، وهو ما يسمى صورة مزدوجة، فيما يتعلق بحالات الاستقطاب المتعامدة. وعادة ما تعتبر الصورة التوأم الضوضاء. ومع ذلك، فإن الصورة ذات النقطتين المشفرة في هذه السطح الفوقية هي متماثلة الأصل، مما يؤدي إلى تداخل مثالي بين الصور الأصلية والتوأم. وبما أن أي حالات استقطاب يمكن تمثيلها بمزيج خطي من الاستقطابات الدائرية اليمنى (RCP) واليسار، فإن الجهاز الموصوف هنا يظهر وظيفة الاستقطاب المستقلة.
هنا، نقدم بروتوكولا ً لتصنيع وتوصيف بصري للأسطح النقية التي تمكن من توليد شعاع متساوي الكثافة. يتم استرداد توزيع المرحلة من هذا الجهاز من خوارزمية Gerchberg-Saxton (GS)، والتي تستخدم عادة للصورة الثلاثية الأبعاد المرحلة فقط12. a-Si: H من 300 نانومتر سميكة يتم إيداعها على الركيزة السيليكا تنصهر، وذلك باستخدام PECVD. يتم تعريف قناع Cr على فيلم A-Si:H، باستخدام EBL. يتوافق نمط القناع مع توزيع المرحلة المشتقة من خوارزمية GS. يتم استغلال برنامج المقارنات الدولية-RIE لحفر فيلم A-Si:H على طول قناع Cr. تتم إزالة بقية قناع Cr بواسطة Cr etchant الانتهاء من تلفيق العينة. تتميز الوظائف البصرية للسطح الفوقي ملفقة باستخدام إعداد بصري مخصص. عندما يكون شعاع الليزر هو الحادث إلى سطح البحر، يتم تقسيم شعاع المنقولة إلى ثلاثة أجزاء، وهي شعاعين متباعدة وشعاع واحد من أجل صفر. وتحيد الحزم المنكسرة عن امتداد مسار شعاع الحادث بينما يتبعها شعاع الشعاع الصفري. للتحقق من وظيفة هذا الجهاز، قمنا بقياس قوة الحزمة، وملف تعريف الحزمة، وزاوية المنكرة باستخدام مقياس الطاقة، وCCD، والمنقلة، على التوالي.
يتم تحسين جميع عمليات التصنيع والمواد المستخدمة للوظائف المستهدفة. وبالنسبة لترددات العمل المرئية، ينبغي أن تكون أحجام الهوائي الفردية بضع مئات من النانومترات، وينبغي أن يكون للمواد نفسها خسارة بصرية منخفضة عند الأطوال الموجية المرئية. ولا تنطبق سوى أنواع قليلة من أساليب التصنيع عند تعريف هذه الهياكل الصغيرة. التصوير الضوئي النموذجي، فضلا عن الكتابة بالليزر المباشرة، غير قادرة على تلفيق بسبب حد الانعراج. يمكن استخدام طحن شعاع الأيون المركز، ولكن هناك قضايا حاسمة من تلوث الغاليوم، والاعتماد على تصميم نمط، وسرعة عملية بطيئة. عمليا، EBL هو السبيل الوحيد لتسهيل تصنيع الأسطح الفوقية التي تعمل في ترددات مرئية13.
عادة ما يفضل عازلة بسبب فقدان ohmic لا مفر منه من المعادن. فقدان البصرية من A-Si: H منخفضة بما فيه الكفاية لغرضنا. على الرغم من أن فقدان البصرية من a-Si: H ليست منخفضةمثل عازلات منخفضة الخسارة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم 1،4 والسيليكون البلورية14،وتصنيع a-Si:H هو أبسط بكثير. عمليات التبخر والتأتأة النموذجية ليست قادرة على ترسب فيلم A-Si:H. وعادة ما يكون مطلوبا PECVD. خلال عملية PECVD، بعض ذرات الهيدروجين من SiH4 و H2 الغازات محاصرين بين ذرات السيليكون، مما أدى إلى فيلم A-Si:H. هناك طريقتان لتعريف أنماط A-Si:H. الأول هو ترسب A-Si:H على مقاومة ضوئية منقوشة، تليها عملية الإقلاع، والآخر عن طريق تعريف قناع النقش على فيلم A-Si:H، تليها عملية النقش. الأول هو مناسب تماما لعمليات التبخر، ولكن ليس من السهل إيداع فيلم A-Si:H باستخدام التبخر. وبالتالي، فإن هذا الأخير هو الطريقة المثلى لجعل أنماط A-Si:H. يستخدم Cr كمادة قناع النقش بسبب انتقائية النقش عالية مع السيليكون.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تصنيع سطح التعريف العازل
- التنظيف المسبق لالركيزة السيليكا المنصهرة
- إعداد مزدوج الجانب المصقول، والركيزة السيليكا تنصهر (الطول: 2 سم؛ العرض: 2 سم؛ سمك: 500 درجة مئوية).
- تزج الركيزة السيليكا تنصهر في 50 مل من الأسيتون وإجراء عملية sonication لمدة 5 دقائق في 40 كيلو هرتز.
- تزج الركيزة في 50 مل من 2-بروبانول (IPA) وإجراء عملية سونيكيشن لمدة 5 دقائق في 40 كيلو هرتز.
- شطف الركيزة مع IPA وضربة النيتروجين(N 2) الغاز لتجفيف الركيزة قبل تبخر IPA.
- ترسيب من [أ-س]: [ه] ب [بكفد]
- حدد موقع الركائز المعدة على متعرج داخل غرفة تأمين التحميل من نظام PECVD.
- على برنامج PECVD، تعيين درجة حرارة الغرفة إلى 300 درجة مئوية وتعيين قوة التردد اللاسلكي إلى 800 W.
- تعيين معدل تدفق الغاز SiH4 إلى 10 سم مكعب ومعدل تدفق الغاز H2 إلى 75 سم مكعب.
- تعيين ضغط العملية إلى 25 mTorr. انقر فوق الزر ابدأ لبدء عملية الترسيب، والتي تستغرق ~300 s.
- تشكيل قناع النقش Cr
- تحميل العينة التي تم الحصول عليها من الخطوة 1.2.4 على حامل عينة من المغطي تدور. الإفراج عن بولي (ميثاكريلات الميثيل) (PMMA) A2 على العينة باستخدام حقنة 5 مل محمولة على فلتر وبدء عملية الطلاء مع سرعة دوران 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
ملاحظة: PMMA المفرج عنها يجب أن تغطي الركيزة بأكملها; وإلا، فإن الفيلم تدور المغلفة لن تكون موحدة. - نقل العينة من حامل العينة إلى لوحة ساخنة، وخبز العينة مع لوحة ساخنة في 180 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. ثم، تبريد العينة في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 دقيقة.
- تحميل العينة على حامل عينة من المغطي تدور. الافراج عن E-فاصل على العينة، وذلك باستخدام ماصة 1 مل، وبدء عملية الطلاء مع سرعة دوران من 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
ملاحظة: يجب أن يغطي الحيز الإلكتروني المفرج عنه الركيزة بأكملها؛ وإلا، فإن الفيلم تدور المغلفة لن تكون موحدة. - تحميل وإصلاح العينة على متعرج لEBL. وضع متعرج في غرفة EBL، وبعد ذلك، تحميلها في الغرفة الرئيسية.
- في وحدة تحكم EBL، اضغط على زر العزل، ثم الزر FC. تعيين التكبير إلى قيمته القصوى باستخدام مقبض التكبير.
- قم بتشغيل الزر صفر الاختيار. بدوره مقبض شعاع الحالي لتعيين قيمة شعاع الحالي إلى 50 pA. قم بإيقاف تشغيل الزر صفر الاختيار.
- اضغط على الزر المرجعي لنقل المرحلة إلى الموضع المرجعي. قم بإيقاف تشغيل الزر فارغ.
- تعيين قيمة التكبير إلى 100,000 باستخدام مقبض التكبير. اضبط مقابض التركيز والوصم للحصول على أوضح صورة في شاشة EBL. قم بتشغيل الزر فارغ.
- على الكمبيوتر المتصل بوحدة تحكم EBL تشغيل محطة Linux. نقل الموقع الحالي إلى المجلد الذي يحتوي على ملف .gds باستخدام الأمر cd.
- أدخل gds2cel لتحويل ملف .gds إلى ملف .cel وانتظر حتى ينتهي. أدخل مهمة لتشغيل البرنامج الرئيسي.
- انقر فوق القائمة تعديل حجم الشريحة. حدد 600 ميكرومتر × 600 ميكرومتر و 240,000 نقطة. انقر فوق حفظ ثم قم بإنهاء.
- انقر فوق القائمة إنشاء بيانات النقش. أدخل ps في إطار الأوامر لتحميل ملف .cel النقش الذي تم إنشاؤه من الخطوة 1.3.10. أدخل i في إطار الأوامر وانقر فوق النقش لتكبير صورة النقش.
- أدخل SD في إطار الأوامر و 3 لتعيين وقت الجرعة إلى 3 μs. أدخل sp في إطار الأوامر و 1,1 لتعيين الملعب تعريض إلى حالة طبيعية. أدخل الكمبيوتر في إطار الأوامر واسم ملف لإنشاء ملف .ccc. انقر فوق مركز النقش.
- أدخل cp في إطار الأوامر ثم انقر فوق النقش لتطبيق شروط الكشف من الخطوة 1.3.13. أدخل sv في إطار الأوامر واسم ملف لإنشاء ملف .con. أدخل q في إطار الأوامر لإنهاء القائمة إنشاء بيانات النقش.
- انقر فوق القائمة التعرض. أدخل i و اسم الملف .con من الخطوة 1.3.14. أدخل e وانقر على زر التعرض لبدء عملية الكشف.
ملاحظة: يعتمد وقت الكشف على منطقة النمط والكثافة. أنماط سطح التعريف العامة من مساحة 300 ميكرومتر × 300 ميكرومتر تأخذ ~ 3 ساعة. - عند انتهاء عملية الكشف، قم بإيقاف تشغيل الزر عزل. اضغط على زر EX لتحريك المرحلة.
- تفريغ العينة من الغرفة بعد الانتهاء من التعرض. تزج العينة في 50 مل من الماء منزوع الأيونات (DI) لمدة دقيقة واحدة لإزالة E-المسافة.
- إعداد 10 مل من ميثيل إيزوبوتيل كيتون (MIBK): IPA = 1:3 الحل في كوب محاط بالجليد. تزج العينة في MIBK: IPA = 1:3 الحل لمدة 12 دقيقة. ثم، شطف العينة مع IPA وضربة الغاز N2 لتجفيف العينة.
- تحميل وإصلاح العينة على حامل المبخر شعاع الإلكترون. جبل حامل داخل غرفة المبخر.
- تحميل الجرافيت بوتقة تحتوي على قطعة من نوع Cr داخل غرفة التبخر.
- على برنامج المبخر شعاع الإلكترون، انقر فوق زر ضخ الغرفة لخلق فراغ في داخل الغرفة، وخفض الضغط إلى 3 × 10-6 mTorr.
- حدد الكروم في قسم المواد وانقر على زر المواد لتطبيقه. انقر فوق زر مصراع الحزمة الإلكترونية لفتح مصراع المصدر. انقر فوق الجهد العالي وزر المصدر، بهذا الترتيب.
- انقر فوق زر السهم التصاعدي لزيادة قوة شعاع الإلكترون ببطء، وكرر هذا حتى يصل معدل الترسيب إلى 0.15 نانومتر/ ث.
ملاحظة: نقرة واحدة لكل 5 s بطيئة بما فيه الكفاية. - انقر فوق الزر صفر لإعادة تعيين مقياس السمك. انقر على زر الغالق الرئيسي لفتح الغالق الرئيسي. عندما يصل مقياس سمك 30 نانومتر، انقر فوق زر الغالق الرئيسي لإغلاق الغالق الرئيسي.
ملاحظة: يمكن حساب وقت الترسيب بسهولة من معدل الترسيب. ترسب سمكه 30 نانومتر يأخذ ~ 200 s، في الحالة المستخدمة هنا. - انقر فوق زر مصراع الحزمة الإلكترونية لإغلاق مصراع المصدر. انقر فوق زر السهم لأسفل لتقليل قوة شعاع الإلكترون ببطء، وكرر هذا حتى تصل الطاقة إلى 0.
ملاحظة: نقرة واحدة لكل 5 s بطيئة بما فيه الكفاية. - انقر فوق المصدر ثم الزر الجهد العالي. انتظر لمدة 15 دقيقة لتبريد الغرفة. انقر على زر تنفيس الغرفة وتفريغ العينة من حامل.
- تزج العينة في 50 مل من الأسيتون لمدة 3 دقائق. شطف العينة مع IPA وضربة الغاز N2 لتجفيف العينة.
- تحميل العينة التي تم الحصول عليها من الخطوة 1.2.4 على حامل عينة من المغطي تدور. الإفراج عن بولي (ميثاكريلات الميثيل) (PMMA) A2 على العينة باستخدام حقنة 5 مل محمولة على فلتر وبدء عملية الطلاء مع سرعة دوران 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
- عملية النقش من A-Si:H
- نشر الغراء الحراري إلى الجزء الخلفي من العينة. إرفاق العينة على متعرج وتحميل متعرج على نظام النقش.
- على البرنامج، تعيين الكلور (Cl2)معدل تدفق الغاز إلى 80 سم مكعب ومعدل تدفق الغاز بروميد الهيدروجين (HBr) إلى 120 سم مكعب. تعيين الطاقة المصدر إلى 500 W والتحيز إلى 100 V. انقر فوق زر ابدأ لبدء عملية النقش ل100 s.
- تفريغ العينة وإزالة الغراء الحراري مع ممسحة الغبار.
- تزج العينة في 20 مل من Cr etchant لمدة 2 دقيقة وفي 50 مل من المياه DI لمدة 1 دقيقة.
- الحصول على صورة المجهر الإلكتروني المسح الضوئي من سطح التعريف ملفقة
- تحميل العينة على حامل العينة من المغطي تدور، والإفراج عن E-فاصل على العينة باستخدام ماصة 1 مل، وبدء عملية الطلاء مع سرعة دوران من 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
- إصلاح العينة على حامل العينة من المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM)، وذلك باستخدام شريط الكربون. وضع حامل في غرفة قفل الحمل من SEM وخلق فراغ في غرفة قفل الحمل.
- نقل حامل من غرفة قفل الحمل إلى الغرفة الرئيسية. تشغيل شعاع الإلكترون مع الجهد تسارع 15 كيلو فولت.
- نقل المرحلة إلى مسافة عمل 1 سم. ابحث عن سطح التعريف عن طريق تحريك المرحلة أفقياً. ضبط الوصمة والبعد البؤري حتى تصبح الصورة واضحة.
- التقط الصور.
- أطفئ شعاع الإلكترون نقل المرحلة إلى موقف استخراج. نقل حامل من الغرفة الرئيسية إلى غرفة قفل الحمل.
- تنفيس غرفة قفل الحمل وتفريغ العينة.
- تزج العينة في 50 مل من المياه DI لمدة دقيقة واحدة لإزالة E-فاصل. ضربة الغاز N2 لتجفيف العينة.
2. التوصيف البصري للسطح النقيلي
ملاحظة: الإشعاع المباشر من الليزر يمكن أن تضر العينين. تجنب التعرض المباشر للعين وارتداء نظارات السلامة الليزر المناسبة.
- جبل ليزر 635 نانومتر الطول الموجي على الطاولة البصرية (الشكل1a). تشغيل الليزر وانتظر لمدة 10 دقائق لتثبيت قوة الحزمة.
- ضبط المحاذاة الأفقية والرأسية للليزر باستخدام شاشة محاذاة قريبة وبعيدة عن الليزر.
- ضع مرشح كثافة محايد أمام الليزر. قم بتركيب العدسة المحدبة الأولى خلف فلتر الكثافة المحايد. ضع قزحية في الجزء الخلفي من البؤرة البؤرية للعدسة المحدبة لإزالة الضوضاء.
- قم بتركيب العدسة المحدبة الثانية مع ضعف البعد البؤري من العدسة المحدبة الأولى. ضع المستقطب الخطي خلف العدسة المحدبة الثانية. وضع مستقطب دائري اليد اليمنى وراء الاستقطاب الخطي.
- قم بتركيب العدسة المحدبة الثالثة خلف المستقطب الدائري. قم بتركيب سطح التعريف الملفق على الحامل. حدد موقع سطح التعريف في المستوى البؤري الخلفي للعدسة المحدبة.
ملاحظة: يجب أن يكون شعاع الليزر الحادث من الركيزة إلى المنطقة المنقوشة. - ضع شاشة سميكة من الورق الأبيض، والتي تحتوي على ثقب قطره 1 سم في الوسط، خلف سطح التعريف. قم بتركيب منقلة على الجدول البصري محاذاة الأصل مع سطح التعريف.
- قياس قوة الحزم الثلاثة المنكسرة، والتي هي ثلاثة بقع مشرقة على الشاشة، وذلك باستخدام مقياس الطاقة.
ملاحظة: إذا لم يتم الحفاظ على قوة شعاع الليزر في ثابت، حساب متوسط قوة الحزمة على مدى فترة من الزمن. - استبدل المستقطب الدائري الأيمن بمستقطب دائري أعسر. قياس القوى شعاع مختلفة الثلاث، وذلك باستخدام متر الطاقة.
- إزالة المستقطب الدائري الأيسر. قياس ثلاث قوى شعاع متباعدة، وذلك باستخدام متر الطاقة.
- تقليل قوة شعاع الليزر، وذلك باستخدام مرشح الكثافة المحايدة للسماح بقياس CCD. ضع المستقطب الدائري الأيمن. التقاط التشكيلات الجانبية الثلاثة للشعاع المنكسر باستخدام اتفاقية مكافحة التصحر.
ملاحظة: يفضل ضعف قوة شعاع الليزر، لمنع الضرر CCD. وقد استخدمت قوة شعاع 300 درجة مئوية في هذا العمل. - استبدل المستقطب الدائري الأيمن بالمستقطب الدائري الأيسر. التقاط التشكيلات الجانبية الثلاثة للشعاع، باستخدام اتفاقية مكافحة التصحر.
- إزالة المستقطب الدائري الأيسر. التقاط التشكيلات الجانبية الثلاثة للشعاع، باستخدام اتفاقية مكافحة التصحر.
- استبدال الليزر 635 نانومتر الطول الموجي مع ليزر 532 نانومتر الطول الموجي.
- كرر الخطوات من 2.2 إلى 2.12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تظهر نتائج القياس وظيفة الاستقطاب المستقلة للجهاز المعروضهنا (الشكل 1). تكون قوى الحزمة المقاسة لأوامر الانعراج m = ± 1 متساوية بغض النظر عن حالة استقطاب الحوادث (أي RCP وLCP والاستقطاب الخطي). وبما أن أي حالات استقطاب تعسفية يمكن أن تتحلل بالمزيج الخطي من RCP وLCP، يمكن الحفاظ على وظيفة الجهاز، بغض النظر عن حالات الاستقطاب. زوايا الانعراج هي 24 درجة و 28.5 درجة للأطوال الموجية من 532 نانومتر و 635 نانومتر، على التوالي، ويمكن التحكم في الزوايا عن طريق تغيير الهولوغرام المشفرة.
يتم تعريف كفاءة الانعراج بنسبة قوى الحزمة المنكسرة (m = ± 1) إلى قوة شعاع الحادث. يتكون الجهاز المعروض هنا من نانورود اتّجاهات مختلفة ذات توجهات مختلفة استناداًإلى عملية النطاق العريض الناتجة عن المرحلة الهندسية (الشكل 2). من الناحية النظرية، ينبغي أن تكون الكفاءة أعلى من 20٪ لكلا الطول الموجي. ومع ذلك، فإن كفاءة الانعراج المقاسة هي 18.3٪ في = 532 نانومتر و 9.1٪ في = 635 نانومتر. ويأتي التباين أساسا من حجم شعاع كونها أكبر من سطح البحر نفسه. تظهر الملامح المقاسة لشعاع الشعاع الصفري بوضوح أن حجم شعاع الحادث أكبر من سطح التعريف (أي أن الجزء الزائد من شعاع الحادث ينتقل مباشرة إلى مقياس الطاقة دون التفاعل مع سطح التعريف، مما يقلل من الانعراج الكفاءة)(الشكل 3).
الشكل 1: قياس قوة الحزمة المنكسرة. (أ) الإعداد البصري لإضاءة الليزر. وتظهر اللوحتان التاليتان قوة الحزمة المقاسة (ب) في = 532 نانومتر و (ج) عند 635 نانومتر. وبما أن قوة شعاع الليزر لم تكن متسقة، فإن قوى الحزمة المقاسة تُحسب بالقيم المسجلة التي تُحسب في المتوسط الزمني. تمثل أشرطة الخطأ في الشكل القيم القصوى والدنيا أثناء وقت التسجيل. تم تعديل هذا الرقم من Yoon et al.10. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: صور SEM للسطح الفوقي الملفق. (أ) عرض علوي للسطح الفوقي. (دخول) هندسة خلية الوحدة: الطول (L) = 150 نانومتر، العرض (W) = 80 نانومتر، الارتفاع (H) = 300 نانومتر، والملعب (P) = 240 نانومتر. (ب) وجهة نظر منظور سطح التعريف. تم تعديل هذا الرقم من Yoon et al.10. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: تم التقاط ملامح الحزمة بواسطة اتفاقية مكافحة التصحر التي اتخذت 14 سم خلف سطح البحر. ويمكن تقدير أقطار الحزمة بحوالي 3 مم في = 532 نانومتر وحوالي 5 مم في = 635 نانومتر. والزوايا المتباينة للشعاع المقابلة هي حوالي 2.5 درجة و4.1 درجة على التوالي. ملامح شعاع القبض لديها بقع الليزر، ولكن يمكن إزالتها من قبل الناشرون1 أو دامان صريف 3،15. تم تعديل هذا الرقم من Yoon et al.10. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يجب إجراء بعض خطوات التصنيع بعناية، لإنشاء سطح تصاصي هو نفس التصميم الأصلي. في عملية التنمية مقاومة، ويفضل عادة حل درجة حرارة منخفضة. الشرط القياسي هو درجة حرارة الغرفة، ولكن يمكن إبطاء سرعة رد الفعل عن طريق خفض درجة حرارة الحل إلى 0 درجة مئوية. على الرغم من أن وقت رد الفعل المقابل يصبح أطول، يمكن الحصول على نمط أدق من مع الشروط القياسية. كما أن التحكم في وقت رد الفعل سهل أيضًا بسبب انخفاض سرعة التفاعل. خطوة حاسمة أخرى لنمط غرامة هو تجفيف IPA بعد التنمية مقاومة. يتحرك الغاز N2 ويتبخر بقية IPA على العينة. لا تتحرك كمية معينة من IPA، وخلق الجزر الموزعة عشوائيا. إذا تم تشكيل جزر IPA ثم تبخرت، سيتم تلف العينة. لذلك، للحد من تشكيل جزيرة IPA، تهب قوية أفضل من تهب ضعيفة، إلا إذا تم كسر الركيزة من قبل تدفق الهواء قوية. قوة مناسبة من sonication مفيد لقشر بوضوح قبالة الفيلم رقيقة. بعد خطوة الإقلاع، من الممكن التحقق مما إذا كان الفيلم الرقيق يقشر بوضوح أم لا باستخدام المجهر البصري التقليدي. لحسن الحظ، إذا كان أي فيلم رقيقة Cr لا يزال على المنطقة منقوشة، فمن الممكن لإزالة بقايا من قبل عملية sonication إضافية. هذا هو ميزة كبيرة من قناع Cr، لأن أقنعة مصنوعة من مواد أخرى، مثل الذهب، من الصعب للغاية لإزالة مرة واحدة يجف بقايا.
EBL هو وسيلة فعالة لتصنيع هياكل النانو، ولكن هذا الأسلوب يعاني من انخفاض الإنتاجية، مما يؤدي إلى التصنيع على نطاق واسع. إحدى الطرق لتحسين الإنتاجية هي عن طريق صنع قوالب رئيسية، وذلك باستخدام EBL، وطباعة النمط باستخدام القالب الرئيسي. وتسمى هذه الطريقة الطباعة الحجرية nanoimprint. على الرغم من أن تصنيع القالب باستخدام EBL يستغرق وقتا طويلا، والنتيجة هي أنه يمكن نقل أنماط في وقت قصير، وذلك باستخدام القالب الذي يمكن استخدامه مرارا وتكرارا. وعلاوة على ذلك، من الممكن أيضا نقل النمط إلى الركيزة المرنة عن طريق تعديل عمليات الطباعة.
في هذا العمل، نقدم عملية مفصلة لتصنيع الأسطح النقية. لا تقتصر الطريقة على تطبيق الفواصل شعاع; يمكن تحقيق تطبيقات سطح التعريف الأخرى، مثل العدسات والهولوغرامات والعباءات البصرية، من خلال هذه الطريقة. وبالمقارنة مع الأسطح البلازموية، توفر الأسطح النقيلية كفاءة أعلى بكثير في الأطوال الموجية المرئية بسبب انخفاض الخسائر البصرية للعازلات. وبالتالي، فإن هذا البروتوكول يمكن أن يمهد الطريق لدراسة وتطوير الأسطح الفوقية العملية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
ويدعم هذا العمل ماليا من قبل مؤسسة البحوث الوطنية المنح (NRF-2019R1A2C3003129، CAMM-2019M3A6B303037، NRF-2018M3D1A1058998، NRF-2015R1A5A1037668) بتمويل من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (MSIT)، جمهورية كوريا.
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).
