Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

Samenvatting

Een nieuwe lage-kost, batch-fabricatiemethode die spin-coating nanofeer-lithografie (NSL) combineert met de conventionele fotolithografische techniek, wordt gedemonstreerd om efficiënt metaalplanar microlenzen en hun arrays te produceren. De ontwikkelde microlenzen zijn samengesteld uit subgolflengte nanogaten en kunnen licht effectief focussen in het gehele zichtbare spectrum, met focusgroottes dicht bij de Rayleigh-diffractielimiet. Door de afstanden en diameter van nanogaten te veranderen, kan de focusefficiëntie afgestemd worden. Hoewel willekeurige defecten algemeen voorkomen tijdens de zelf-assemblage van nanoferen, blijft de hoofdfocusprestaties, bijv. brandpuntsafstand, diepte van focus (DOF), en volle-breedte op half-maximum (FWHM), bijna onveranderlijk. Dit onderzoek biedt een goedkope manier om geïntegreerde nanofotonische apparaten op wafer-niveau te realiseren.

Achtergrond

Microlenzen als een klasse van meest alomtegenwoordige optische componenten, die erop gericht zijn om licht op micro-/nanoschaal te manipuleren en te focussen, hebben belangrijke toepassingen, zoals displaytechnologie [1], laserstraal-collimatie [2], moleculaire detectie [3], en optische informatieopslag [4]. Hoewel brekende microlenzen uitgebreid gebruikt worden in commerciële apparaten met hoge optische doorlaat, lijden ze onvermijdelijk onder grote afmetingen, chromatische, en sferische aberraties [5]. Aan de andere kant vertonen diffractieve microlenzen minder aberratie, maar hun fysieke grootte en complexe driedimensionale (3D) oppervlakteprofielen maken ze minder nuttig in geminiaturiseerde en hoog-geschaalde apparaten. Bovendien vereist hun fabricage nauwkeurige uitlijning tijdens meervoudige lithografische processen, wat hun adoptie in hoog-geïntegreerde micro-/nano-optische apparaten ook beperkt [6, 7].

Aanzienlijke inspanningen zijn gewijd aan het verkennen van plasmonica in de afgelopen jaren [8,9,10], vanwege de unieke capaciteit om licht op nanometer-lengteschaal te routeren en manipuleren. Als een belangrijke categorie van plasmonische apparaten, werden plasmonische lenzen gebaseerd op dunne genanostructureerde metaalfilms voorgesteld en ontwikkeld [11,12,13,14,15,16,17]. Oppervlakteplasmonen (SPs) op metaalfilms worden opgewekt door de interactie van incident licht met de ladingstrillingen op het lenzen-instap-oppervlak en worden ingesloten in de nano-openingen. Na doorheen de hele metaalfilms te passeren in specifieke golfgids-modi, veranderen SPs weer in voortplantende golven. De sub-golven transmitteerd vanuit alle nano-openingen zullen met elkaar interfereren en een lichtvlek vormen met de maximale intensiteit op een bepaalde afstand van het lenzen-uitstap-oppervlak, wat ook de focusvlek en het brandvlak genoemd wordt. Gevolgelijk zijn metaalplanar microlenzen bestaande uit nano-openingsarrays potentiële kandidaten voor conventionele dielectrische brekende lenzen, die subgolflengte, maar breedband focus mogelijk maken en all-optische of opto-elektronische single-chip integratie toestaan. Echter, alle microlenzen samengesteld uit nanostructuren vereisen hoge-precisie nanofabricagetechnieken, zoals elektronenbundel-lithografie (EBL) en gefocuseerde ionenbundel (FIB) frezen. Hoewel ze krachtige tools zijn voor het prototypen van microlenzen, zijn deze processen duur, tijdrovend, en niet geschikt voor groot-oppervlak parallelle fabricage.

Onlangs werd een soort microlens gebaseerd op nanogaten gerapporteerd die in staat is alle golflengten in het zichtbare spectrum te focussen op een enkele vlek door een batch-fabricatiemethode van zachte interferentie-lithografie (SIL) gevolgd door een nanopatroneerprocedure [18]. Helaas is deze methode niet ideaal voor microlenzen omdat de nanogaten aan de periferie significant kleinere diameter tonen dan de centrale, en sommige zelfs geblokkeerd zijn, wat een grote afwijking van de brandpuntsafstand van het ontwerp veroorzaakt. Daarom is het ontwikkelen van een veelzijdige en groot-oppervlakte fabricagetechniek voor microlenzen cruciaal voor hun praktische toepassingen; niettemin blijft de effectieve methode met de huidige top-down of bottom-up benaderingen een grote uitdaging. Bovendien is het de moeite waard om de willekeurige defecten op de focusprestaties en het koppelende effect tussen aangrenzende microlenzen te onderzoeken.

De veelbelovende groot-oppervlakte fabricagemethoden, zoals fotolithografie, laserinterferentie-lithografie (LIL), en nanofeer-lithografie (NSL), maken de creatie van diverse nanostructuren mogelijk. Fotolithografie wordt wijd gebruikt in micro-elektronica om geïntegreerde circuits (IC's) te produceren. De combinatie van korte-golflengte lichtbronnen, waaronder diep-ultraviolet (DUV) en extreem-ultraviolet (EUV), en innovaties, zoals immersie-lithografie en faseverschuivingsmaskers, hebben de kenmerkengrootte wel in de nanometerschaal geduwd [19, 20]. Hoewel de traditionele masker-gebaseerde optische lithografie goed gevestigd en wijd gebruikt is in de IC-industrie, is het ook erg duur om op te zetten en te exploiteren. Als een veel eenvoudigere en goedkopere schaalmethodologie, is LIL gebaseerd op de interferentie van diverse coherente laserbundels en kan eendimensionale (1D), tweedimensionale (2D), en 3D periodieke structuren produceren met kenmerkendimensies die 20 nm benaderen [21]. Maar lijdend onder de beperking van technologie, is LIL moeilijk om patronen over centimeterschaal te produceren [22]. NSL is een typische colloïdale zelf-assemblage techniek, die voldoet aan effectieve nanofabricage in een hoog-parallelle, wafer-schaal, goedkope manier en hexagonale dicht-gepakte nanoferen van voornamelijk polystyrene (PS) of silica gebruikt als maskers of sjablonen voor fotolithografie, verdamping, depositie, etching, imprinteren, etc. [23, 24]. Vanwege de hexagonale dicht-gepakte rangschikking van nanoferen, resulteert dit in een vergelijkbare array van nanostructuren. Bovendien kunnen dergelijke structuren roostereffecten vertonen, bijvoorbeeld, de uitzonderlijke optische transmissie (EOT) prestaties van nanogatenarrays, doorgaans als resultaat van de opwekking van oppervlakteplasmonpolaritonen (SPPs) [25]. Dit is specifiek belangrijk voor veel mogelijke toepassingen zoals oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing (SERS), versterkte detectie van infrarood (IR) trillingen, zonnecellen, en versterkte fluorescentie [26,27,28,29].

In dit werk combineert onze benadering de voordelen van de gemodificeerde NSL, d.w.z. groot-oppervlakte en lage-kost fabricage, met de conventionele fotolithografische techniek om de gewenste metaalplanar microlenzen te produceren die vergelijkbaar zijn met Odom's "patches". De gerealiseerde microlenzen zoals gedemonstreerd kunnen enkele golflengten van licht over het gehele zichtbare spectrum focussen alsook breedband wit licht met minimale divergentie. Bovendien, via simulatie en experimentele verificatie, onthullen de willekeurige defecten die algemeen voorkomen tijdens de zelf-assemblageprocedure van nanoferen in nanogatenarrays geen dramatische invloeden op de focusprestaties van microlenzen, wat betekent dat de focusvlekken van verschillende microlenzen op dezelfde wafer identieke laterale dimensies hebben, dicht bij de Rayleigh-diffractielimiet. De metaal nanogaat-gebaseerde microlenzen en de zo-ontwikkelde NSL-methode die hier gepresenteerd wordt, kunnen een deur openen om een nieuw type microlenzen te ontwerpen en te fabriceren voor geminiaturiseerde transmissieve planaire micro-/nano-optische apparaten.

Methoden

Bottom-up zelf-assemblage van dielectrische PS-nanoferen als een eenvoudige en lage-kost route om subgolflengte nanogaten te vormen lijkt vaak onder zware defecten, bijv. dislocaties, meervoudige lagen, en punt- of gebiedsvacatures. Om deze problemen aan te pakken, ondernemen we experimentele studies van de spin-coating parameters, inclusief de draaisnelheid, versnelling, suspensieverhouding, en de hydrofiele modificatie van substraatoppervlakken, op de kwaliteit van de gevormde zelf-geassembleerde arrays over de hele 4-inch glaswafer. Hoewel de geoptimaliseerde parameters gehanteerd worden om de majeure defecten (vacatures en meervoudige lagen) te reduceren en de corresponderende nanogatenarrays te creëren door patroonoverdracht, zijn sommige dislocaties en vacatures nog onvermijdelijk en verschoven naar de uiteindelijke nanogaatstructuren.

Figuur 1 illustreert de combinatie van een bottom-up (spin-coating zelf-assemblage van PS-nanoferen) en een top-down techniek (fotolithografie) voor lage-kost, parallelle fabricage van microlenzen en hun arrays. Ten eerste worden de PS-nanoferen (van microParticles GmbH) op glas-substraten gespind, vormend een monolaag masker van nanoferen met het hexagonale rooster (Fig. 1a). Na depositie van nanoferen, wordt hun grootte gemodificeerd via de zuurstofplasma in een parallel-plaat reactor (Plasma Reactor, 0,75 Pa, O2 100 sccm, 80 W), zoals getoond in Fig. 1b. In de volgende stap wordt een 100-nm-dikke goudlaag gesputterd op de monolaag PS-nanoferen (Fig. 1c). Daarna wordt lift-off proces uitgevoerd door ultrasoon reinigen in tetrahydrofuraan (THF), en een grootschalige nanogatenarray is dus bereikt (Fig. 1d). Vervolgens wordt de chroom (Cr) film gesputterd op de eerste gatrijke goudfilm (Fig. 1e) en gepatroneerd met de gewenste microlenzen en hun arrays door fotolithografie (Fig. 1f), wat de focusprestaties van de uiteindelijke microlenzen domineert. Vervolgens wordt de Cr-laag blootgesteld door de openinggebieden verwijderd, wat de gatrijke goud-nanogaten laat het incident licht doorlaten (Fig. 1g). Na reinigen van het residuele fotoresist, worden de ontworpen microlenzen en hun arrays gerealiseerd (Fig. 1h).

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

Schematische weergave van de hoofdprocesstappen voor het fabriceren van de microlenzen en hun arrays. a Spin-coating van monolaag PS-nanoferen. b grootteverkleining van PS-nanoferen. c Au-depositie. d verwijdering van PS-nanoferen. e Cr-depositie. f overdracht van microlenzen patronen op fotoresist. g natte etching. h verwijdering van fotoresist

Figuur 2 toont de representatieve scanning elektronenmicroscoop (SEM) afbeeldingen die diverse zelf-geassembleerde morfologieën van PS-nanoferen tonen met de roosterafstand P = 900 nm, d.w.z. de diameter van de gebruikte PS-nanoferen. De zelf-geassembleerde monlagen van PS-nanoferen zijn ordelijk gepakt in een hexagonaal rooster op de glas-substraten in Fig. 2a, d. Echter, dislocaties die getoond worden als "krakelingen" zijn nog steeds aanwezig, door elektrostatische afstoting tussen de deeltjes [30], alsook de puntvacatures. Figuur 2b, c illustreert gebiedsvacatures, meervoudige lagen, en willekeurig gepakte defecten, die gedistribueerd zijn in bepaalde regio's met een slechte controleerbaarheid wanneer de spin-coating parameters niet geoptimaliseerd of gestoord zijn.

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

SEM-afbeeldingen getoond voor a zelf-geassembleerde ordelijk gepakte monolaag PS-nanoferen van 900 nm diameter, (b) PS-grootteverkleining door O2 plasma bevattende de defecten van vacatures en meervoudige lagen, (c) willekeurig gepakte PS-nanoferen, en (d) een vergroot gezicht van een hexagonaal gepakte PS-eenheid

Figuur 3 toont het resultaat van de zichtbare-lichtdiffractie op het nanoferenmasker en digitale camerafoto's van de 4-inch wafer en een 10 mm × 10 mm chip met diverse cellen van microlenzen. De individuele microlens en zijn array geïllustreerd in Fig. 3d, waarin de onderliggende nanogaten en de losse microlenzen duidelijk waargenomen worden. Het onthult ook de bestaande willekeurige defecten in de enkele microlenzen.

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

a Diffractieafbeelding van de gefabriceerde 4-inch wafer-niveau monolaag nanofeermasker. Foto's van de gefabriceerde microlenzen en hun arrays op een glas-substraat in (b) het wafer-niveau en (c) het chip-niveau. d Optische microscoopafbeelding van de 8-μm microlens en zijn 5 × 5 array met 4 μm spacing

Om de focusprestaties van de bereikte microlenzen te verkennen, vergelijken we de 3D finite-differentie tijd-domein (FDTD) simulatie-resultaten met de experimentele testen. Onze experimentele opstelling, zoals beschreven in Fig. 4, met de Nikon omgekeerde optische microscoop als het hoofdoperatieplatform, wordt gebruikt om de optische velden af te beelden gegenereerd vanuit de vlakke golf incident op de microlens. Na doorheen de microlens te transmisseren, beeldt een hoge-kwaliteit olie-immersie microscoopobjectief (100×, NA = 1,49) spreukelpatronen op een CCD-camera en wordt aangedreven door de E-816 piezo-controller (Physik Instrumente (PI)) met een staplengte van 100 nm. Na verzamelen van honderden 2D lichtplakken, kan het 3D optische veld langs de voortplantingsas van de microlens dus geconstrueerd worden.

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

Experimentele opstelling voor het karakteriseren van de optische focusprestaties van microlenzen en hun arrays. Een 532-nm continu-golf (CW) laser wordt uitgebreid via een telescoop om een homogene bundel te verkrijgen. Doorheen de microlens, wordt het getransmitteerde spreukelpatroon verzameld door een microscoopobjectief en gemeten door een CCD

Resultaten en discussie

  1. I.

    Focusprestaties van microlenzen

Het 3D-model van microlens met de diameter van d met circulaire nanogaten gerangschikt in een hexagonaal rooster wordt gevestigd door gebruik van de FDTD-methode. De gecollimeerde, x-gepolariseerde licht met een werkende golflengte van 532 nm wordt belicht, een goed gedefinieerde focusvlek (locatie van maximale intensiteit) wordt waargenomen in het x-z vlak (hetzelfde als y-z vlak aangezien het elektromagnetische veld symmetrisch verdeeld is) door het centrum van de 4-μm microlenzen, en de volle-breedte op half-maximum (FWHM) van de vlek op het brandvlak is 1,25 μm (Fig. 5a), wat dicht bij de Rayleigh-diffractielimiet van 0,912 μm berekend door 0,61λ/NA [31]. Verder worden de ver-ver opticapatronen gesimuleerd met de roosterafstanden van 522 en 900 nm, en de werkende golflengten van 532 en 633 nm geselecteerd. De gesimuleerde brandpuntsafstanden zijn 12 en 10,4 μm voor de 4-μm microlens bij λ = 532 en 633 nm, respectievelijk, en de waarde stijgt tot 46 μm voor de 8-μm microlens bij λ = 532 nm, zoals getoond in Fig. 5a, c. Omdat hun focuseffecten niet het gevolg zijn van golffront-engineering, hebben 4-μm microlenzen met 522- of 900-nm roosterafstand bijna identieke focusvlekken, wat valideert dat de brandpuntsafstand voornamelijk afhangt van de lenzen-grootte en de werkende golflengte.

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

a Optische veldafbeeldingen van de 4 μm microlens voor de gesimuleerde gevallen van a1 λ = 633 nm, P = 522 nm; a2 λ = 532 nm, P = 522 nm; a3 λ = 532 nm, P = 900 nm; en a4 het gemeten resultaat van λ = 532 nm, P = 900 nm. b De axiale lichtintensiteit van de berekende R-S integraal, FDTD-simulatie, en optische meting voor de ontworpen microlens van d = 4 μm. c Het veldintensiteitsverschil voor de c1 gesimuleerde en c2 gemeten resultaten wanneer d = 8 μm bij λ = 532 nm, P = 900 nm. d De axiale intensiteit voor de microlens van d = 8 μm. De intensiteitsvelden langs de y-z vlakken zijn identiek verdeeld als x-z vlakken

De focusvlek is onderhevig aan de klassieke Rayleigh-diffractielimiet omdat de ver-ver focussering niet voortkomt uit de herwinning van evanescent veld [32] of super-oscillaties [33]. Daarom kan de afhankelijkheid van brandpuntsafstand van de werkende golflengte uitgedrukt worden door een relatie afgeleid van de Rayleigh-Sommerfeld (R-S) integraal [18]. Uit Fig. 5b, d, kunnen we zien dat de berekende optische velddistributies door de R-S integraal zeer goed overeenkomen met de FDTD-simulatieresultaten voor beide gevallen. Echter, de meetresultaten tonen een lichte afwijking door de diverse fouten geïntroduceerd tijdens de fabricageprocedure en optische meting. Het is de moeite waard op te merken dat voor het 4-μm geval, de meetafwijking in contraste met de simulatie 8,3% is, vergeleken met 1,1% voor het 8-μm geval. Met andere woorden, microlenzen met een grotere diameter zijn gevoeliger voor normale fouten.

Aangezien de focusprestaties irrelevant zijn voor golffront-engineering, hangt de optische doorlaat van de focusvlek af van de SP-versterkte transmissie door de subgolflengte openingen [18]. Wanneer de resultaten van Fig. 6 vergeleken worden met de transmissiespectra van de verschillende microlenzen, zijn de versterkte transmissies en onderdrukte transmissies aanwezig bij verschillende golflengten afhankelijk van de roosterafstand. Volgens eerdere rapporten [34] werd de selectieve spectrale respons ontdekt als voortkomend uit het gecombineerde effect van de voortplantende oppervlakteplasmonresonantie (PSPR) gehandhaafd aan het metaal/dielektricum-interface en de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) rond de nanogaten. Zoals waargenomen in Fig. 6c, komen de locaties van de transmissiedips, geïmpliceerd door de cirkels, met een rode verschuiving langs de x-coördinatenas als de roosterafstand toeneemt, zo is het met de transmissiepieken. Dit voorziet de microlenzen van ongewone mogelijkheden om de optische doorlaat bij specifieke golflengten te controleren en zorgt ervoor dat microlenzen eenvoudig ontworpen kunnen worden met een hoge-efficiënte focussering. Figuur 6a, b geeft de veldverdelingen van een 4-μm microlens voor het geval van P = 400 nm bij de dip-golflengte van 581 nm en de piek-een van 681 nm, respectievelijk. Behalve een afname in brandpuntsafstand geïntroduceerd door de verhoogde golflengte, is de intensiteit van de focusvlek voor de golflengte van 681 nm bijna 100 keer meer dan die van λ = 581 nm.

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

a, b Simulatieresultaten van de electrisch-veldpantronen van de 4-μm microlens wanneer P = 400 nm bij de werkende golflengte van λ = 581 nm (transmissiedip) en 681 nm (piek), respectievelijk. c Gesimuleerde totale transmissiespectra voor de microlenzen corresponderend met de roosterafstanden P = 400, 530, en 600 nm in het frequentiebereik van 400~800 nm, en de inset toont het model van een 4-μm microlens. De transmissiedips en piek worden gevlagd door cirkels en driehoek, respectievelijk

  1. II.

    Invloeden van willekeurige defecten

Ondanks het feit dat NSL een hoog-parallelle fabricatiemethode is om groot-oppervlakte nanogatenarrays in de microlenzen en hun arrays te creëren, is een waargenomen probleem van deze techniek dat de defecten willekeurig verdeeld zijn door de nanogatenlaag van de microlenzen. De defecten zijn bijna onvermijdelijk tijdens het zelf-assemblageproces van nanoferen, die normaal gedacht worden de resolutie en penetratiediepte van optische methoden fundamenteel te beperken. Het is echter verbazingwekkend dat defecten een ongewone alternatief bieden voor conventionele periodieke structuren om licht te manipuleren. Sommige willekeurige defecten zijn gedemonstreerd om de scherpte van de focus in een specifiek optisch experiment te verbeteren, in plaats van te verslechteren [35, 36]. Daarom is de invloed van defecten ontstaan uit ons fabricageproces op de focusprestaties van de hier bestudeerde microlenzen essentieel voor praktische toepassingen en het verdere onderzoek over willekeurige fotonische kristallen.

Naast de bovengenoemde vacatures, dislocaties, en meervoudige-laag defecten die gegenereerd worden uit het zelf-assemblageproces van nanoferen, kan de vormdeformatie van nanogaten ook bestaan in de uiteindelijke microlenzen tijdens de PS-krimp en PS-verwijdering als gevolg van de ongebalanceerde O2 plasma-etching. Daarom kunnen deze defecten die we overwoegen geclassificeerd worden als vorm- en positie-defecten. Om de impact van de vormdefecten op de focusprestaties van microlenzen te demonstreren, presenteren we de microlenzen met verschillende out-of-roundness σ in de nanogaten wanneer hun gemeenschappelijke vulfactor 0,33 is en de corresponderende optische focusafbeeldingen zijn gegeven in Fig. 7a. Omdat deze focuspatronen voor gevallen van σ = 0,4 en σ = 0,7 bijna hetzelfde zijn behalve de lichte variatie van focusintensiteit. Meer duidelijk, zoals gezien in Fig. 7a, duiden de vergelijkbare focuspatronen in a1, a2, en a3 erop dat de toegenomen graad van deformatie en de verandering van deformatierichting verwaarloosbare invloed hebben op de focus-eigenschappen van microlenzen.

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

a Focusvlekken van microlenzen zijn onafhankelijk van de out-of-roundness fout σ van nanogaten. De focus-eigenschappen tonen geen duidelijke verandering wanneer σ = 0 (afgeronde nanogaten) in Fig. 5 verhoogd wordt tot a1 σ = 0,4, a2 σ = 0,7 met een horizontale vervormde richting, en a3 σ = 0,7 met een loodrechte vervormde richting. b Invoering van ruimtelijke willekeurigheid in de posities van nanogaten. Afwijkingsrichtingen zijn willekeurig verschillend van gat tot gat, maar de afwijkingslengte δ wordt constant gehouden voor elk gat. Dezelfde focuspatronen worden verkregen wanneer de afwijkingslengte b1 δ = 0, b2 δ = 50 nm, en b3 δ = 100 nm

Om de invloeden van positie-defecten te verkennen, wijken we de posities van nanogaten af in verschillende richtingen met een lengte δ. De afwijkingsrichting van elk gat is willekeurig verdeeld van gat tot gat en constant gehouden voor elk δ (zie Fig. 7b). Met de toename van δ, wijken de nanogaten af van de perfect dicht-gepakte toestand en worden "meer willekeurig." Drie vergelijkbare focuspatronen van microlenzen met betrekking tot verschillende willekeurige posities van nanogaten, δ = 0, 50, en 100 nm, worden verkregen. Bovendien wordt waargenomen dat een lichte afname in focusintensiteit verschijnt op het veldprofiel met een meer willekeurige nanogatenarray. Bovenal onthult het dat de vorm- en positie-defecten binnen microlenzen weinig effect hebben op de focusprestaties en meestal alleen de focusintensiteit moduleren.

  1. III.

    Focusprestaties van microlens-arrays

Figuur 8 toont de gefabriceerde 3 × 3 microlenzen array met verschillende afstanden en de experimenteel gemeten optische patronen onder λ = 532 nm, alsook de breedbandverlichting. Let op dat de focusvlekken van microlenzen met meer dislocaties in de array zwakker zijn dan die van andere microlenzen in Fig. 8b. Het is omdat de dislocatiedeffecten effectief het aantal nanogaten reduceren dat bijdraagt aan het optische interferentiepatroon. Verder tonen de resultaten uitstekende overeenstemming met die verkregen door de FDTD-simulaties dat de defecten voornamelijk de focusintensiteit beïnvloeden. Bovendien kunnen de microlenzen de breedband witte licht focussen (Fig. 8 (a2), en (b2)) door de minimale chromatische aberratie. De focusvlekken onder de witte lichtverlichting hebben vergelijkbare laterale dimensies als die onder een enkele golflengte, terwijl de breedband-brandpuntsafstand ongeveer het gemiddelde is van de brandpuntsafstanden bij de SP-versterkte golflengten. Bovendien treedt het focuskoppelende effect in microlens-array wat we geanalyseerd hadden in ons vorige onderzoek [37] op in de verkregen focuspatronen als de regio's C, D, en E gevlagd in Fig. 8 (b1) en (b2).

Lage-kost batch-fabricatie van breedband metaal planar microlenzen via nanofeer-lithografie en fotolithografie

a Optische microscoopafbeeldingen voor de gefabriceerde 3 × 3 microlens array met 8 μm spacing wanneer d = 8 μm en de gemeten optische patronen (A–A) onder (a1) de enkele golflengte van λ = 532 nm en (a2) de breedbandverlichting. Identieke foci van individuele microlenzen worden waargenomen. b Experimentele resultaten (B–B) voor de 3 × 3 microlens array met 4 μm spacing onder (b1) de enkele golflengte van λ = 532 nm en (b2) de breedbandverlichting. Het koppelende effect tussen twee aangrenzende microlenzen, aangeduid door de regio's C, D, en E, kan waargenomen worden

Conclusies

Kortom, we hebben voor het eerst gedemonstreerd dat de NSL-techniek als een hoog-parallelle en lage-kost methode kan worden gebruikt om de metaalplanar microlenzen te fabriceren die functioneren over het gehele zichtbare spectrum. Ondersteund door de gesimuleerde en experimentele resultaten, kunnen de focus-eigenschappen van microlenzen verklaard worden door een combinatie van zowel optische interferentie als oppervlakteplasmon-effecten. Rekening houdend met de roosterafstand en diameter van nanogaten, kunnen de microlenzen aangepast worden om hoge transmissie bij specifieke golflengten te bieden. De focusprestaties van microlenzen van de perfecte tot de defecte toestand worden verkend door de FDTD-methode. Zowel de simulaties als experimenten verduidelijken dat de willekeurige defecten in nanogatenarrays de focus-efficiëntie van microlenzen en het focuskoppelende effect zoals voorspeld optreedt onder zowel de enkele golflengte als breedbandverlichting. De breedband-focuscapaciteit, geminiaturiseerde grootte, en veelzijdige fabricagetechniek samen openen een groot potentieel voor compacte en goedkope all-optische of opto-elektronische apparaten zoals fotovoltaïsche [26], kleurfilters [38], en brekingsindex-sensing [39].

Afkortingen

3D:

Driedimensionaal

CCD:

Lading-gekoppeld apparaat

FDTD:

Finite-differentie tijd-domein

FWHM:

Volle-breedte op half-maximum

LIL:

Laserinterferentie-lithografie

NA:

Numerieke opening

NSL:

Nanofeer-lithografie

PS:

Polystyrene

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop


Nanomaterialen

  1. Post-pandemie productie revitaliseren door visuele collaboratie
  2. Hoe Een Geünificeerd IIoT-platform Digitale Productiesucces Drijft
  3. Verhef je interieur met custom epoxyhars kunst
  4. Ultra-Breedband TiN/MoS₂ Metamateriaal Absorber Bereikt 98% Efficiëntie van 400–850 nm
  5. Snelle fabricage van hiërarchisch poreuze polyaniline/polyurethane spons-composieten voor flexibele druk- en afstemmbare gassensoren
  6. Longitudinale elektromagnetische oscillaties in metalen: Oppervlakte-excitatiën op vlakke en spherische interfaces
  7. Hoogdoorvoernaam Nanopitfabricatie op Polymere Dunne Films via AFM Dynamische ploeglithografie
  8. Optimalisatie van avermectine nano-afgifte: impact van deeltjesgrootte op vrijgave, stabiliteit en plaagbestrijding
  9. Milieuvriendelijke Co₃O₄ nanodraden met grafene: Een hoogpresterende anode voor lithium-ionbatterijen
  10. Verbeterde reactieve zuurstofsoort generatie door GdVO₄:Eu³⁺ nanopartikelen en methylene blauw complexen onder UV-Vis en X-straling bestraling
  11. Nanomaterialen in Neurologische Ziektebehandeling: Huidige Status en Toekomstige Richtingen