Dimostrazione di metalogrammi visibili all-Dielectric e Multiplexed a rotazione e a più elementi

Riepilogo

Presentiamo un protocollo per la fabbricazione di metaholograms visibili a rotazione e direzione multiplexed, quindi conduciamo un esperimento ottico per verificarne la funzione. Questi metahologrammi possono facilmente visualizzare le informazioni codificate, in modo che possano essere utilizzati per la visualizzazione volumetrica e la crittografia delle informazioni.

Abstract

La tecnica di olografia ottica realizzata dai metasuperfici è emersa come un nuovo approccio alla visualizzazione volumetrica e alla visualizzazione della crittografia delle informazioni sotto forma di dispositivi ottici ultrasossini e quasi piatti. Rispetto alla tecnica olografica convenzionale con modulatori di luce spaziale, il metahologramma ha numerosi vantaggi come la miniaturizzazione dell'installazione ottica, una maggiore risoluzione dell'immagine e un campo di visibilità più ampio per le immagini olografiche. Qui, viene riportato un protocollo per la fabbricazione e la caratterizzazione ottica di metahologrammi ottici sensibili allo spin e alla direzione della luce incidente. Le metasuperfici sono composte da silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), che ha un grande indice di rifrazione e un piccolo coefficiente di estinzione nell'intera gamma visibile con conseguente elevata trasmissione ed efficienza di diffrazione. Il dispositivo produce diverse immagini olografiche quando la rotazione o la direzione della luce incidente viene commutata. Pertanto, possono codificare più tipi di informazioni visive contemporaneamente. Il protocollo di fabbricazione consiste nella deposizione di pellicola, nella scrittura del fascio di elettroni e nella successiva incisione. Il dispositivo fabbricato può essere caratterizzato utilizzando una configurazione ottica personalizzata che consiste di un laser, un polarizzatore lineare, un quarto di waveplate, un obiettivo e un dispositivo accoppiato a carica (CCD).

Introduzione

Le metasuperfici ottiche composte da nanostrutture di lunghezza d'onda hanno permesso molti interessanti fenomeni^ottici,tra cui il cloaking ottico 1 , la rifrazione negativa², l'assorbimento della luce^{perfetta 3}, il filtraggio del colore⁴, la proiezione dell'immagine olografica⁵e la manipolazione^{del fascio 6,7,8}. Le metasuperfici ottiche che hanno scatterer progettati in modo appropriato possono modulare lo spettro, il fronte d'onda e la polarizzazione della luce. Le prime metasuperfici ottiche sono state principalmente fabbricate utilizzando metalli nobili (ad esempio, Au, Ag) a causa della loro elevata riflettività e facilità di nanofabbricazione, ma hanno perdite Ohmiche elevate, quindi le metasuperfici hanno una bassa efficienza a brevi lunghezze d'onda visibili.

Lo sviluppo di tecniche di nanofabbricazione per materiali dielettrico che hanno basse perdite di luce visibile (ad esempio, TiO₂⁹, GaN¹⁰e a-Si:H¹¹) ha permesso la realizzazione di dispositivi ottici piatti altamente efficienti con metasuperfici ottici. Questi dispositivi hanno applicazioni in ottica e ingegneria. Un'applicazione interessante è l'olografia ottica per la visualizzazione volumetrica proiettativa e la crittografia delle informazioni. Rispetto agli ologrammi convenzionali che utilizzano modulatori di luce spaziale, il metahologramma ha numerosi vantaggi come la miniaturizzazione della configurazione ottica, una maggiore risoluzione delle immagini olografiche e un campo di visibilità più ampio.

Recentemente, è stata ottenuta la codifica di più informazioni olografiche in un dispositivo metahologramma a strato singolo. Gli esempi includono metahologrammi multipli nello spin^12,13, momento angolare orbitale¹⁴, angolo di luce incidente¹⁵e^{direzione 16}. Questi sforzi hanno superato la lacudazione critica dei metahologrammi, che è una mancanza di libertà di progettazione in un unico dispositivo. La maggior parte dei metahologrammi convenzionali poteva produrre solo singole immagini olografiche codificate, ma il dispositivo multiplex può codificare più immagini olografiche in tempo reale. Quindi, il metahologramma multiplexed è una piattaforma di soluzione cruciale verso un vero display video olografico o ologrammi anticonforming multifunzionali.

Riportati qui sono protocolli per fabbricare spin-and direzione-multiplexed metaholograms visibili all-dielectric, quindi per caratterizzarli otticamente^13,16. Per codificare più informazioni visive in un singolo dispositivo metasuperfici, sono progettati metalogrammi che mostrano due diverse immagini olografiche quando la rotazione o la direzione della luce incidente vengono modificate. Per fabbricare immagini olografiche altamente efficienti in modo paragonabile alla tecnologia CMOS, a-Si:H viene utilizzato per le metasuperfici e vengono sfruttate le risonanze magnetiche doppie e le risonanze antiferromagnetiche indotte al loro interno. Il protocollo di fabbricazione consiste nella deposizione di pellicola, nella scrittura di fasci di elettroni e nell'incisione. Il dispositivo fabbricato è caratterizzato da una configurazione ottica personalizzata composta da un laser, un polarizzatore lineare, una placca d'onda di un quarto, un obiettivo e un dispositivo accoppiato a carica (CCD).

Protocollo

1. Fabbricazione del dispositivo

NOTA: Figura 1 mostra il processo di fabbricazione di a-Si:H metasuperfici¹⁷.

1. Preparare un pezzo di wafer di silice fuso (dimensioni 2 cm x 2 cm, spessore 500 m) come substrato. Sciacquare il substrato con acetone e alcool isopropile (IPA), quindi soffiare gas di azoto sul substrato per asciugarlo.
2. Depositare una pellicola a-Si:H spessa 380 nm sul substrato utilizzando la deposizione di vapore chimico arricchito al plasma (PECVD) con le seguenti impostazioni: temperatura della camera : 300 gradi centigradi; alimentazione a radiofrequenza 800 W; velocità di flusso del gas : 10 sccm per SiH₄ e 75 sccm per H₂; pressione del processo - 25 mTorr; tempo di 30 s.
3. Spin-coat un fotoresista di ografia e-beam. Far cadere il metacrilato polimetile (PMMA) A2 sul substrato e sul cappotto con una velocità di rotazione di 2.000 giri/min per 1 min.
4. Cuocere il substrato rivestito di resistenza su una piastra calda a 180 gradi centigradi per 5 minuti.
5. Spin-coat uno strato polimero conduttivo per prevenire l'accumulo di carica durante il processo di scrittura del fascio di e-beam. Rilasciare il polimero conduttivo (ad esempio, Espacer) sul substrato e sul spin-coat con una velocità di rotazione di 2.000 giri/min per 1 min.
6. Eseguire la litiografia del fascio di e-beam con una tensione di accelerazione di 80 kV e una corrente di 50 pA.
7. Immergere il campione in acqua deionizzata (DI) per 2 minuti per rimuovere lo strato polimero conduttivo. Immergere il campione in 1:3 chetone isobutile metile (MIBK):Soluzione IPA circondata da una tazza ghiacciata per 12 min per sviluppare il modello esposto. Quindi risciacquare il campione con IPA per 30 s.
8. Depositare una pellicola di cromo spessa 30 nm (Cr) utilizzando un evaporatore e-beam.
9. Immergere il campione in acetone per rimuovere lo strato fotoresist noneso e trasferire il modello Cr sul substrato. Sonicate per 1 min a 40 kHz, quindi risciacquare con IPA per 30 s.
10. Etch lo strato a-Si:H scoperto per trasferire il modello Cr nello strato a-Si:H utilizzando un etcher secco con una potenza di origine di 500 W, distorsione di 100 V, flussi di gas di 80 sccm per Cl₂ e 120 sccm per HBr.
11. Immergere il campione in una soluzione Cr etchant per rimuovere la maschera di incisione Cr. Quindi risciacquare il campione in sequenza con acetone, IPA e DI acqua per 30 s, rispettivamente.

2. Caratterizzazione al microscopio elettronico a scansione

1. Spin-coat uno strato polimero conduttivo per prevenire l'accumulo di carica durante il processo di scansione del fascio di elettroni. Rilasciare il polimero conduttivo sul substrato e spin-coat ad una velocità di rotazione di 2.000 rpm per 1 min.
2. Fissare il substrato sul supporto del campione utilizzando il nastro di carbonio. Stolate la camera di blocco del carico premendo il pulsante AIR.
3. Mettere il supporto sull'asta di supporto della camera di blocco del carico. Evacuare la camera di blocco del carico premendo il pulsante EVAC.
4. Impostare l'altezza dello stage e l'angolo di inclinazione impostando il sensore di z su 8 mm e il sensore T su 0 .
5. Aprire la porta della camera di blocco del carico premendo il pulsante OPEN. Premere l'asta di detenzione per trasferire il supporto alla camera principale del microscopio elettronico a scansione (SEM). Estrarre l'asta e premere il pulsante CLOSE.
6. Controllare lo stato di vuoto prima di accendere la pistola elettronica. Eseguire la funzione lampeggiante premendo il pulsante FLASHING per rimuovere il carbonio o la polvere nella pistola elettronica con un'alta tensione istantanea.
7. Accendere la pistola elettronica con una tensione accelerata di 5 kV facendo clic sul pulsante ON nel software SEM.
8. Regolare l'allineamento del fascio per individuare con precisione il fascio di elettroni nella posizione centrale facendo clic sul pannello BEAM ALIGNMENT nel software. Utilizzando un controller di fase, individuare la trave al centro.
9. Regolare l'allineamento dell'apertura e dello stigma per creare un fascio elettronico circolare facendo clic sul pannello APERTURE ALIGNMENT nel software. Utilizzando un controller di stigma, fare un fascio stabile per la scansione nello stesso punto.
10. Acquisire immagini SEM con una messa a fuoco appropriata e la regolazione dello stigmatizzatore.
11. Spegnere il fascio di elettroni facendo clic sul pulsante OFF nel software. Fate clic sul pulsante HOME per riportare lo stage alla posizione originale.
12. Aprire la porta della camera principale e spingere l'asta per raccogliere il supporto del campione. Eseguire lo svasatura della camera di blocco del carico premendo il pulsante AIR, quindi scaricare il supporto.
13. Sciacquare il campione con acqua DI per rimuovere lo strato polimero conduttivo.

3. Caratterizzazione ottica del metalogramma a rotazione

1. Preparare i componenti ottici elencati nella Tabella dei materiali.
2. Collegare il modulo laser di diode a un adattatore che può essere collegato a un supporto ottico da 1 pollice. Regolare l'altezza del laser diodo utilizzando un palo e un supporto postale, e fissare la posizione utilizzando un morsetto.
   NOTA: Ogni componente ottico deve essere montato utilizzando un palo e un supporto per posta, quindi fissato in posizione utilizzando un morsetto.
3. Assemblare la piastra a mezza onda utilizzando un supporto rotazionale di 1 pollice, quindi posizionare la piastra davanti al modulo laser per ruotare la luce linearmente polarizzata.
4. Preparare due specchi montandoli su supporti cinematici da 1 pollice e un disco di allineamento per allineare la direzione del fascio iniziale.
   1. Posizionare il disco di allineamento davanti al laser e impostare l'altezza. Posizionare i due specchi in modo che il fascio si pieghi due volte a 90 gradi ciascuno per alternare le direzioni.
   2. Posizionare il disco di allineamento vicino al secondo specchio e regolare l'angolo del primo specchio ruotando le manopole per allineare la luce al centro.
   3. Posizionare il disco di allineamento lontano dal secondo specchio e regolare l'angolo del secondo specchio ruotando le manopole per allineare la luce al centro.
   4. Ripetere i passaggi 3.4.2 e 3.4.3 fino a quando la luce passa attraverso il centro di un disco di allineamento in entrambe le posizioni.
5. Posizionare un filtro a densità neutra dietro lo specchio per controllare l'intensità della luce. Posizionare un'iride dietro il filtro a densità neutra per controllare il diametro della luce incidente.
6. Per creare una luce polarizzata circolare, posizionare un polarizzatore lineare e una piastra d'onda di un quarto in ordine dietro l'iride. Montare ogni componente sul proprio supporto rotazionale.
7. Fissare la metasuperficie fabbricata su una piastra con un foro e montare la piastra sul supporto di traslazione XY per l'ottica rettangolare. Regolare il supporto di traslazione XY in modo che la luce sia diretta al modello nel campione.
8. Posizionare una lente dopo la metasuperficie. Regolare la posizione dell'obiettivo da posizionare alla lunghezza focale. Posizionare un CCD dopo l'obiettivo per catturare un'immagine ologramma.

4. Caratterizzazione ottica del metalogramma a più direzioni

1. Preparare due divisori di fascio, due specchi, lente e CCD.
   NOTA: questa configurazione può essere costruita dall'impostazione del metahologramma a rotazione aggiungendo componenti aggiuntivi.
2. Posizionare uno splitter trave tra la piastra a quattro onde e il supporto di traslazione XY per dividere la trave in due direzioni. Posizionare un altro separatore tra fascio tra il supporto di traslazione XY e l'obiettivo.
   NOTA: un percorso di trave è lo stesso della precedente impostazione del metahologramma a multipli di spin. In questo caso, un altro fascio diviso verrà allineato per illuminare un campione nella direzione opposta alla configurazione precedente.
3. Posizionare due specchi in modo che il fascio si pieghi due volte a 90 gradi ciascuno per formare direzioni alternate e regolare la trave in modo che venga diretta nella seconda barra di divisione del fascio. Allineare finemente la luce in modo che il fascio irradia correttamente il campione nella direzione opposta.
4. Posizionare un'altra lente a 90 gradi a destra del primo splitter del fascio e posizionare un CCD per acquisire un'immagine ologramma dalla direzione opposta.

Risultati

Le metasuperfici a-Si:H consentono un'elevata efficienza cross-polarizzazione e possono essere fabbricate utilizzando un metodo (Figura 1) compatibile con CMOS; questo tratto può consentire la fabbricazione scalabile e la commercializzazione a breve termine. L'immagine SEM mostra le metasuperfici a-Si:H fabbricate (Figura 2). Inoltre, a-Si:H ha un indice di rifrazione più grande di TiO₂ e GaN, quindi anche con una nanostruttura a basso rapporto di a...

Discussione

Le metasuperfici a-Si:H sono state fabbricate in tre fasi principali: deposizione di pellicola sottile a-Si:H utilizzando PECVD, EBL preciso e incisione a secco. Tra questi passaggi, il processo di scrittura EBL è il più importante. In primo luogo, la densità del modello sulle metasuperfici è piuttosto elevata, quindi il processo richiede un controllo preciso sulla dose di elettroni (energia) e sui parametri di scansione come il numero di punti per area unità. Anche la condizione di sviluppo deve essere scelta con a...

Materiali

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