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Engineering

डिइलेक्ट्रिक मेटासर्फेस द्वारा समान तीव्रता बीम पीढ़ी का प्रदर्शन

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

परावैद्युत मेटासर्फेस के निर्माण और ऑप्टिकल अभिरूपण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है। इस विधि न केवल बीम splitters के निर्माण के लिए लागू किया जा सकता है, लेकिन यह भी सामान्य परावैद्युत metasurfaces, जैसे लेंस, होलोग्राम, और ऑप्टिकल क्लोक के रूप में.

Abstract

एक मेटासर्फ़ बीम विभाजक के लिए निर्माण और विशेषता प्रोटोकॉल, समान तीव्रता बीम पीढ़ी को सक्षम करने, प्रदर्शन किया है। हाइड्रोजनीकृत अक्रिस्टलीय सिलिकॉन (ए-सी:एच) प्लाज्मा-एन्हांस्ड रासायनिक वाष्प निक्षेप (पीईसीवीडी) का उपयोग करके, फ्यूज सिलिका सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। वाष्पीकरण द्वारा जमा ठेठ अक्रिस्टलीय सिलिकॉन गंभीर ऑप्टिकल हानि का कारण बनता है, दृश्य आवृत्तियों पर आपरेशन imping. अक्रिस्टलीय सिलिकॉन पतली फिल्म के अंदर हाइड्रोजन परमाणुओं संरचनात्मक दोषों को कम कर सकते हैं, ऑप्टिकल नुकसान में सुधार. दृश्य आवृत्तियों में मेटासर्फेस के संचालन के लिए कुछ सैकड़ों नैनोमीटरों की नैनोस्ट्रक्चर की आवश्यकता होती है। विवर्तन सीमा के कारण ऐसी छोटी संरचनाओं को तैयार करते समय परम्परागत फोटोलिथोग्राफी या प्रत्यक्ष लेजर लेखन संभव नहीं है। अतः इलेक्ट्रॉन किरण पुंज लिथोग्राफी (ईबीएल) का उपयोग पतली फिल्म पर क्रोमियम (ब्र) मास्क को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, उजागर विरोध रासायनिक प्रतिक्रिया को धीमा और पैटर्न किनारों तेज बनाने के लिए एक ठंडे तापमान पर विकसित की है। अंत में, ए-सी:एच मुखौटा के साथ etched है, आगमनात्मक युग्मित प्लाज्मा-प्रतिक्रियाशील आयन etching (आईसीपी-आरईआई) का उपयोग कर। EBL के कम थ्रूपुट के कारण बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए प्रदर्शन विधि संभव नहीं है, लेकिन इसे नैनोछाप लिथोग्राफी के साथ संयोजन करके सुधार किया जा सकता है। गढ़े डिवाइस एक लेजर, polarizer, लेंस, बिजली मीटर, और चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) से मिलकर एक अनुकूलित ऑप्टिकल सेटअप की विशेषता है. लेजर तरंगदैर्ध्य और ध्रुवण को बदलकर विवर्तन गुणगुणों को मापा जाता है। मापा diffracted बीम शक्तियों हमेशा बराबर हैं, घटना ध्रुवीकरण की परवाह किए बिना, साथ ही तरंगदैर्ध्य.

Introduction

दो आयामी subwavelength एंटीना सरणियों से मिलकर Metasurfaces कई आशाजनक ऑप्टिकल कार्यक्षमताओं का प्रदर्शन किया है, इस तरह के रंगीन लेंस के रूप में1,2, होलोग्राम3,4,5 ,6, और ऑप्टिकल लबादा7. पारंपरिक भारी ऑप्टिकल घटकों ultrathin metasurfaces के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जबकि मूल functionalities को बनाए रखने. उदाहरण के लिए, एक बीम विपाटक एक ऑप्टिकल डिवाइस दो बीम में एक घटना बीम अलग करने के लिए प्रयोग किया जाता है। ठेठ बीम splitters दो त्रिकोणीय प्रिज्म के संयोजन के द्वारा किया जाता है. चूंकि उनके इंटरफ़ेस विशेषताओं बीम बंटवारे गुण निर्धारित करते हैं, यह कार्यात्मक गिरावट के बिना शारीरिक आकार को कम करने के लिए मुश्किल है. दूसरी ओर, अल्ट्राथिन बीम स्प्लिटर्स को एक आयामी रैखिक प्रावस्था प्रवणता8,9 के साथ इनकोडिंग मेटासर्फेस के साथ महसूस किया जा सकताहै। metasurfaces की मोटाई उनके काम तरंगदैर्ध्य से कम है, और जुदाई गुण चरण वितरण द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है.

हमने एक मेटासर्फर बीम विभाजक तैयार किया है जो घटना ध्रुवण राज्यों10की परवाह किए बिना समान तीव्रता बीम उत्पन्न कर सकता है। यह विशेषता एक फूरिये होलोग्राम से आता है. एक काली पृष्ठभूमि पर दो सफेद धब्बे की छवि के कारण, metasurface से उत्पन्न होलोग्राम इनकोडिंग छवि के रूप में ही है. फूरिये होलोग्राम एक विशिष्ट फोकल लंबाई नहीं है, तो इनकोडिंग छवि मेटासर्फ11के पीछे पूरे अंतरिक्ष में मनाया जा सकता है. एक ही दो जगह छवि metasurface के पीछे उत्पन्न होता है, तो यह भी एक बीम विभाजक के रूप में काम करता है. मेटासर्फर द्वारा फूरिये होलोग्राम एक उल्टे छवि बनाता है, जिसे ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण राज्यों के संबंध में एक जुड़वां छवि कहा जाता है। जुड़वां छवि आम तौर पर शोर के रूप में माना जाता है. हालांकि, इस मेटासर्फमेंड में इनकोडिंग दो-स्पॉट छवि मूल-सममित है, जिसके परिणामस्वरूप मूल और जुड़वां छवियों का एक पूर्ण ओवरलैप होता है। चूंकि किसी भी ध्रुवीकरण राज्यों दाएँ हाथ (आरसीपी) और बाएँ हाथ (LCP) परिपत्र polarizations के एक रैखिक संयोजन द्वारा प्रतिनिधित्व किया जा सकता है, यहाँ वर्णित डिवाइस ध्रुवीकरण स्वतंत्र कार्यक्षमता से पता चलता है.

यहाँ, हम परावैद्युत मेटासर्फेस के निर्माण और ऑप्टिकल विशेषता के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं जिससे समान तीव्रता बीम पीढ़ी सक्षम होती है। इस उपकरण का चरण वितरण जर्चबर्ग-सैक्सन (जी एस) एल्गोरिथ्म से प्राप्त किया जाता है, जिसका उपयोग आम तौर पर चरण-केवल होलोग्राम12के लिए किया जाता है। ए-सी: 300 एनएम मोटी की एच PECVD का उपयोग कर, जुड़े सिलिका सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। एक Cr मास्क A-Si:H फिल्म पर परिभाषित किया गया है, EBL का उपयोग कर. मास्क पैटर्न जीएस एल्गोरिथ्म से व्युत्पन्न चरण वितरण से मेल खाती है। आईसीपी-आरईई का शोषण सीआर मास्क के साथ ए-सी:एच फिल्म को etch करने के लिए किया जाता है। सीआर मास्क के बाकी नमूने के निर्माण को अंतिम रूप देने के लिए सीआर etchant द्वारा हटा दिया जाता है। गढ़े metasurface के ऑप्टिकल कार्यक्षमता एक अनुकूलित ऑप्टिकल सेटअप का उपयोग कर विशेषता है। जब एक लेजर बीम मेटासर्फर के लिए घटना है, संचारित बीम तीन भागों में विभाजित है, अर्थात् दो diffracted बीम और एक शून्य क्रम बीम. विवर्तित बीम घटना बीम पथ के विस्तार से विचलित होते हैं जबकि शून्य क्रम बीम इसका अनुसरण करता है। इस डिवाइस की कार्यक्षमता को सत्यापित करने के लिए, हम क्रमशः एक शक्ति मीटर, सीसीडी, और प्रोट्रैक्टर का उपयोग कर बीम शक्ति, बीम प्रोफ़ाइल, और diffracted कोण मापा।

सभी निर्माण प्रक्रियाओं और सामग्री का इस्तेमाल किया लक्ष्य कार्यक्षमता के लिए अनुकूलित कर रहे हैं. दृश्य काम कर आवृत्तियों के लिए, व्यक्तिगत एंटीना आकार नैनोमीटर के कुछ सैकड़ों होना चाहिए, और सामग्री ही दिखाई तरंगदैर्ध्य पर एक कम ऑप्टिकल हानि होनी चाहिए. ऐसी छोटी संरचनाओं को परिभाषित करते समय केवल कुछ प्रकार के निर्माण विधियों पर लागू होते हैं। विशिष्ट फोटोलिथोग्राफी, साथ ही प्रत्यक्ष लेजर लेखन, विवर्तन सीमा के कारण निर्माण में असमर्थ हैं। केंद्रित आयन बीम मिलिंग इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन गैलियम संदूषण के महत्वपूर्ण मुद्दे हैं, पैटर्न डिजाइन निर्भरता, और धीमी प्रक्रिया की गति. व्यावहारिक रूप से, EBL दृश्य आवृत्तियों13पर काम कर रहे metasurfaces के निर्माण की सुविधा के लिए एक ही रास्ता है.

Dielectrics आमतौर पर धातुओं की अपरिहार्य ओहिक हानि के कारण पसंद कर रहे हैं. एक-Si:H के ऑप्टिकल नुकसान हमारे उद्देश्य के लिए काफी कम है. हालांकि एक-Si के ऑप्टिकल नुकसान के रूप में कम हानि इस तरहके टाइटेनियम डाइऑक्साइड 1,4 और क्रिस्टलीय सिलिकॉन14के रूप में कम के रूप में नहीं है, एक-Si:H का निर्माण बहुत आसान है। ठेठ वाष्पीकरण और sputtering प्रक्रियाओं एक ए-सी:एच फिल्म के जमा करने में सक्षम नहीं हैं। PECVD आमतौर पर आवश्यक है. पीईसीवीडी प्रक्रिया के दौरान, सीएच4 और एच2 गैसों से कुछ हाइड्रोजन परमाणु सिलिकॉन परमाणुओं में फंस जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ए-सी:एच फिल्म होती है। a-Si:H पैटर्न को परिभाषित करने के दो तरीके हैं। एक है ए-सी:एच का एक पैटर्न वाले फोटो-रिसिस्ट पर, उसके बाद लिफ्ट-ऑफ प्रक्रिया पर, और दूसरा ए-सी:एच फिल्म पर एक नक़्श मास्क को परिभाषित करके है, जिसके बाद निक्षालन प्रक्रिया होती है। पूर्व वाष्पीकरण प्रक्रियाओं के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है, लेकिन यह वाष्पीकरण का उपयोग कर एक-Si:H फिल्म जमा करने के लिए आसान नहीं है। इसलिए, उत्तरार्द्ध एक-Si:H पैटर्न बनाने के लिए इष्टतम तरीका है। सीआर सिलिकॉन के साथ अपनी उच्च उत्कीर्णन चयनात्मकता की वजह से उत्कीर्णन मुखौटा सामग्री के रूप में प्रयोग किया जाता है।

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Protocol

1. परावैद्युत मेटासर्फर का निर्माण

  1. एक संगलित सिलिका सब्सट्रेट की पूर्वसफाई
    1. एक डबल साइड पॉलिश, संगलित सिलिका सब्सट्रेट (लंबाई: 2 सेमी; चौड़ाई: 2 सेमी; मोटाई: 500 डिग्री)।
    2. एसीटोन के 50 एमएल में जुड़े सिलिका सब्सट्रेट विसर्जित कर दिया और 40 kHz पर 5 मिनट के लिए sonication प्रक्रिया का संचालन।
    3. 2-प्रोपेनोल (आईपीए) के 50 एमएल में सब्सट्रेट विसर्जित कर दिया और 40 kHz पर 5 मिनट के लिए sonication प्रक्रिया का संचालन।
    4. आईपीए के वाष्पीकरण से पहले सब्सट्रेट को सुखाने के लिए आईपीए के साथ सब्सट्रेट कुल्ला और नाइट्रोजन (एन2) गैस उड़ा।
  2. एक-Si का जमाव:H PECVD द्वारा
    1. तैयार substrates PECVD प्रणाली के लोड ताला कक्ष के अंदर एक zig पर पता लगाएँ.
    2. PECVD सॉफ्टवेयर पर, 300 डिग्री सेल्सियस के लिए कक्ष तापमान सेट और 800 डब्ल्यू करने के लिए रेडियो आवृत्ति शक्ति सेट.
    3. 10 sccm और 75 sccm करने के लिए एच2 गैस प्रवाह दर SiH4 गैस प्रवाह दर निर्धारित करें।
    4. प्रक्रिया दबाव को 25 mTorr पर सेट करें। जमा प्रक्रिया है, जो $ 300 s लेता है प्रारंभ करने के लिए प्रारंभ करें बटन क्लिक करें।
  3. क्रॉचिंग मास्क का गठन
    1. स्पिन कोटर के नमूना धारक पर चरण 1.2.4 से प्राप्त नमूना लोड करें। एक फिल्टर घुड़सवार 5 एमएल सिरिंज का उपयोग कर नमूने पर पाली (मेथिल मेथाक्रिलेट) (पीएमएमए) A2 रिलीज और 1 मिनट के लिए 2,000 आरपीएम की रोटेशन की गति के साथ कोटिंग प्रक्रिया शुरू करते हैं।
      नोट: जारी PMMA पूरे सब्सट्रेट को कवर करना चाहिए; अन्यथा, स्पिन लेपित फिल्म एक समान नहीं होगी।
    2. नमूना धारक से एक गर्म थाली के लिए नमूना स्थानांतरण, और 5 मिनट के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली के साथ नमूना सेंकना. फिर, 1 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर नमूना ठंडा.
    3. स्पिन कोटर के नमूना धारक पर नमूना लोड करें। एक 1 एमएल पिपेट का उपयोग कर, नमूना पर ई-स्पेसर रिलीज, और 1 मिनट के लिए 2,000 आरपीएम की रोटेशन गति के साथ कोटिंग प्रक्रिया शुरू करते हैं।
      नोट: जारी ई-स्पेसर पूरे सब्सट्रेट को कवर करना चाहिए; अन्यथा, स्पिन लेपित फिल्म एक समान नहीं होगी।
    4. लोड और EBL के लिए zig पर नमूना तय. EBL कक्ष में zig रखो और, फिर, यह मुख्य कक्ष में लोड.
    5. EBL कंसोल पर, आइसोलेशन बटन दबाएँ और, फिर, FC बटन. आवर्धन घुंडी का उपयोग कर अपने अधिकतम मूल्य के लिए आवर्धन सेट.
    6. शून्य जाँच बटन चालू करें. बीम वर्तमान मूल्य 50 pA करने के लिए सेट करने के लिए बीम वर्तमान घुंडी मुड़ें। शून्य जाँच बटन बंद करें.
    7. अवस्था को संदर्भ स्थिति में ले जाने के लिए संदर्भ बटन दबाएँ. रिक्त बटन बंद करें.
    8. आवर्धन घुंडी का उपयोग कर 100,000 करने के लिए आवर्धन मूल्य निर्धारित करें. EBL प्रदर्शन में स्पष्ट छवि प्राप्त करने के लिए ध्यान और कलंकknobs समायोजित करें. रिक्त बटन चालू करें.
    9. EBL कंसोल से कनेक्ट कंप्यूटर पर, Linux टर्मिनल चलाएँ। CD आदेश का उपयोग करके वर्तमान स्थान को उस फ़ोल्डर में ले जाएँ जिसमें .gds फ़ाइल है.
    10. .gds फ़ाइल को .cel फ़ाइल में कनवर्ट करने के लिए gds2cel दर्ज करें और इसे पूरा होने तक प्रतीक्षा करें. मुख्य सॉफ़्टवेयर चलाने के लिए कार्य दर्ज करें.
    11. चिप आकार संशोधन मेनू क्लिक करें. 600 डिग्री मी x 600 मीटर और 240,000 डॉट्सका चयन करें। सहेजें क्लिक करें और फिर बाहर निकलें.
    12. प्रतिमान डेटा निर्माण मेनू क्लिक करें. चरण 1.3.10 से जनरेट की गई प्रतिमान .cel फ़ाइल को लोड करने के लिए आदेश विंडो में ps दर्ज करें. मैं आदेश विंडो में दर्ज करें और पैटर्न छवि बढ़ाना करने के लिए पैटर्न पर क्लिक करें.
    13. आदेश विंडो में sd दर्ज करें और 3 खुराक समय 3 $s करने के लिए सेट करने के लिए। एक सामान्य स्थिति के लिए उजागर पिच सेट करने के लिए आदेश खिड़की और 1,1 में एसपी दर्ज करें। .ccc फ़ाइल बनाने के लिए आदेश विंडो और एक फ़ाइल नाम में pc दर्ज करें. प्रतिमान के केंद्र पर क्लिक करें.
    14. आदेश विंडो में सीपी दर्ज करें और चरण 1.3.13 से उजागर शर्तों को लागू करने के लिए पैटर्न पर क्लिक करें। आदेश विंडो और एक .con फ़ाइल बनाने के लिए एक फ़ाइल नाम में sv दर्ज करें। प्रतिमान डेटा निर्माण मेनू से बाहर निकलने के लिए आदेश विंडो में ु दर्ज करें.
    15. एक्सपोजर मेनू पर क्लिक करें. चरण 1.3.14 से i और .con फ़ाइल नाम दर्ज करें. ई दर्ज करें और उजागर प्रक्रिया शुरू करने के लिए एक्सपोजर बटन पर क्लिक करें।
      नोट: उजागर समय पैटर्न क्षेत्र और घनत्व पर निर्भर करता है. 300 डिग्री मी ग 300 डिग्री मीटर क्षेत्र के सामान्य मेटासर्फर पैटर्न $3 ज लेते हैं।
    16. जब उजागर प्रक्रिया खत्म हो जाती है, तो आइसोलेशन बटन बंद कर देते हैं। मंच ले जाने के लिए पूर्व बटन पुश।
    17. जोखिम खत्म करने के बाद कक्ष से नमूना अनलोड करें। ई-स्पेसर को हटाने के लिए 1 मिनट के लिए deionized (डीआई) पानी के 50 एमएल में नमूना विसर्जित कर दिया।
    18. मिथाइल आइसोबुटिल कीटोन (एमआईबीके) के 10 एमएल तैयार की: बर्फ से घिरे बीकर में आईपीए 1:3 विलयन। MIBK में नमूना विसर्जित: IPA - 1:3 12 मिनट के लिए समाधान. फिर, आईपीए के साथ नमूना कुल्ला और नमूना सुखाने के लिए एन2 गैस झटका.
    19. इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पित्र के धारक पर नमूने को लोड करके ठीक करें। वाष्पित्र के कक्ष के अंदर धारक को माउंट करें।
    20. वाष्पीकरण कक्ष के अंदर एक ग्रेफाइट-क्रूसिबल युक्त टुकड़ा-प्रकार सीआर लोड करें।
    21. इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पित्र के सॉफ्टवेयर पर, कक्ष के अंदर एक निर्वात बनाने के लिए चैंबर पम्पिंग बटन क्लिक करें, और 3 x 10-6 mTorr करने के लिए दबाव कम.
    22. सामग्री अनुभाग में क्रोमियम का चयन करें और इसे लागू करने के लिए सामग्री बटन पर क्लिक करें। स्रोत शटर खोलने के लिए ई-बीम शटर बटन क्लिक करें। उस क्रम में, उच्च वोल्टेज और स्रोत बटन क्लिक करें.
    23. इलेक्ट्रॉन बीम शक्ति को धीरे-धीरे बढ़ाने के लिए ऊपर की ओर तीर बटन क्लिक करें, और इसे तब तक दोहराएँ जब तक कि जमा दर 0.15 एनएम/एस तक न पहुंच जाए।
      नोट: प्रति एक क्लिक 5 s काफी धीमी है.
    24. मोटाई गेज रीसेट करने के लिए शून्य बटन पर क्लिक करें. मुख्य शटर खोलने के लिए मुख्य शटर बटन क्लिक करें. जब मोटाई गेज 30 एनएम तक पहुँच जाता है, मुख्य शटर बंद करने के लिए मुख्य शटर बटन पर क्लिक करें।
      नोट: जमा समय आसानी से जमा दर से गणना की जा सकती है। एक 30 एनएम मोटी जमा लेता है $200 s, यहाँ इस्तेमाल किया हालत में.
    25. स्रोत शटर बंद करने के लिए ई-बीम शटर बटन क्लिक करें। इलेक्ट्रॉन बीम शक्ति को धीरे-धीरे कम करने के लिए नीचे तीर बटन क्लिक करें, और इसे तब तक दोहराएँ जब तक कि पावर 0 तक न पहुँच जाए.
      नोट: प्रति एक क्लिक 5 s काफी धीमी है.
    26. स्रोत क्लिक करें और, उसके बाद, उच्च वोल्टेज बटन. कक्ष शांत करने के लिए 15 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें। कक्ष बाहर निकलने और धारक से नमूना अनलोड करने के लिए वेंट बटन पर क्लिक करें.
    27. 3 मिनट के लिए एसीटोन के 50 एमएल में नमूना विसर्जित. 40 kHz पर 1 मिनट के लिए sonication प्रक्रिया का संचालन। आईपीए के साथ नमूना कुल्ला और नमूना सुखाने के लिए एन2 गैस झटका।
  4. ए-सी:एच की उत्कीर्णन प्रक्रिया
    1. नमूना के पीछे करने के लिए थर्मल गोंद बिखरा हुआ है। zig पर नमूना संलग्न करें और etching प्रणाली पर zig लोड.
    2. सॉफ्टवेयर पर, क्लोरीन (सीएल2) गैस प्रवाह दर 80 sccm और हाइड्रोजन ब्रोमाइड (HBr) गैस प्रवाह दर 120 sccm करने के लिए निर्धारित करें। स्रोत पावर को 500 W पर सेट करें और 100 ट पर बायस को 100 s के लिए उत्कीर्णन प्रक्रिया प्रारंभ करने के लिए प्रारंभ करें बटन क्लिक करें.
    3. नमूना अनलोड और एक डस्टप्रूफ वाइपर के साथ थर्मल गोंद हटा दें।
    4. 2 मिनट के लिए 20 एमएल Cr etchant में और 1 मिनट के लिए DI पानी के 50 एमएल में नमूना विसर्जित कर दिया, DI पानी के साथ नमूना कुल्ला और नमूना सुखाने के लिए एन2 गैस झटका.
  5. गढ़े मेटासर्फर की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी छवि प्राप्त करना
    1. स्पिन कोटर के नमूना धारक पर नमूना लोड करें, 1 एमएल पिपेट का उपयोग करके नमूने पर ई-स्पेसर को छोड़ें, और 1 मिनट के लिए 2,000 आरपीएम की रोटेशन गति के साथ कोटिंग प्रक्रिया शुरू करें।
    2. कार्बन टेप का उपयोग करके स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) के नमूने धारक पर नमूना ठीक करें. SEM के लोड लॉक चैम्बर में धारक रखो और लोड लॉक चैम्बर में एक वैक्यूम बनाएँ।
    3. धारक को लोड लॉक चैम्बर से मुख्य कक्ष में स्थानांतरित करें। इलेक्ट्रॉन किरणपुंज को 15 टट त्वरण वोल्टता के साथ चालू कीजिए।
    4. चरण को 1 सेमी कार्य दूरी पर ले जाएँ. मंच क्षैतिज ले जाकर मेटासर्फी का पता लगाएं। कलंक और फोकल लंबाई समायोजित करें जब तक छवि स्पष्ट हो जाता है.
    5. छवियों पर कब्जा.
    6. इलेक्ट्रॉन बीम बंद करें। चरण को निष्कर्षण स्थिति में ले जाएँ. धारक को मुख्य कक्ष से लोड लॉक चैम्बर में स्थानांतरित करें।
    7. लोड लॉक चैम्बर को वेंट करें और नमूना अनलोड करें।
    8. ई-स्पेसर को हटाने के लिए 1 मिनट के लिए DI पानी के 50 एमएल में नमूना विसर्जित करें। नमूना सुखाने के लिए N2 गैस उड़ाएं।

2. परावैद्युत मेटासर्फकी की ऑप्टिकल विशेषता

नोट: एक लेजर के प्रत्यक्ष विकिरण आंखों को नुकसान पहुंचा सकता है। प्रत्यक्ष आंख जोखिम से बचें और उचित लेजर सुरक्षा चश्मा पहनते हैं।

  1. प्रकाशिक सारणी पर 635 दउ-तरंग-लंबाई लेजर पर्वत (चित्र 1क)। पर लेजर मुड़ें और बीम शक्ति को स्थिर करने के लिए 10 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें।
  2. लेजर के पास और दूर दोनों एक संरेखण स्क्रीन का उपयोग कर लेजर की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर संरेखण समायोजित करें।
  3. लेजर के सामने एक तटस्थ घनत्व फिल्टर रखें। तटस्थ घनत्व फिल्टर के पीछे पहला उत्तल लेंस माउंट करें। शोर को दूर करने के लिए उत्तल लेंस के पीछे फोकल तल पर एक आईरिस रखें।
  4. प्रथम उत्तल लेंस से द्विधा फोकस दूरी के साथ दूसरे उत्तल लेंस माउंट करें। दूसरे उत्तल लेंस के पीछे एक रेखीय ध्रुवक रखें। रैखिक पोलर के पीछे एक दाएँ हाथ के परिपत्र polarizer रखें.
  5. गोलाकार ध्रुवक के पीछे तीसरे उत्तल लेंस को माउंट करें। धारक पर गढ़े हुए मेटासर्फर को माउंट करें। उत्तल लेंस के पश्च फोकस तल पर मेटासतह का पता लगाएँ।
    नोट: लेजर बीम पैटर्न क्षेत्र के लिए सब्सट्रेट से घटना होनी चाहिए।
  6. एक मोटी सफेद कागज स्क्रीन रखें, जिसमें मेटासर्फ के पीछे केंद्र में 1 सेमी-व्यास छेद है। ऑप्टिकल टेबल पर एक प्रोट्रैक्टर माउंट मेटासर्फकेस के साथ मूल संरेखित।
  7. एक शक्ति मीटर का उपयोग कर, स्क्रीन पर तीन उज्ज्वल धब्बे हैं जो तीन diffracted बीम, की शक्ति को मापने.
    नोट: यदि लेजर बीम शक्ति एक स्थिर पर बनाए रखा नहीं है, समय की अवधि में औसत बीम शक्ति की गणना.
  8. दाएँ हाथ के परिपत्र polarizer एक बाएँ हाथ परिपत्र polarizer के साथ बदलें. बिजली मीटर का उपयोग कर, तीन diffracted बीम शक्तियों को मापने.
  9. बाएँ हाथ परिपत्र polarizer निकालें. तीन diffracted बीम शक्तियों को मापने, बिजली मीटर का उपयोग कर.
  10. एक सीसीडी माप की अनुमति देने के लिए तटस्थ घनत्व फिल्टर का उपयोग कर, लेजर बीम शक्ति में कमी। दाएँ हाथ के परिपत्र पोलर रखें। सीसीडी का उपयोग कर तीन diffracted बीम प्रोफाइल पर कब्जा.
    नोट: कमजोर लेजर बीम शक्ति पसंद किया जाता है, सीसीडी क्षति को रोकने के लिए. इस कार्य में 300$W की बीम शक्ति का उपयोग किया गया है।
  11. दाएँ हाथ के परिपत्र polarizer बाएँ हाथ परिपत्र polarizer के साथ बदलें. सीसीडी का उपयोग कर, तीन diffracted बीम प्रोफाइल पर कब्जा.
  12. बाएँ हाथ परिपत्र polarizer निकालें. सीसीडी का उपयोग कर, तीन diffracted बीम प्रोफाइल पर कब्जा.
  13. 635 एनएम-तरंगदैर्ध्य लेजर को 532 एनएम-तरंगदैर्ध्य लेजर से बदलें।
  14. 2.2 से 2.12 तक चरण दोहराएँ.

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Representative Results

माप परिणाम यहाँ प्रस्तुत डिवाइस की ध्रुवण-स्वतंत्र कार्यक्षमता दिखाते हैं (चित्र 1). उ के विवर्तन आदेशों की मापित किरण शक्तियाँ घटना ध्रुवण अवस्था (अर्थात्, आरसीपी, एलसीपी, और रैखिक ध्रुवण) की परवाह किए बिना समान हैं। चूंकि किसी भी मनमाने ढंग से ध्रुवीकरण राज्यों आरसीपी और LCP के रैखिक संयोजन से विघटित किया जा सकता है, डिवाइस की कार्यक्षमता बनाए रखा जा सकता है, ध्रुवीकरण राज्यों की परवाह किए बिना. विवर्तन कोण क्रमशः 532 दउ तथा 635 दउ की तरंगदैर्ध्य के लिए 24 डिग्री और 28.5 डिग्री हैं, और एनकोडेड होलोग्राम को बदलकर कोणों को नियंत्रित किया जा सकता है।

विवर्तन दक्षता को विवर्तित बीम शक्तियों (उ र् 1) के अनुपात से घटित बीम शक्ति के अनुपात द्वारा परिभाषित किया जाता है। यहाँ प्रस्तुत डिवाइस ज्यामितीय चरण-परिणाम ब्रॉडबैंड आपरेशन के आधार पर विभिन्न अभिविन्यास के साथ एक ही आकार के नैनोरोड्स के होते हैं (चित्र 2)। सैद्धांतिक रूप से, दक्षता दोनों तरंगदैर्ध्य के लिए 20% से अधिक होनी चाहिए। तथापि, मापित विवर्तन क्षमता 18ण्3% की है जो र् े 532 दउ तथा 9ण्1% ज़् 635 दउ है। विसंगति मुख्य रूप से बीम आकार से आता है metasurface से ही बड़ा किया जा रहा है. शून्यक्रम बीम के मापा प्रोफाइल स्पष्ट रूप से पता चलता है कि घटना बीम आकार मेटासर्फसेंस से बड़ा है (यानी, घटना बीम का अतिरिक्त हिस्सा सीधे मेटासर्फर के साथ बातचीत के बिना बिजली मीटर के लिए चला जाता है, विवर्तन को कम करने दक्षता)(चित्र 3)।

Figure 1
चित्र 1: विविध बीम शक्ति माप। (क) लेजर रोशनी के लिए ऑप्टिकल सेटअप। अगले दो पैनल 635 दउ पर मापे गए विपरित बीम शक्ति (ख) को ख् 532 दउ तथा (ग ) को 635 दउ पर दर्शाते हैं। लेजर बीम शक्ति अनुरूप नहीं था के बाद से, मापा बीम शक्तियों समय से गणना कर रहे हैं दर्ज मूल्यों औसत. चित्र में त्रुटि पट्टियाँ रिकॉर्डिंग समय के दौरान अधिकतम और न्यूनतम मानों का प्रतिनिधित्व करती हैं. यह आंकड़ा योन एट अल10से संशोधित किया गया है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: गढ़े मेटासर्फ की SEM छवियों. (क) मेटासर्फकेम का शीर्ष दृश्य। (इनसेट में) इकाई सेल की ज्यामिति: लंबाई (एल) - 150 एनएम, चौड़ाई (W) $ 80 एनएम, ऊंचाई (एच) - 300 एनएम, और पिच (पी) ] 240 एनएम। (ख) मेटासर्फकेस का परिप्रेक्ष्य दृश्य। यह आंकड़ा योन एट अल10से संशोधित किया गया है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र ााालीना 3: मेटासर्फ के पीछे 14 सेमी ले जाने वाले सीसीडी द्वारा कैप्चर की गई बीम प्रोफाइल। किरण पुंज व्यास का अनुमान $3 उउ पर $ 532 दउ तथा र् 5 उउ द उ द र् 635 दउ आंवरित किया जा सकता है। संगत बीम अपसारी कोण क्रमशः लगभग 2.5 डिग्री और 4.1 डिग्री हैं। कब्जा कर लिया बीम प्रोफाइल लेजर speckles है, लेकिन वे डिफ्यूज़र1 या Dammann ग्रेटिंग3,15द्वारा हटाया जा सकता है. यह आंकड़ा योन एट अल10से संशोधित किया गया है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

कुछ निर्माण कदम ध्यान से आयोजित किया जाना चाहिए, एक metasurface कि मूल डिजाइन के रूप में ही है उत्पन्न करने के लिए. विरोध विकास प्रक्रिया में, एक कम तापमान समाधान आमतौर पर पसंद किया जाता है। मानक स्थिति कमरे का तापमान है, लेकिन प्रतिक्रिया की गति को समाधान के तापमान को 0 डिग्री सेल्सियस तक कम करके धीमा किया जा सकता है। हालांकि इसी प्रतिक्रिया समय अब हो जाता है, एक बेहतर पैटर्न मानक शर्तों के साथ की तुलना में प्राप्त किया जा सकता है. कम प्रतिक्रिया गति के कारण अभिक्रिया समय नियंत्रण भी आसान होता है। एक अच्छा पैटर्न के लिए एक और महत्वपूर्ण कदम विकास का विरोध करने के बाद आईपीए सूख रहा है। छ2 गैस की गति और नमूने पर आईपीए के बाकी वाष्पित हो जाती है। आईपीए की कुछ राशि बेतरतीब ढंग से वितरित द्वीपों बनाने, स्थानांतरित नहीं करता है। यदि आईपीए द्वीपों का गठन किया जाता है और फिर वाष्पित हो जाता है, तो नमूना क्षतिग्रस्त हो जाएगा। इसलिए, आईपीए द्वीप गठन को कम करने के लिए, मजबूत उड़ाने कमजोर उड़ाने से बेहतर है, जब तक सब्सट्रेट मजबूत हवा के प्रवाह से टूट गया है. sonication की एक उचित शक्ति स्पष्ट रूप से पतली फिल्म छील करने के लिए उपयोगी है। लिफ्ट बंद कदम के बाद, यह पतली फिल्म स्पष्ट रूप से बंद छील या नहीं एक पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके की जाँच करने के लिए संभव है। सौभाग्य से, अगर किसी भी Cr पतली फिल्म पैटर्न क्षेत्र पर रहता है, यह एक अतिरिक्त sonication प्रक्रिया द्वारा अवशेषों को दूर करने के लिए संभव है. यह सीआर मुखौटा का एक काफी लाभ है, क्योंकि इस तरह के सोने के रूप में अन्य सामग्री से बना मास्क, एक बार अवशेषों सूख जाता है को दूर करने के लिए बेहद मुश्किल हैं।

EBL नैनोस्केल संरचनाओं को बनाने के लिए एक प्रभावी तरीका है, लेकिन इस विधि को एक कम थ्रूपुट से ग्रस्त है, बड़े पैमाने पर विनिर्माण imping. उत्पादकता में सुधार करने के लिए एक तरीका है मास्टर मोल्ड बनाने, EBL का उपयोग कर, और मास्टर मोल्ड का उपयोग कर पैटर्न मुद्रण द्वारा है। इस विधि को नैनोछाप लिथोग्राफी कहा जाता है। हालांकि EBL का उपयोग मोल्ड का निर्माण एक लंबा समय लगता है, परिणाम यह है कि पैटर्न एक कम समय में स्थानांतरित किया जा सकता है, मोल्ड है कि बार बार इस्तेमाल किया जा सकता का उपयोग कर. इसके अलावा, यह भी मुद्रण प्रक्रियाओं को संशोधित करके एक लचीला सब्सट्रेट पर पैटर्न हस्तांतरण करने के लिए संभव है।

इस कार्य में, हम परावैद्युत मेटासर्फेस के निर्माण के लिए एक विस्तृत प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं। विधि बीम splitters के आवेदन करने के लिए सीमित नहीं है; अन्य मेटासर्फल अनुप्रयोग, जैसे लेंस, होलोग्राम, और ऑप्टिकल क्लोक, इस विधि के माध्यम से महसूस किए जा सकते हैं। प्लाज्मोनिक मेटासर्फेस की तुलना में, परावैद्युत मेटासर्फेस परावैद्युत ोंयके कम ऑप्टिकल हानियों के कारण दृश्य तरंगदैर्ध्य में बहुत अधिक दक्षता प्रदान करते हैं। इसलिए, इस प्रोटोकॉल का अध्ययन और व्यावहारिक metasurfaces विकसित करने के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं.

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

यह काम राष्ट्रीय अनुसंधान फाउंडेशन अनुदान (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D105898, NRF-2015R1A5A1037668) द्वारा वित्त पोषित है।

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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References

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  15. Dammann, H., Görtler, K. High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).

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इंजीनियरिंग अंक 148 बीम विपाटक फूरिये होलोग्राम हाइड्रोजनीकृत अक्रिस्टलीय सिलिकॉन इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी आगमनात्मक रूप से युग्मित प्लाज्मा प्रतिक्रियाशील आयन निक्षालन प्लाज्मा-एन्हांस्ड रासायनिक वाष्प निक्षेपण ब्रॉडबैंड ध्रुवण स्वतंत्रता
डिइलेक्ट्रिक मेटासर्फेस द्वारा समान तीव्रता बीम पीढ़ी का प्रदर्शन
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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).

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