유전체 메타표면에 의한 동등한 강도 빔 생성 시연
Summary
유전체 메타표면의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜이 제시된다. 이 방법은 빔 스플리터뿐만 아니라 렌즈, 홀로그램 및 광학 망토와 같은 일반적인 유전체 메타 표면의 제작에도 적용 될 수 있습니다.
Abstract
동일한 강도의 빔 생성을 가능하게 하는 메타표면 빔 스플리터의 제작 및 특성화 프로토콜이 입증되었습니다. 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)을 사용하여 융합실리카 기판에 증착됩니다. 증발에 의해 증착된 전형적인 비정질 실리콘은 가시 주파수에서 작동을 방해하는 심각한 광학 손실을 일으킵니다. 비정질 실리콘 박막 내부의 수소 원자는 구조적 결함을 감소시키고 광학 손실을 개선할 수 있습니다. 가시 주파수에서 메타표면의 작동을 위해서는 수백 나노미터의 나노 구조가 필요합니다. 회절 한계로 인해 이러한 작은 구조를 제조할 때 기존의 포토리소그래피 또는 직접 레이저 필기는 불가능합니다. 따라서, 전자 빔 리소그래피(EBL)는 박막 상에 크롬(Cr) 마스크를 정의하는 데 이용된다. 이 과정에서 노출된 레지스트는 차가운 온도에서 개발되어 화학 반응을 늦추고 패턴 가장자리를 선명하게 만듭니다. 마지막으로, a-Si:H는 유도성 결합 된 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP-RIE)을 사용하여 마스크를 따라 에칭됩니다. 입증된 방법은 EBL의 낮은 처리량으로 인해 대규모 제작에 적합하지 않지만 나노 임프린트 리소그래피와 결합하여 개선할 수 있습니다. 제작 된 장치는 레이저, 편광판, 렌즈, 파워 미터 및 충전 결합 장치 (CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정이 특징입니다. 레이저 파장과 편광을 변경하여 회절 특성을 측정합니다. 측정된 확산 빔 파워는 입사 분극과 파장에 관계없이 항상 동일합니다.
Introduction
2 차원 소파장 안테나 어레이로 구성된 메타 표면은 무채색 렌즈 1,2,홀로그램 3,4,5와 같은 많은 유망한 광학 기능을 입증했습니다. ,6, 광학 망토7. 기존의 부피가 큰 광학 부품은 원래의 기능을 유지하면서 초박형 메타표면으로 대체 될 수있다. 예를 들어 빔 스플리터는 입사 빔을 두 개의 빔으로 분리하는 데 사용되는 광학 장치입니다. 일반적인 빔 스플리터는 두 개의 삼각형 프리즘을 결합하여 만들어집니다. 인터페이스 특성이 빔 분할 특성을 결정하기 때문에 기능 저하 없이 물리적 크기를 줄이기가 어렵습니다. 한편, 초박형 빔 스플리터는 1차원 선형 위상 그라데이션8,9로인코딩된 메타표면으로 실현될 수 있다. 메타표면의 두께는 작동 파장보다 적으며, 분리 특성은 상 분포에 의해 제어될 수 있습니다.
입사 분광 상태10에관계없이 동일한 강도의 빔을 생성할 수 있는 메타표면 빔 스플리터를 설계했습니다. 이 특성은 푸리에 홀로그램에서 온다. 검은 색 배경에 두 개의 흰색 반점의 이미지로 인해, 메타 표면에서 생성 된 홀로그램은 인코딩 된 이미지와 동일합니다. 푸리에 홀로그램은 특정 초점 거리를 갖지 않으므로 인코딩된 이미지는메타표면(11)뒤의 전체 공간에서 관찰될 수 있다. 메타표면 뒤에 동일한 2스팟 이미지가 생성되면 빔 스플리터로도 작동합니다. 메타표면에 의한 푸리에 홀로그램은 직교 편광 상태에 대하여 쌍둥이 이미지라고 하는 반전된 이미지를 생성합니다. 트윈 이미지는 일반적으로 노이즈로 간주됩니다. 그러나 이 메타서피스에 인코딩된 두 자리 이미지는 원점 대칭으로 원본 이미지와 트윈 이미지가 완벽하게 겹칩니다. 모든 편광 상태는 오른손잡이(RCP)와 왼손잡이(LCP) 원형 편광의 선형 조합으로 표현될 수 있기 때문에 여기에 설명된 장치는 편광 독립적인 기능을 보여줍니다.
여기서, 우리는 동일한 강도빔 생성을 가능하게 하는 유전체 메타표면의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜을 제시한다. 이 장치의 위상 분포는 일반적으로 위상 전용 홀로그램12에사용되는 Gerchberg-Saxton (GS) 알고리즘에서 검색됩니다. a-Si:300 nm 두께의 H는 PECVD를 사용하여 융합실리카 기판상에 증착된다. Cr 마스크는 EBL을 사용하여 a-Si:H 필름에 정의됩니다. 마스크 패턴은 GS 알고리즘에서 파생된 위상 분포에 해당합니다. ICP-RIE는 Cr 마스크를 따라 A-Si:H 필름을 에칭하는 데 악용됩니다. Cr 마스크의 나머지 는 샘플 제작을 마무리 하는 Cr etchant에 의해 제거 됩니다. 제조 된 메타 표면의 광학 기능은 사용자 정의 광학 설정을 사용하는 것이 특징입니다. 레이저 빔이 메타표면에 입사되면 투과된 빔은 세 부분으로 나뉘는데, 즉 2개의 회절빔과 1개의 제로차오드 빔으로 분리됩니다. 회절된 빔은 입사 빔 경로의 확장에서 벗어나고 0차 빔은 이를 따릅니다. 이 장치의 기능을 확인하기 위해 전력 계, CCD 및 각도기를 사용하여 빔 전력, 빔 프로파일 및 회절 각도를 각각 측정했습니다.
사용되는 모든 제조 공정 및 재료는 대상 기능에 최적화되어 있습니다. 가시 작동 주파수의 경우 개별 안테나 크기는 수백 나노미터여야 하며 재료 자체는 가시 파장에서 낮은 광학 손실을 가져야 합니다. 이러한 작은 구조를 정의할 때 몇 가지 종류의 제작 방법만 적용할 수 있습니다. 일반적인 포토리소그래피뿐만 아니라 직접 레이저 쓰기는 회절 한계로 인해 제작이 불가능합니다. 집중 이온 빔 밀링을 사용할 수 있지만 갈륨 오염, 패턴 설계 의존성 및 느린 공정 속도의 중요한 문제가 있습니다. 실질적으로, EBL은 가시 주파수에서 작동하는 메타 표면의 제조를 용이하게하는 유일한 방법입니다13.
유전체는 일반적으로 금속의 피할 수없는 오믹 손실로 인해 바람직하다. A-Si:H의 광학 적 손실은 우리의 목적을 위해 충분히 낮습니다. A-Si:H의 광학 손실은 이산화 티타늄1,4 및 결정 실리콘14와같은 저손실 유전체만큼 낮지 않지만 A-Si:H의 제조는 훨씬 간단합니다. 일반적인 증발 및 스퍼터링 공정은 a-Si:H 필름의 증착을 할 수 없다. PECVD는 일반적으로 필요합니다. PECVD 공정 동안 SiH4 및 H2 가스의 일부 수소 원자가 실리콘 원자 사이에 갇혀 A-Si:H 필름을 생성합니다. a-Si:H 패턴을 정의하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 패턴 포토레지스트에 a-Si:H의 증착이고, 그 다음에 리프트 오프 프로세스가 있고, 다른 하나는 a-Si:H 필름에 에칭 마스크를 정의하고 에칭 프로세스를 정의하는 것입니다. 전자는 증발 공정에 적합하지만 증발을 사용하여 A-Si:H 필름을 증착하는 것은 쉽지 않습니다. 따라서 후자는 A-Si:H 패턴을 만드는 최적의 방법입니다. Cr은 실리콘의 높은 에칭 선택성 때문에 에칭 마스크 재료로 사용됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
일부 제작 단계는 원래 디자인과 동일한 메타 표면을 생성하기 위해 신중하게 수행해야합니다. 레지스트 개발 공정에서 일반적으로 저온 용액이 바람직합니다. 표준 조건은 실온이지만 용액 온도를 0°C로 감소시킴으로써 반응 속도를 늦출 수 있다. 해당 반응 시간이 길어지더라도 표준 조건보다 더 미세한 패턴을 얻을 수 있습니다. 반응 시간 제어도 낮은 반응 속도로 인해 용이합니다. 미세 패턴…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 국립연구재단 보조금(NRF-2019R1A2C303129, CAMM-2019M3B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A1A1037668)에 의해 지원된다.
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).
