عرض على توليد شعاع متساوي الكثافة بواسطة الأسطح الانسيابية
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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. , (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).
