הפגנה של יצירת קרן שוות-עוצמה על-ידי מטאספנים דיאלקטרי
Summary
פרוטוקול עבור הייצור והאפיון האופטי של פנים מטאסורמטטים מדידות מוצג. שיטה זו ניתן להחיל על הייצור של לא רק מפצלי הקורה, אלא גם של מטאסאורפנים כללי, כגון עדשות, הולוגרמות, וגלימות אופטיות.
Abstract
פרוטוקול הייצור והאפיון של מפצל קרן הפנים המאפשר שוויון בעוצמה שווה, מוצג. סיליקון אמורפי הידרונטי (a-Si: H) מופקד על מצע סיליקה התמזגו, באמצעות התצהיר של אדי כימית משופרת פלזמה (פקאנטי). סיליקון אופייני ואמורפיים הופקד על ידי אידוי גורם לאובדן אופטי חמור, מקשה על הפעולה בתדרים גלויים. אטומי מימן בתוך הסרט סיליקון האמורפיות יכול להפחית את פגמים מבניים, שיפור הפסד אופטי. ננו מבנים של כמה מאות ננומטרים נדרשים להפעלת מטאסורפנים בתדרים הגלויים. ליתוגרפיה קונבנציונאלי או כתיבת לייזר ישירה אינה אפשרית בעת בדיית מבנים קטנים כאלה, עקב מגבלת העקיפה. מכאן, ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים (EBL) מנוצל כדי להגדיר כרום (Cr) מסכה על הסרט הדק. במהלך תהליך זה, ההתנגדות החשופה מפותחת בטמפרטורה קרה כדי להאט את התגובה הכימית ולהפוך את הדפוסים לחדים יותר. לבסוף, a-Si: H נחרט לאורך המסכה, תוך שימוש בשילוב השראה של איכול פלזמה-הראקטיבית (הקאמרי-RIE). השיטה הפגינו אינה אפשרית לייצור בקנה מידה גדול בשל התפוקה הנמוכה של EBL, אבל זה יכול להיות שיפור על ידי שילוב זה עם ליתוגרפיה nanoimprint טבעה. המכשיר מפוברק מאופיין על ידי התקנה אופטית מותאמת אישית המורכבת של לייזר, מקטצר, עדשה, מד כוח, ו-מצמידים המכשיר (CCD). על ידי שינוי אורך הגל והקיטוב של לייזר, מאפייני העקיפה נמדדים. כוחות הקרן הנמדדים שווים תמיד, ללא קשר לתקרית הקיטוב, כמו גם לאורך הגל.
Introduction
מטאסורפנים המורכב ממערכים בעלי שני מימדים של אנטנת משנה הפגינו מספר רב של פונקציות אופטיות מבטיחות, כגון עדשות אכרומטי1,2, הולוגרמות3,4,5 ,6, וגלימות אופטיות7. רכיבים אופטיים מגושם קונבנציונלי ניתן להחליף עם פרצופים מטאסליים באולטרסאונד תוך שמירה על הפונקציות המקוריות. לדוגמה, מפצל קרן הוא מכשיר אופטי המשמש להפרדת קרן אירוע לשתי קורות. מפצלי הקרן האופייני מורכב משילוב של שתי מנסרות משולשים. מאחר שמאפייני הממשק שלהם קובעים את מאפייני הקרן, קשה להקטין את הגודל הפיזי ללא השפלה פונקציונלית. מצד שני, ניתן להבין מפצלי קרן דק במיוחד עם פנים מטאסורדיות עם מעבר חד-מימדי לינארי מדרגה8,9. העובי של פאות מתכת הוא פחות מאורכי גל העבודה שלהם, ומאפייני הפרדה יכולים להיות נשלטים על ידי התפלגות הפאזה.
עיצבנו מפצל קרן מטאסארפנים שיכול ליצור קורות שוות עוצמה ללא קשר למקרה של האירוע הפולריזציה10. מאפיין זה מגיע מהולוגרמה פורייה. בשל הדימוי של שני כתמים לבנים על רקע שחור, הולוגרמה שנוצרה מפני הmetasurface זהה לתמונה המקודד. להולוגרמה פורייה אין אורך מוקד ספציפי, כך שניתן לצפות בדימוי המקודד במרחב כולו שמאחורי הפנים המטורבית11. אם אותה תמונה של שתי הדקות נוצרת מאחורי הפאה, היא פועלת גם כמפצל אלומות. ההולוגרמה פורייה על ידי מטאסורהפנים יוצרת דימוי הפוך, המכונה דמות תאומה, ביחס למדינות הפולריזציה האורתוגונאליות. התמונה התאומה נחשבת בדרך כלל לרעש. עם זאת, התמונה שתי הנקודה מקודד בפנים metasurface זה הוא מקור סימטרי, וכתוצאה מכך חפיפה מושלמת של תמונות המקורי והתאום. כיוון שכל מדינות פולריזציה יכולות להיות מיוצגות על-ידי שילוב ליניארי של הקיטוב הימני (RCP) והשמאל (LCP) מעגלי, המכשיר המתואר כאן מציג את הפונקציונליות העצמאית לפולריזציה.
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הייצור והאפיון האופטי של הפנים הדיאלקטרי מדידות המאפשרות דור שווה בעוצמה הקורה. התפלגות שלב של התקן זה מאוחזרים מאלגוריתם Gerchberg-סקטון (GS), אשר משמש בדרך כלל הולוגרמות פאזה בלבד12. a-Si: H של 300 ננומטר עבה מופקד על מצע סיליקה התמזגו, באמצעות הפקמין. מסיכת Cr מוגדרת בסרט a-Si: H באמצעות EBL. תבנית המסיכה מקבילה להתפלגות הפאזה הנגזרת מאלגוריתם GS. הרשת הקאמרי-RIE מנוצלת כדי לחרוט את הסרט a-Si: H לאורך מסכת Cr. שאר מסכת Cr מוסרת על-ידי השלמת בדיקת הדגימה. הפונקציונליות האופטית של הפאה metasurface מציא מאופיין באמצעות התקנה אופטית מותאמת אישית. כאשר קרן לייזר מהווה מקרה לפני הטאסוראל, הקרן המועברת מופרדת לשלושה חלקים, כלומר שתי קורות שפעלה וקרן אחת הסדר. קרני האור מסטות משלוחה של משעול הקורה בזמן שקורה השיגור האחר. כדי לאמת את הפונקציונליות של התקן זה, אנו מדדו את כוח הקרן, פרופיל קרן, ואת זווית הפצת באמצעות מד כוח, CCD, ו protractor, בהתאמה.
כל תהליכי הייצור והחומרים המשמשים לשימוש ממוטבים לפונקציונליות היעד. עבור תדרי עבודה גלויים, גדלי האנטנה הבודדים אמורים להיות כמה מאות ננו-מטרים, והחומר עצמו צריך להיות בעל אובדן אופטי נמוך באורכי גל גלויים. רק מספר סוגים של שיטות הייצור מתאימים בעת הגדרת מבנים קטנים כאלה. ליתוגרפיה טיפוסית, כמו גם כתיבת לייזר ישירה, אינם מסוגלים הייצור עקב מגבלת עקיפה. הטחינה ממוקדת קרן יון ניתן להשתמש, אבל יש בעיות קריטיות של זיהום גליום, התלות עיצוב דפוס, ואת מהירות התהליך איטי. למעשה, EBL היא הדרך היחידה להקל על הייצור של מטאסורפנים לעבוד בתדרים גלויים13.
דיאלקטרוניקה הם בדרך כלל העדיפו בשל אובדן בלתי נמנע של מתכות. ההפסד האופטי של a-Si: H מספיק נמוך למטרה שלנו. למרות אובדן אופטי של א-סי: H הוא לא נמוך כמו דיאלקטרים הרזיה נמוכה כגון טיטניום דו חמצני1,4 ו סיליקון גבישי14, הייצור של a-Si: H הוא הרבה יותר פשוט. התאיידות אופיינית ותהליכי התזה אינם מסוגלים לבצע הפקדת הסרט a-Si: H. בדרך כלל נדרש פקמין. במהלך תהליך הפקבי, כמה אטומי מימן מ-SiH4 ו-2 גזים לכודים בין אטומי הסיליקון, והתוצאה היא סרט a-Si: H. קיימות שתי דרכים להגדרת תבניות a-Si: H. אחד מהם הוא התצהיר של א-סי: H על photoresist בדוגמת מילוי, ואחריו תהליך ההמראה, והשני הוא על ידי הגדרת מסיכת תחריט על הסרט a-Si: H ולאחריה תהליך החריטה. הראשון הוא מתאים היטב לתהליך אידוי, אבל זה לא קל להפקיד a-Si: הסרט H באמצעות התאיידות. מכאן, האחרונה היא הדרך המיטבית לעשות א-סי: דפוסי. Cr משמשת כחומר מסכת החריטה בגלל מסלקטיביות הגבוהה עם הסיליקון.
Protocol
Representative Results
Discussion
כמה צעדי הייצור צריך להתבצע בזהירות, כדי ליצור מטאסורפנים שהוא זהה לעיצוב המקורי. בתהליך הפיתוח להתנגד, פתרון בטמפרטורות נמוכות מועדף בדרך כלל. התנאי הסטנדרטי הוא טמפרטורת החדר, אך ניתן להאט את מהירות התגובה על-ידי הפחתת טמפרטורת הפתרון ל-0 ° c. למרות שזמן התגובה המקביל הופך לארוך יותר, ניתן…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת כספית על ידי מענקי קרן המחקר הלאומי (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019R1A2C3003129, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) ממומן על ידי משרד המדע והתקשוב (MSIT), הרפובליקה של קוריאה.
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).
