הדגמה של ספין-מוליקס וכיוון-multiplexed כל-Dielectric גלוי Metaholograms

Summary

אנו מציגים פרוטוקול לזיוף של מתהולוגרמות גלויות של ספין וכיוון מרובות, ואז עורכים ניסוי אופטי כדי לאמת את תפקודם. metaholograms אלה יכולים בקלות לדמיין מידע מקודד, כך שהם יכולים לשמש עבור תצוגה נפחית הקרנית והצפנה מידע.

Abstract

טכניקת ההולוגרפיה האופטית הממומשת על ידי metasurfaces התפתחה כגישה חדשנית לתצוגה רב-נפחית הקרנית ותצוגת הצפנת מידע בצורה של מכשירים אופטיים דקים וכמעט שטוחים. בהשוואה לטכניקה ההולוגרפית הקונבנציונלית עם אפנוני אור מרחביים, למטאהולוגרם יתרונות רבים כגון מזעור ההתקנה האופטית, רזולוציית תמונה גבוהה יותר ושדה ראות גדול יותר עבור תמונות הולוגרפיות. כאן, פרוטוקול מדווח על ייצור ואפיון אופטי של metaholograms אופטיים רגישים ספין וכיוון של אור אירוע. המטה-על-פניים מורכבים מסיליקון אמורפי שעבר הידרוגנציה (a-Si:H), בעל מדד שבירה גדול ומקדם הכחדה קטן בכל הטווח הנראה לעין וכתוצאה מכך תהליכים גבוהים ויעילות פליטה. ההתקן מפיק תמונות הולוגרפיות שונות כאשר הספין או הכיוון של אור האירוע מוחלפים. לכן, באפשרותם לקודד סוגים מרובים של מידע חזותי בו-זמנית. פרוטוקול ההתברות מורכב מתצהיר סרטים, כתיבת קרן אלקטרונים ותחריט לאחר מכן. ניתן לאפיין את ההתקן המפוברק באמצעות התקנה אופטית מותאמת אישית המורכבת מלייזר, מקטב ליניארי, לוח גל רבע, עדשה והתקן מזוג טעינה (CCD).

Introduction

מטא-ורים אופטיים המורכבים ממבנה תת-גל אפשרו תופעות אופטיות מעניינות רבות,^{כולל הסוואה אופטית 1}, שבירה^{שלילית 2}, ספיגת אור^{מושלמת 3}, סינון^{צבע 4}, הקרנת תמונה הולוגרפית^{5ומניפולציה קרן 6,7,8}. מטה-על-פני-על אופטיים עם פיזורים מעוצבים כראוי יכולים לווסת את הספקטרום, את חזית הגל ואת הקיטוב של האור. מטא-ים אופטיים מוקדמים היו מפוברקים בעיקר באמצעות מתכות אציליות (למשל, Au, Ag) בשל הרפלקטיביות הגבוהה שלהם וקלות nanofabrication, אבל יש להם הפסדים אומיים גבוהים, כך metasurfaces יש יעילות נמוכה באורכי גל קצרים גלויים.

פיתוח טכניקות nanofabrication עבור חומרים דיאלקטריים בעלי הפסדים נמוכים באור גלוי (למשל, TiO₂⁹, GaN¹⁰, ו a-Si:H¹¹⁾אפשר מימוש של מכשירים אופטיים שטוחים יעילים מאוד עם metasurfaces אופטי. התקנים אלה יש יישומים אופטיקה והנדסה. יישום מסקרן אחד הוא הולוגרפיה אופטית לתצוגה רב-נפחית הקרנית והצפנה של מידע. בהשוואה להולוגרמות קונבנציונליות המשתמשות באפננים של אור מרחבי, למטאהולוגרם יתרונות רבים כגון מזעור ההתקנה האופטית, רזולוציה גבוהה יותר של תמונות הולוגרפיות ושדה ראות גדול יותר.

לאחרונה, הושג קידוד של מידע הולוגרפי מרובה בהתקן מטההולגרם חד שכבתי. דוגמאות לכך כוללות מתאולוגרמות כפולות^{בספין 12,13}, מומנטום זוויתי^{מסלולי 14},^{זווית אור אירוע 15וכיוון 16}. מאמצים אלה התגברו על המחסור הקריטי במטאהולוגרמות, שהוא חוסר חופש עיצוב במכשיר אחד. רוב המטהאולוגרמות הקונבנציונליות יכלו להפיק רק תמונות הולוגרפיות מקודדות בודדות, אך התקן מרובה-פלקסים יכול לקודד תמונות הולוגרפיות מרובות בזמן אמת. לפיכך, המטהאולוגרמה המולטיפלקסית היא פלטפורמת פתרון חיונית לתצוגת וידאו הולוגרפית אמיתית או הולוגרמות אנטי-אנטישמיות רב-תכליתיות.

דווח כאן פרוטוקולים לפברק ספין- וכיוון מרובה כל dielectric גלוי metaholograms גלוי, אז לאפיין^{אותם אופטית 13,16}. כדי לקודד מידע חזותי מרובה בהתקן meta-surface יחיד, מתהולוגרמות מתוכננות אשר מציגות שתי תמונות הולוגרפיות שונות כאשר הסיבוב או הכיוון של אור האירוע משתנים. כדי לפברק תמונות הולוגרפיות יעילות באופן דומה לטכנולוגיה CMOS, a-Si:H משמש עבור metasurfaces ותהודה מגנטית כפולה ותהודה אנטיפרומגנטית המושרה בתוכם מנוצלים. פרוטוקול ההתברות מורכב מתצהיר סרטים, כתיבת קרן אלקטרונים ותחריט. ההתקן המפוברק מאופיין באמצעות התקנה אופטית מותאמת אישית המורכבת מלייזר, מקטב ליניארי, לוח גל רבע, עדשה והתקן מזוג טעינה (CCD).

Protocol

1. ייצור מכשיר

הערה: איור 1 מציג את תהליך הייצור של a-Si:H metasurfaces¹⁷.

1. הכן חתיכת וופל סיליקה מותכת (גודל = 2 ס"מ x 2 ס"מ, עובי = 500 μm) כמצע. לשטוף את החתמה עם אצטון ואלכוהול isopropyl (IPA) ולאחר מכן לפוצץ גז חנקן על החתמה כדי לייבש אותו.
2. להפקיד סרט a-Si:H עבה 380 ננ"מ על המצע באמצעות תצהיר אדים כימיים משופר פלזמה (PECVD) עם ההגדרות הבאות: טמפרטורת התא = 300 °C; כוח תדר רדיו = 800 ואט; קצב זרימת גז = 10 sccm עבור SiH_{4 ו 75} sccm עבור H₂; לחץ תהליך = 25 mTorr; זמן = 30 s.
3. ספין-מעיל פוטו-ר-ר-פוטוגרפי של קרן אלקטרונית. שחרר פולימתיל methacrylate (PMMA) A2 על הצוללת ומעיל ספין עם מהירות סיבוב של 2,000 סל"ד במשך 1 דקות.
4. אופים את החתמה המצופה בהתנגדות על פלטה ב-180 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
5. ספין-מעיל שכבת פולימר מוליך כדי למנוע הצטברות מטען במהלך תהליך הכתיבה e-קרן. שחררו את הפולימר ה מוליך (לדוגמה, Espacer) על הצוללת ואת מעיל הסיבוב עם מהירות סיבוב של 2,000 סל"ד למשך דקה אחת.
6. הפעל ליתוגרפיה של קרן אלקטרונית עם מתח האצה של 80 kV וזרם של 50 pA.
7. לטבול את הדגימה במים deionized (DI) במשך 2 דקות כדי להסיר את שכבת פולימר מוליך. לטבול את המדגם 1:3 מתיל isobutyl קטון (MIBK): פתרון IPA מוקף קר במשך 12 דקות כדי לפתח את התבנית החשופה. לאחר מכן לשטוף את הדגימה עם IPA עבור 30 s.
8. הפקדת סרט כרום בעובי 30 דפים לשעה (Cr) באמצעות אידוי קרן אלקטרונית.
9. לטבול את הדגימה אצטון כדי להסיר את שכבת photoresist חסוי ולהעביר את תבנית Cr על הצוללת. Sonicate במשך 1 דקות ב 40 kHz, לאחר מכן לשטוף עם IPA עבור 30 s.
10. Etch את שכבת a-Si:H שנחשפה כדי להעביר את תבנית Cr לתוך השכבה a-Si:H באמצעות etcher יבש עם כוח מקור של 500 W, הטיה של 100 V, שיעורי זרימת גז של 80 sccm עבור Cl_{2 ו} 120 sccm עבור HBr.
11. לטבול את הדגימה בתמיסת etchant Cr כדי להסיר את מסכת Cr etch. לאחר מכן לשטוף את המדגם באופן רציפה עם אצטון, IPA ומי DI עבור 30 s, בהתאמה.

2. סריקת אפיון מיקרוסקופ אלקטרונים

1. ספין-מעיל שכבת פולימר מוליך כדי למנוע הצטברות מטען במהלך תהליך סריקת קרן אלקטרונים. השליכו את הפולימר הפוליכות על הצוללת ומעיל הסיבוב במהירות סיבוב של 2,000 סל"ד למשך דקה אחת.
2. תקן את הצוללת על מחזיק המדגם באמצעות סרט פחמן. פתח את תא נעילת העומס על-ידי לחיצה על לחצן AIR.
3. שים את המחזיק על מוט ההחזקה של תא הנעילה. פנו את תא נעילת העומס על-ידי לחיצה על לחצן פינוי.
4. הגדר את גובה הבמה ואת זווית ההטיה על-ידי הגדרת חיישן Z ל- 8 מ"מ ואת חיישן T ל- 0°.
5. פתח את דלת תא נעילת העומס על-ידי לחיצה על לחצן פתח. לחץ על מוט ההחזקה כדי להעביר את המחזיק לתא מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה הראשי (SEM). משוך את המוט ולחץ על לחצן סגור.
6. בדוק את מצב הוואקום לפני הפעלת אקדח האלקטרונים. בצע את פונקציית ההבהוב על-ידי לחיצה על לחצן מהבהב כדי להסיר פחמן או אבק באקדח האלקטרונים עם מתח גבוה מיידי.
7. הפעל את אקדח האלקטרונים עם מתח האצה של 5 kV על-ידי לחיצה על לחצן ON בתוכנת SEM.
8. כוונן את יישור הקרן כדי לאתר במדויק את קרן האלקטרונים במיקום המרכז על-ידי לחיצה על לוח BEAM ALIGNMENT בתוכנה. באמצעות בקר במה, אתר את הקרן במרכז.
9. כוונן את יישור הצמצם ואת יישור הסטיגמה כדי ליצור קרן אלקטרונים מעגלית על-ידי לחיצה על החלונית 'יישור צמצם' בתוכנה. באמצעות בקר סטיגמה, ליצור קרן יציבה כדי לסרוק באותו מקום.
10. לכוד תמונות SEM עם מיקוד מתאים והתאמה סטיגמטורית.
11. כבה את קרן האלקטרונים על-ידי לחיצה על לחצן כיבוי בתוכנה. לחץ על לחצן HOME כדי להחזיר את השלב למיקום המקורי שלו.
12. פתח את דלת התא הראשי ודחוף את המוט כדי לאסוף את מחזיק הדגימה. פתח את תא נעילת העומס על-ידי לחיצה על לחצן AIR ולאחר מכן בטל את טעינת המחזיק.
13. יש לשטוף את הדגימה עם מי DI כדי להסיר את שכבת הפולימר מוליך.

3. אפיון אופטי של מתהולוגרמה ספין-מוליקס

1. הכן רכיבים אופטיים המפורטים בטבלת החומרים.
2. חבר את מודול לייזר דיודה למתאם שניתן לחבר להרכבה אופטית בגודל 1 אינץ'. התאם את גובה לייזר דיודה באמצעות הודעה ומחזיק דואר, ותקן את המיקום באמצעות מהדק.
   הערה: יש לטעון כל רכיב אופטי באמצעות פוסט ומחזיק דואר, ולאחר מכן לתקן אותם במיקום באמצעות מהדק.
3. להרכיב את לוח הגל חצי באמצעות הרכבה סיבובית 1 אינץ', ולאחר מכן למקם את הלוח מול מודול הלייזר כדי לסובב את האור מקוטב ליניארי.
4. הכן שתי מראות על-ידי הרכבתן על מנשאים קינמטיים בגודל אינץ' אחד ודיסק יישור אחד כדי ליישר את כיוון הקרן הראשונית.
   1. מקם את דיסק היישור לפני הלייזר והגדר את הגובה. מניחים את שתי המראות כך שהקרן מתכופפת פעמיים ב-90 מעלות כל אחת כדי להיות לסירוגין.
   2. מקם את דיסק היישור ליד המראה השניה והתאם את זווית המראה הראשונה על-ידי סיבוב ידיות כדי ליישר את האור במרכז.
   3. מקם את דיסק היישור הרחק מהמראה השניה והתאם את זווית המראה השניה על-ידי סיבוב ידיות כדי ליישר את האור במרכז.
   4. חזור על שלבים 3.4.2 ו- 3.4.3 עד שהאור יעבור דרך מרכז דיסק יישור בשני המקומות.
5. מקם מסנן צפיפות נייטרלית מאחורי המראה כדי לשלוט בעוצמת האור. מקם קשתית מאחורי מסנן הצפיפות הנייטרלית כדי לשלוט בקוטר של אור האירוע.
6. כדי ליצור אור מקוטב באופן מעגלי, מניחים מקטב ליניארי וצלחת גל רבעון כדי מאחורי הקשתית. טען כל רכיב בהרכובה סיבובית משלו.
7. חבר את המטה-על-פניים המפוברקים לצלחת עם חור והר את הצלחת על הרכב התרגום XY לאופטיקה מלבנית. כוונן את הרכבה של תרגום XY כך שהאור יכוון לתבנית בדוגמה.
8. מניחים עדשה לאחר העל-פני השטח. כוונן את מיקום העדשה למיקום באורך המוקד. מקם CCD אחרי העדשה כדי ללכוד תמונת הולוגרמה.

4. אפיון אופטי של metahologram בכיוון מרובה

1. הכן שני מפצלים קרן, שתי מראות, עדשה וCCD.
   הערה: ניתן לבנות הגדרה זו מהגדרת metahologram מרובת ספין על-ידי הוספת רכיבים נוספים.
2. מניחים מפצל קרן בין לוח הגלים של רבע הגל להרכבת התרגום XY כדי לפצל את הקרן לשני כיוונים. מקם מפצל קרן נוסף בין הרכב תרגום XY לבין העדשה.
   הערה: נתיב קרן אחד זהה להתקנה הקודמת של מתהולוגרמה עם סיבוב מרובה- מרובה עותקים. כאן, קרן מפוצלת נוספת תהיה מיושרת כדי להאיר דגימה בכיוון ההפוך להתקנה הקודמת.
3. מניחים שתי מראות כך שהקרן מתכופפת פעמיים ב-90° כל אחת כדי ליצור כיוונים לסירוגין ולהתאים את הקרן למפול הקרן השני. יישרו דק את האור כך שהקרן תאיר את הדגימה כראוי בכיוון ההפוך.
4. מקם עדשה נוספת ב- 90° מימין למפול הקרן הראשון והצב CCD כדי ללכוד תמונת הולוגרמה מהכיוון ההפוך.

תוצאות

a-Si:H metasurfaces לאפשר יעילות קיטוב צולבת גבוהה ולהיות מפוברק באמצעותשיטה (איור 1)התואמת CMOS; תכונה זו עשויה לאפשר ייצור מדרגי ומסחור עתידי קרוב. תמונת SEM מציגה את הדה-ים המפוברקים a-Si:H (איור 2). יתר על כן, a-Si:H יש מדד שבירה גדול יותר TiO 2 ו GaN,_{כך שגם} עם nanostructure יחס גו...

Discussion

a-Si:H metasurfaces היו מפוברקים בשלושה שלבים עיקריים: a-Si:H תצהיר סרט דק באמצעות PECVD, EBL מדויק, ותחריט יבש. בין שלבים אלה, תהליך הכתיבה EBL הוא החשוב ביותר. ראשית, צפיפות התבנית על metasurfaces היא גבוהה למדי, כך התהליך דורש שליטה מדויקת על מינון אלקטרונים (אנרגיה) וסריקה פרמטרים כגון מספר נקודות לכל אזור יחיד?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aceton	J.T. Baker	925402
Beam splitter	Thorlabs	CCM1-BS013/M
Chromium etchant	KMG	Cr-7
Chromium evaporation source	Kurt J. Lesker	EVMCR35D
Clamp	Thorlabs	CP175
Conducting polymer	Showa denko	E-spacer
Diode laser	Thorlabs	CPS635
E-beam evaporation system	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
E-beam resist	Microchem	495 PMMA A2
Electron beam lithography	Elionix	ELS-7800
Half-wave plate	Thorlabs	AHWP05M-600
Inductively-coupled plasma reactive ion etching	DMS	-
Iris	Thorlabs	SM1D12
Isopropyl alcohol	J.T. Baker	909502
Kinematic mirror mount	Thorlabs	KM100/M
Lens	Thorlabs	LB1630
Lens Mount	Thorlabs	LMR2/M
Linear polarizer	Thorlabs	GTH5-A
Mirror	Thorlabs	PF10-03-G01
Neutral density filter	Thorlabs	NDC-50C-4
Plasma enhanced chemical vapor deposition	BMR Technology	HiDep-SC
Post	Thorlabs	TR75/M
Post holder	Thorlabs	PH75E/M
Quarter-wave plate	Thorlabs	AQWP10M-580
Resist developer	Microchem	MIBK:IPA=1:3
Rotational mount	Thorlabs	RSP1/M
Scanning electron microscopy	Hitachi	Regulus8100
XY translation mount	Thorlabs	XYF1/M
1-inch adapter	Thorlabs	AD11F
1-inch lens mount	Thorlabs	CP02/M