Démonstration de la génération de faisceaus à intensité égale par Dielectric Metasurfaces

Résumé

Un protocole pour la fabrication et la caractérisation optique des métasurfaces diélectriques est présenté. Cette méthode peut être appliquée à la fabrication non seulement de séparateurs de faisceau, mais aussi de métasurfaces diélectriques générales, telles que des lentilles, des hologrammes et des manteaux optiques.

Résumé

Le protocole de fabrication et de caractérisation d'un séparateur de faisceau de métasurface, permettant la génération de faisceaus d'intensité égale, est démontré. Le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) est déposé sur le substrat de silice fusionné, à l'aide d'un dépôt de vapeur chimique amélioré par plasma (PECVD). Le silicium amorphe typique déposé par évaporation provoque une perte optique grave, empiéchant le fonctionnement à des fréquences visibles. Les atomes d'hydrogène à l'intérieur du film mince en silicium amorphe peuvent réduire les défauts structurels, améliorant ainsi la perte optique. Des nanostructures de quelques centaines de nanomètres sont nécessaires pour le fonctionnement des métasurfaces dans les fréquences visibles. La photolithographie conventionnelle ou l'écriture laser directe n'est pas faisable lors de la fabrication de ces petites structures, en raison de la limite de diffraction. Par conséquent, la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) est utilisée pour définir un masque de chrome (Cr) sur le film mince. Au cours de ce processus, la résistance exposée est développée à une température froide pour ralentir la réaction chimique et rendre les bords de modèle plus nettes. Enfin, a-Si:H est gravé le long du masque, à l'aide de gravures ioniques inductives couplées plasmarée (ICP-RIE). La méthode démontrée n'est pas faisable pour la fabrication à grande échelle en raison du faible débit de l'EBL, mais elle peut être améliorée en la combinant avec la lithographie nanoimprimée. L'appareil fabriqué est caractérisé par une configuration optique personnalisée composée d'un laser, polariseur, lentille, compteur de puissance, et dispositif couplé de charge (CCD). En modifiant la longueur d'onde laser et la polarisation, les propriétés de diffraction sont mesurées. Les puissances de faisceau diffracted mesurées sont toujours égales, indépendamment de la polarisation d'incident, aussi bien que la longueur d'onde.

Introduction

Les métasurfaces composées de réseaux d'antennes sous-ondes bidimensionnelles ont démontré de nombreuses fonctionnalités optiques prometteuses, telles que les lentilles achromatiques^1,2 ,^{hologrammes3,4,5 ,6}, et les manteaux optiques⁷. Les composants optiques encombrants conventionnels peuvent être remplacés par des métasurfaces ultraminces tout en conservant les fonctionnalités d'origine. Par exemple, un séparateur de faisceau est un dispositif optique utilisé pour séparer un faisceau incident en deux faisceaux. Les séparateurs de faisceau typiques sont faits en combinant deux prismes triangulaires. Étant donné que leurs caractéristiques d'interface déterminent les propriétés de fractionnement du faisceau, il est difficile de réduire la taille physique sans dégradation fonctionnelle. D'autre part, les séparateurs de faisceau ultraminces peuvent être réalisés avec des métasurfaces codées avec un gradient linéaire unidimensionnel de phase^8,9. L'épaisseur des métasurfaces est inférieure à leurs longueurs d'onde de travail, et les propriétés de séparation peuvent être contrôlées par la distribution de phase.

Nous avons conçu un séparateur de faisceau de métasurface qui peut générer des faisceaux d'intensité égale indépendamment des états de polarisation d'incident¹⁰. Cette caractéristique provient d'un hologramme Fourier. En raison de l'image de deux taches blanches sur un fond noir, l'hologramme généré à partir de la métasurface est le même que l'image codée. L'hologramme Fourier n'a pas de longueur focale spécifique, de sorte que l'image codée peut être observée dans tout l'espace derrière la métasurface¹¹. Si la même image à deux points est générée derrière la métasurface, elle fonctionne également comme un séparateur de faisceau. L'hologramme fourier par la métasurface crée une image inversée, qui est appelée une image jumelle, en ce qui concerne les états de polarisation orthogonale. L'image jumelle est généralement considérée comme du bruit. Cependant, l'image à deux points codée dans cette métasurface est d'origine symétrique, résultant en un chevauchement parfait des images originales et jumelles. Étant donné que les états de polarisation peuvent être représentés par une combinaison linéaire de polarisations circulaires droitier (RCP) et gaucher (LCP), l'appareil décrit ici montre la fonctionnalité indépendante de polarisation.

Ici, nous présentons un protocole pour la fabrication et la caractérisation optique des métasurfaces diélectriques permettant la génération de faisceaus à intensité égale. La distribution en phase de cet appareil est récupérée à partir de l'algorithme Gerchberg-Saxton (GS), qui est généralement utilisé pour les hologrammes de phase seulement¹². a-Si:H de 300 nm d'épaisseur est déposé sur le substrat de silice fusionné, à l'aide de PECVD. Un masque Cr est défini sur le film a-Si:H, à l'aide d'EBL. Le motif du masque correspond à la distribution de phase dérivée de l'algorithme GS. ICP-RIE est exploité pour écroquer le film a-Si:H le long du masque Cr. Le reste du masque Cr est enlevé par Cr etchant finalisant la fabrication de l'échantillon. La fonctionnalité optique de la métasurface fabriquée est caractérisée à l'aide d'une configuration optique personnalisée. Lorsqu'un faisceau laser est incident à la métasurface, le faisceau transmis est séparé en trois parties, à savoir deux faisceaux diffractés et un faisceau d'ordre zéro. Les faisceaux diffractés s'écartent d'une extension de la trajectoire du faisceau incident tandis que le faisceau de l'ordre zéro le suit. Pour vérifier la fonctionnalité de cet appareil, nous avons mesuré la puissance du faisceau, le profil du faisceau et l'angle diffracté à l'aide d'un compteur de puissance, ccD et protracteur, respectivement.

Tous les procédés de fabrication et les matériaux utilisés sont optimisés pour la fonctionnalité cible. Pour les fréquences de travail visibles, les tailles d'antennes individuelles devraient être de quelques centaines de nanomètres, et le matériau lui-même devrait avoir une faible perte optique à des longueurs d'onde visibles. Seuls quelques types de méthodes de fabrication sont applicables lors de la définition de ces petites structures. La photolithographie typique, ainsi que l'écriture laser directe, sont incapables de la fabrication en raison de la limite de diffraction. Le broyage focalisé de faisceau d'ion peut être employé, mais il y a des issues critiques de la contamination de gallium, de la dépendance de conception de modèle, et de la vitesse lente de processus. Pratiquement, EBL est le seul moyen de faciliter la fabrication de métasurfaces fonctionnant à des fréquences visibles¹³.

Dielectrics sont généralement préférés en raison de la perte ohmic inévitable de métaux. La perte optique de a-Si:H est assez faible pour notre but. Bien que la perte optique de a-Si:H n'est pas aussi faible que les diélectriques à faible perte tels que le dioxyde de titane^1,4 et le silicium cristallin¹⁴, la fabrication d'un-Si:H est beaucoup plus simple. Les processus typiques d'évaporation et de pulvérisation ne sont pas capables de déposer un film a-Si:H. PECVD est généralement nécessaire. Pendant le processus PECVD, certains atomes d'hydrogène des gaz SiH₄ et H₂ sont piégés parmi les atomes de silicium, ce qui donne un film a-Si:H. Il y a deux façons de définir les modèles a-Si:H. L'un est la déposition d'un-Si:H sur un photoresist à motifs, suivie par le processus de décollage, et l'autre est en définissant un masque de gravure sur le film a-Si:H, suivie par le processus de gravure. Le premier est bien adapté aux processus d'évaporation, mais il n'est pas facile de déposer un film a-Si:H à l'aide de l'évaporation. Par conséquent, ce dernier est le moyen optimal de faire des modèles a-Si:H. Cr est utilisé comme matériau de masque de gravure en raison de sa sélectivité de gravure élevée avec du silicium.

Protocole

1. Fabrication de la métasurface diélectrique

1. Prénettoyage d'un substrat de silice fusionné
   1. Préparer un substrat de silice poli à double face (longueur : 2 cm; largeur : 2 cm; épaisseur : 500 m).
   2. Immerger le substrat de silice fusionné dans 50 ml d'acétone et effectuer le processus de sonication pendant 5 min à 40 kHz.
   3. Immerger le substrat dans 50 ml de 2-propanol (IPA) et effectuer le processus de sonication pendant 5 min à 40 kHz.
   4. Rincer le substrat avec l'IPA et souffler l'azote (N₂) gaz pour sécher le substrat avant l'évaporation de l'IPA.
2. Dépôt de a-Si:H par PECVD
   1. Localiser les substrats préparés sur un zig à l'intérieur de la chambre de verrouillage de charge du système PECVD.
   2. Sur le logiciel PECVD, fixez la température de la chambre à 300 oC et fixez la puissance de fréquence radio à 800 W.
   3. Fixez le débit de gaz SiH₄ à 10 sccm et le débit de gaz H₂ à 75 sccm.
   4. Définir la pression du processus à 25 mTorr. Cliquez sur le bouton Démarrer pour démarrer le processus de dépôt, qui prend 300 s.
3. Formation du masque de gravure Cr
   1. Chargez l'échantillon obtenu à partir de l'étape 1.2.4 sur le support de l'échantillon du coucheur de spin. Relâchez le poly(méthyle méthylique) (PMMA) A2 sur l'échantillon à l'aide d'une seringue de 5 ml montée sur un filtre et commencez le processus de revêtement à une vitesse de rotation de 2 000 tr/min pendant 1 min.
      REMARQUE : Le PMMA libéré devrait couvrir l'ensemble du substrat; sinon, le film enduit de spin ne sera pas uniforme.
   2. Transférer l'échantillon du porte-échantillon dans une assiette chaude et cuire l'échantillon avec une plaque chaude à 180 oC pendant 5 min. Ensuite, refroidir l'échantillon à température ambiante pendant 1 min.
   3. Chargez l'échantillon sur le porte-échantillon du porte-spin. Relâchez l'espaceur E sur l'échantillon, à l'aide d'une pipette de 1 ml, et commencez le processus de revêtement avec une vitesse de rotation de 2 000 tr/min pendant 1 min.
      REMARQUE : L'espaceur électronique libéré devrait couvrir tout le substrat ; sinon, le film enduit de spin ne sera pas uniforme.
   4. Chargez et fixez l'échantillon sur le zig pour EBL. Placez le zig dans la chambre EBL et, ensuite, chargez-le dans la chambre principale.
   5. Sur la console EBL, appuyez sur le bouton Isolation et, ensuite, sur le bouton FC. Définir le grossissement à sa valeur maximale à l'aide du bouton de grossissement.
   6. Allumez le bouton zéro vérification. Tournez le bouton de courant de faisceau pour définir la valeur de courant de faisceau à 50 pA. Éteignez le bouton Zéro vérification.
   7. Appuyez sur le bouton de référence pour déplacer la scène vers la position de référence. Éteignez le bouton Blank.
   8. Définir la valeur de grossissement à 100 000 à l'aide du bouton de grossissement. Ajustez les boutons de mise au point et de stigmatisation pour obtenir l'image la plus claire dans l'écran EBL. Allumez le bouton Blank.
   9. Sur l'ordinateur connecté à la console EBL, exécutez le terminal Linux. Déplacez l'emplacement actuel vers le dossier qui a le fichier .gds, en utilisant la commande CD.
   10. Entrez gds2cel pour convertir le fichier .gds en un fichier .cel et attendez qu'il se termine. Entrez le travail pour exécuter le logiciel principal.
   11. Cliquez sur le menu de modification de la taille des jetons. Sélectionnez 600 m x 600 m et 240 000points. Cliquez sur Enregistrer, puis sortir.
   12. Cliquez sur le menu de création de données Pattern. Entrez ps dans la fenêtre de commande pour charger le fichier .cel de modèle généré à partir de l'étape 1.3.10. Entrez i dans la fenêtre de commande et cliquez sur le modèle pour amplifier l'image du motif.
   13. Entrez sd dans la fenêtre de commande et 3 pour définir le temps de dose à 3 's. Entrez sp dans la fenêtre de commande et 1,1 pour définir le pitch d'exposition à un état normal. Entrez pc dans la fenêtre de commande et un nom de fichier pour créer un fichier .ccc. Cliquez sur le centre du motif.
   14. Entrez cp dans la fenêtre de commande et cliquez sur le modèle pour appliquer les conditions d'exposition à partir de l'étape 1.3.13. Entrez sv dans la fenêtre de commande et un nom de fichier pour créer un fichier .con. Entrez q dans la fenêtre de commande pour quitter le menu de création de données Pattern.
   15. Cliquez sur le menu Exposition. Entrez i et le nom de fichier .con de l'étape 1.3.14. Entrez e et cliquez sur le bouton Exposition pour commencer le processus d'exposition.
       REMARQUE : Le temps d'exposition dépend de la zone et de la densité du modèle. Les motifs de métasurface généraux d'une surface de 300 m x 300 m prennent 3 h.
   16. Lorsque le processus d'exposition se termine, éteignez le bouton Isolation. Appuyez sur le bouton EX pour déplacer la scène.
   17. Déchargez l'échantillon de la chambre après avoir terminé l'exposition. Immerger l'échantillon dans 50 ml d'eau déionisée (DI) pendant 1 min pour enlever l'espaceur E.
   18. Préparer 10 ml de cétone d'isobutyle de méthyle (MIBK)):IPA 1:3 solution dans un bécher entouré de glace. Immerger l'échantillon dans la solution MIBK:IPA 1:3 pendant 12 min. Ensuite, rincez l'échantillon avec l'IPA et soufflez le gaz N₂ pour sécher l'échantillon.
   19. Chargez et fixez l'échantillon sur le support de l'évaporateur de faisceau d'électrons. Montez le support à l'intérieur de la chambre de l'évaporateur.
   20. Chargez un Cr de type pièce contenant du graphite-crucible à l'intérieur de la chambre d'évaporation.
   21. Sur le logiciel de l'évaporateur de faisceau d'électrons, cliquez sur le bouton de pompage Chamber pour créer un vide à l'intérieur de la chambre, et abaisser la pression à 3 x 10^-6 mTorr.
   22. Sélectionnez le chrome dans la section matériel le matériel et cliquez sur le bouton Matériel pour l'appliquer. Cliquez sur le bouton d'obturation E-faisceau pour ouvrir l'obturateur source. Cliquez sur la haute tension et le bouton Source, dans cet ordre.
   23. Cliquez sur le bouton de flèche ascendante pour augmenter la puissance du faisceau d'électrons lentement, et répétez-le jusqu'à ce que le taux de dépôt atteigne 0,15 nm/s.
       REMARQUE: Un clic par 5 s est assez lent.
   24. Cliquez sur le bouton Zéro pour réinitialer la jauge d'épaisseur. Cliquez sur le bouton d'obturation principal pour ouvrir l'obturateur principal. Lorsque la jauge d'épaisseur atteint 30 nm, cliquez sur le bouton d'obturation principal pour fermer l'obturateur principal.
       REMARQUE : Le temps de dépôt peut être facilement calculé à partir du taux de dépôt. Une déposition de 30 nm d'épaisseur prend 200 s, dans l'état utilisé ici.
   25. Cliquez sur le bouton d'obturation E-faisceau pour fermer l'obturateur source. Cliquez sur le bouton de flèche vers le bas pour diminuer la puissance du faisceau d'électrons lentement, et répétez-le jusqu'à ce que la puissance atteigne 0.
       REMARQUE: Un clic par 5 s est assez lent.
   26. Cliquez sur la Source et, ensuite, le bouton Haute tension. Attendez 15 min pour refroidir la chambre. Cliquez sur le bouton Vent pour évacuer la chambre et décharger l'échantillon du support.
   27. Immerger l'échantillon dans 50 ml d'acétone pendant 3 min. Conduire le processus de sonication pendant 1 min à 40 kHz. Rincer l'échantillon avec ipA et souffler le gaz N₂ pour sécher l'échantillon.
4. Processus de gravure d'un-Si:H
   1. Étendre la colle thermique à l'arrière de l'échantillon. Fixez l'échantillon sur le zig et chargez le zig sur le système de gravure.
   2. Sur le logiciel, définir le débit de gaz de chlore (Cl₂) à 80 sccm et le débit de gaz bromure d'hydrogène (HBr) à 120 sccm. Définir l'alimentation à 500 W et le biais à 100 V. Cliquez sur le bouton Démarrer pour démarrer le processus de gravure pour 100 s.
   3. Déchargez l'échantillon et retirez la colle thermique à l'œil d'un essuie-glace antipoussière.
   4. Immerger l'échantillon dans 20 ml de Cr etchant pendant 2 min et dans 50 ml d'eau DI pendant 1 min. Rincer l'échantillon avec de l'eau DI et souffler le gaz N₂ pour sécher l'échantillon.
5. Obtenir l'image du microscope électronique à balayage de la métasurface fabriquée
   1. Chargez l'échantillon sur le support de l'échantillon du porte-échantillon, relâchez l'espaceur E sur l'échantillon à l'aide d'une pipette de 1 ml et commencez le processus de revêtement à une vitesse de rotation de 2 000 tr/min pendant 1 min.
   2. Fixer l'échantillon sur le support de l'échantillon du microscope électronique à balayage (SEM), à l'aide de ruban adhésif carbone. Placez le support dans la chambre de verrouillage de charge du SEM et créez un vide dans la chambre de verrouillage de charge.
   3. Transférer le support de la chambre de verrouillage de charge à la chambre principale. Allumez le faisceau d'électrons avec une tension d'accélération de 15 kV.
   4. Déplacez la scène à une distance de travail de 1 cm. Trouvez le métasurface en déplaçant la scène horizontalement. Ajustez le stigmatisme et la longueur focale jusqu'à ce que l'image devienne claire.
   5. Capturez les images.
   6. Éteignez le faisceau d'électrons. Déplacez la scène à la position d'extraction. Transférer le support de la chambre principale à la chambre de verrouillage de charge.
   7. Évacuer la chambre de verrouillage de charge et décharger l'échantillon.
   8. Immerger l'échantillon dans 50 ml d'eau DI pendant 1 min pour enlever l'espaceur E. Souffler le gaz N₂ pour sécher l'échantillon.

2. Caractérisation optique de la métasurface diélectrique

REMARQUE : Le rayonnement direct d'un laser peut endommager les yeux. Évitez l'exposition directe aux yeux et portez les lunettes de sécurité laser appropriées.

1. Montez un laser de longueur d'onde de 635 nm sur la table optique (Figure 1a). Allumez le laser et attendez 10 min pour stabiliser la puissance du faisceau.
2. Ajuster l'alignement horizontal et vertical du laser à l'aide d'un écran d'alignement à la fois près et loin du laser.
3. Placez un filtre de densité neutre devant le laser. Montez la première lentille convexe derrière le filtre de densité neutre. Placez un iris au plan focal arrière de la lentille convexe pour éliminer le bruit.
4. Montez la deuxième lentille convexe avec deux fois la longueur focale de la première lentille convexe. Placez un polariseur linéaire derrière la deuxième lentille convexe. Placez un polariseur circulaire droitier derrière le polariseur linéaire.
5. Montez la troisième lentille convexe derrière le polariseur circulaire. Mont de la métasurface fabriquée sur le support. Localiser le métasurface au plan focal arrière de la lentille convexe.
   REMARQUE : Le faisceau laser doit être incident du substrat à la zone à motifs.
6. Placez un épais écran de papier blanc, qui a un trou de 1 cm de diamètre au centre, derrière la métasurface. Montez un protracteur sur la table optique alignant l'origine avec le métasurface.
7. Mesurez la puissance des trois faisceaux diffractés, qui sont trois points lumineux sur l'écran, à l'aide d'un compteur de puissance.
   REMARQUE : Si la puissance du faisceau laser n'est pas maintenue à une constante, calculez la puissance moyenne du faisceau sur une période de temps.
8. Remplacez le polariseur circulaire droitier par un polariseur circulaire gaucher. Mesurez les trois puissances de faisceau diffractées, à l'aide du compteur de puissance.
9. Retirez le polariseur circulaire gaucher. Mesurez trois puissances de faisceau diffractées, à l'aide du compteur de puissance.
10. Diminuez la puissance du faisceau laser, en utilisant le filtre de densité neutre pour permettre une mesure CCD. Placez le polariseur circulaire droitier. Capturez les trois profils de faisceaus diffractés à l'aide du CCD.
    REMARQUE : Une puissance de faisceau laser plus faible est préférable, pour empêcher les dommages de CCD. Une puissance de faisceau de 300 W a été utilisée dans ce travail.
11. Remplacez le polariseur circulaire droitier par le polariseur circulaire gaucher. Capturez les trois profils de faisceauds diffractés, à l'aide du CCD.
12. Retirez le polariseur circulaire gaucher. Capturez les trois profils de faisceauds diffractés, à l'aide du CCD.
13. Remplacez le laser de longueur d'onde de 635 nm par un laser à longueur d'onde de 532 nm.
14. Répétez les étapes 2.2 à 2.12.

Résultats

Les résultats de la mesure montrent la fonctionnalité indépendante de polarisation de l'appareil présentée ici (figure 1). Les puissances de faisceau mesurées des ordres de diffraction de m à 1 sont égales indépendamment de l'état de polarisation incident (c.-à-d., RCP, LCP, et polarisation linéaire). Étant donné que les états de polarisation arbitraire peuvent être décomposés par la combinaison linéaire de RCP et LCP, la fonctionnalité de l'appareil peut être maintenue,...

Discussion

Certaines étapes de fabrication doivent être effectuées avec soin, pour générer une métasurface qui est la même que la conception originale. Dans le processus de développement de résistance, une solution à basse température est généralement préférée. L'état standard est la température ambiante, mais la vitesse de réaction peut être ralentie en diminuant la température de la solution à 0 oC. Bien que le temps de réaction correspondant s'allonge, un modèle plus fin peut être obtenu qu'avec des cond...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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