Dielectric Metasturfaces tarafından eşit yoğunluklu ışın üretimi gösterimi
Summary
Dielektrik metasürlerin imalat ve optik karakterizasyonu için bir protokol sunulmuştur. Bu yöntem sadece kiriş ayırıcılar değil, aynı zamanda lensler, hologramlar ve optik pelerinleri gibi genel dielektrik metasürfaces, imalat uygulanabilir.
Abstract
Bir metasürface ışın Splitter için imalat ve karakterizasyon protokolü, eşit yoğunluklu ışın üretimi sağlayan, gösterilmiştir. Hydrogenated amorf silikon (a-si: H), plazma gelişmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) kullanarak, erimiş silika substrat üzerinde yatırılır. Buharlaşma ile yatırılan tipik amorf silikon, ağır optik kaybına neden olur ve bu da işlemi görünür frekanslarda açar. Amorf silikon ince film içinde hidrojen atomları, optik kaybı iyileştirilmesi, yapısal kusurları azaltabilir. Nanometrelerin birkaç yüzlerce Nanostructures görünür frekanslarda metastazı çalışması için gereklidir. Konvansiyonel fotolitografi veya doğrudan Lazer yazma mümkün değildir bu tür küçük yapıları imal ederken, kırılması sınırı nedeniyle. Bu nedenle, elektron ışını litografi (EBL) ince film bir krom (CR) maskesi tanımlamak için kullanılır. Bu süreçte, maruz direnç kimyasal reaksiyonu yavaşlatmak ve desen kenarları daha keskin hale getirmek için soğuk bir sıcaklıkta geliştirilmiştir. Son olarak, a-si: H, İndüktif olarak bağlı plazma – reaktif iyon aşındırma (ıCP-RIE) kullanılarak maske boyunca kazınmış durumdadır. Gösterilen yöntem, EBL ‘nin düşük verim nedeniyle büyük ölçekli imalat için uygun değildir, ancak nanoimprint litografi ile birleştirerek üzerine iyileştirilebilir. Fabrikasyon cihaz bir lazer, polarizer, objektif, güç ölçer ve şarj bağlantılı cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum ile karakterize edilir. Lazer dalga boyu ve polarizasyon değiştirerek, dikesasyon özellikleri ölçülür. Ölçülen ışınıyla ışın güçleri her zaman eşittir, ne olursa olsun olay polarizasyon, yanı sıra dalga boyu.
Introduction
İki boyutlu subdalga boyu Anten dizileri oluşan metasürfaces birçok umut verici optik işlevleri göstermiştir, gibi akromatic lensler1,2, hologramlar3,4,5 ,6ve optik pelerinler7. Konvansiyonel hantal optik bileşenler, orijinal fonksiyonları korurken ultratin metasürleri ile değiştirilebilir. Örneğin, bir ışın ayırıcı bir olay ışını iki kiriş ayırmak için kullanılan bir optik cihazdır. Tipik kiriş ayırıcılar iki üçgen prizmalar birleştirerek yapılır. Onların arayüz özellikleri ışın bölme özellikleri belirlemek beri, fonksiyonel bozulma olmadan fiziksel boyutunu azaltmak zordur. Öte yandan, ultra ince kiriş ayırıcılar tek boyutlu doğrusal faz gradyan8,9ile kodlanmış metasürfaces ile gerçekleştirilebilir. Metastazı kalınlığı, çalışma dalga boylarından daha azdır ve ayırma özellikleri faz dağılımı ile kontrol edilebilir.
Biz ne olursa olsun olay polarizasyon Devletler10eşit yoğunluklu kirişler üretebilir bir metasüryüz ışın Splitter tasarlanmıştır. Bu karakteristik Fourier hologramından gelmektedir. Siyah bir arka planda iki beyaz nokta görüntüsü nedeniyle, metasürden oluşturulan hologram kodlanmış görüntü ile aynıdır. Fourier hologramının belirli bir odak uzaklığı yoktur, bu nedenle kodlanmış görüntü, metastüyüz arkasındaki tüm alanda görülebilir11. Aynı iki nokta görüntü metasurface arkasında oluşturulursa, aynı zamanda bir kiriş Splitter olarak çalışır. Metasüryüz tarafından Fourier hologram, ortogonal polarizasyon durumları ile ilgili olarak, ikiz görüntü olarak adlandırılan bir ters görüntü oluşturur. İkiz görüntü genellikle gürültü olarak kabul edilir. Ancak, bu metasurface kodlanmış iki spot görüntü Origin-simetrik, orijinal ve ikiz görüntülerin mükemmel bir çakışmasına neden olur. Herhangi bir polarizasyon devleti sağ el (RCP) ve solak (LCP) dairesel kutuplaşma doğrusal bir kombinasyonu ile temsil edilebilir olduğundan, burada açıklanan cihaz polarizasyon bağımsız işlevselliği gösterir.
Burada, dielektrik metasürlerin üretim ve optik karakterizasyonu için eşit yoğunluklu ışın üretimini sağlayan bir protokol sunuyoruz. Bu cihazın faz dağılımı, genellikle sadece faz hologramları için kullanılan Gerchberg – Saxton (GS) algoritmasından alınır12. a-si: H 300 Nm kalınlığında, PECVD kullanarak, erimiş silika substrat üzerinde yatırılır. CR maskesi, EBL kullanarak a-si: H filminde tanımlanır. Maske deseni GS algoritmasından türetilen faz dağılımı karşılık gelir. ICP-RıE, CR maskesi boyunca a-si: H filmini kazımada faydalanıyor. CR maskesinin geri kalanı, örnek fabrikasyonu sonlandıran CR etchant tarafından kaldırılır. Fabrikasyon metasüryüz optik işlevselliği özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilir. Bir lazer ışını metasüryüz için olay olduğunda, iletilen ışın üç parçaya ayrılır, yani iki ışınıyla kiriş ve bir Zeroth-sipariş ışın. Işınıyla kirişler, sıfır sipariş ışını takip ederken, olay ışını yolunun bir uzantısıyla sapabilir. Bu aygıtın işlevselliğini doğrulamak için, sırasıyla bir güç ölçer, CCD ve protraktörü kullanarak ışın gücünü, kiriş profilini ve ışınıyla açısını ölçtük.
Kullanılan tüm imalat süreçleri ve malzemeler hedef işlevsellik için optimize edilmiştir. Görünür çalışma frekansları için, bireysel anten boyutları nanometre birkaç yüzlerce olmalıdır, ve malzemenin kendisi görünür dalga boyu düşük optik kaybı olmalıdır. Bu tür küçük yapıları tanımlarken sadece birkaç çeşit imalat yöntemi uygulanabilir. Tipik photolithography, yanı sıra doğrudan Lazer yazma, kırılmaz sınırı nedeniyle imalat aciz. Odaklanmış iyon kiriş frezeleme kullanılabilir, ancak galyum kontaminasyonu, desen tasarım bağımlılığı ve yavaş proses hızı açısından kritik sorunlar vardır. Pratik olarak, EBL görünür frekanslarda çalışan metasürlerin imalat kolaylaştırmak için tek yoldur13.
Dielektrikler genellikle metallerin kaçınılmaz Ohmik kaybı nedeniyle tercih edilir. A-si: H optik kaybı bizim amacımız için yeterince düşük. A-si: h optik kaybı titanyum dioksit1,4 ve kristalin silikon14gibi düşük kayıp dielektrikler gibi düşük olmasa da, a-si: h imalatı çok daha basittir. Tipik buharlaşma ve püskürtme süreçleri a-si: H filmin birikmesine sahip değildir. PECVD genellikle gereklidir. PECVD sürecinde, SiH4 ve h2 gazlarından bazı hidrojen atomları silikon atomlar arasında sıkışıp kaldıkları Için, a-si: H filmi ile sonuçlanır. Tanımlamak için iki yol vardır a-si: H desenleri. Biri, desenli bir fotoryonist üzerinde a-si: H ‘nin birikmesi, sonra da lift-off sürecinin ardından, diğeri ise a-si: H filminde bir gravür maskesi tanımlayarak, sonra da aşındırma sürecidir. Eski evaporasyon süreçleri için iyi uygundur, ama buharlaşma kullanarak a-si: H film yatırmak kolay değildir. Bu nedenle, ikincisi yapmak için en uygun yoldur a-si: H desenleri. CR, silikon ile yüksek dağlama seçicilik nedeniyle gravür maskesi malzemesi olarak kullanılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bazı imalat adımları dikkatle yapılmalıdır, orijinal tasarım ile aynı olan bir metasüyüz oluşturmak için. Direnç geliştirme sürecinde, düşük sıcaklık çözeltisi genellikle tercih edilir. Standart koşul oda sıcaklığıdır, ancak çözüm sıcaklığını 0 °C ‘ ye azaltarak reaksiyon hızı yavaşlatılabilir. Karşılık gelen reaksiyon süresi daha uzun hale gelse de, standart koşullarla daha ince bir desen elde edilebilir. Düşük reaksiyon hızı sayesinde reaksiyon süresi kontrolü de kol…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali Ulusal Araştırma Vakfı Hibe tarafından desteklenmektedir (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) bilim ve BIT Bakanlığı (MSIT), Kore Cumhuriyeti tarafından finanse edilmiştir.
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).
