Demonstratie van gelijke-intensiteit Beam generatie door diëlektrische meta vlakken
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.
Protocol
Representative Results
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….
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
