스핀 멀티플렉스 및 방향 멀티플렉션 된 모든 유전체 가시 메타 홀로그램의 데모

요약

우리는 스핀 및 방향 멀티플렉스 가시 대사장의 제조를위한 프로토콜을 제시한 다음 광학 실험을 수행하여 기능을 확인합니다. 이러한 메타홀로그램은 인코딩된 정보를 쉽게 시각화할 수 있으므로 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화에 사용할 수 있습니다.

초록

메타표면에서 실현한 광학 홀로그래피 기술은 초박형 및 거의 평평한 광학 장치의 형태로 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화 디스플레이에 대한 새로운 접근법으로 부상했습니다. 공간 광 변조기를 사용한 기존의 홀로그램 기술과 비교하여, 메타홀로그램은 광학 설정의 소형화, 더 높은 이미지 해상도 및 홀로그램 이미지에 대한 가시성의 더 큰 필드와 같은 수많은 장점을 가지고 있습니다. 여기서, 인시던트 라이트의 스핀 및 방향에 민감한 광학 메타홀로그램의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜이 보고된다. 상기 메타표면은 수소무정형 실리콘(a-Si:H)으로 구성되며, 이는 전체 가시 범위에서 큰 굴절지수와 소형 소멸 계수를 가지고 있어 높은 송신 및 회절 효율을 초래한다. 이 장치는 인시던트 라이트의 스핀 또는 방향을 전환할 때 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성합니다. 따라서 여러 유형의 시각적 정보를 동시에 인코딩할 수 있습니다. 제조 프로토콜은 필름 증착, 전자 빔 쓰기 및 후속 에칭으로 구성됩니다. 제조된 장치는 레이저, 선형 편광기, 쿼터 파판, 렌즈 및 충전 결합 장치(CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정을 사용하여 특성화될 수 있습니다.

서문

서브 파장 나노 구조로 구성된 광학 메타표면은 광학 은폐^1,음수 굴절^2,완벽한 광 흡수^3,컬러 필터링^4,홀로그램 이미지 프로젝션^5,빔 조작^6,7,8을포함한 많은 흥미로운 광학^현상을가능하게 하였다.^, 적절하게 설계된 산란체가 있는 광학 메타표면은 빛의 스펙트럼, 파면 및 편광을 조절할 수 있습니다. 초기 광학 메타표면은 주로 나노 제조의 높은 반사율과 용이성으로 인해 고귀한 금속(예: Au, Ag)을 사용하여 제작되었지만, 오믹 손실이 높기 때문에 메타표면은 짧은 가시 파장에서 낮은 효율을 갖는다.

가시광선에서 손실이 적은 유전체 재료(예: TiO₂^9,GaN 10 및 a-Si:H^11)에대한 나노 제조 기술의 개발은 광학 메타표면을 가진 고효율 평면 광학 장치의 실현을 가능하게 했습니다.¹⁰ 이러한 장치에는 광학 및 엔지니어링 분야의 응용 프로그램이 있습니다. 한 가지 흥미로운 응용 프로그램은 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화를 위한 광학 홀로그래피입니다. 공간 광 변조기를 사용하는 기존의 홀로그램과 비교하여 메타홀로그램은 광학 설정의 소형화, 홀로그램 이미지의 높은 해상도 및 더 큰 시야와 같은 수많은 장점을 가지고 있습니다.

최근에는 단일 계층 메타홀로그램 장치에서 다중 홀로그램 정보를 인코딩하여 달성되고 있다. 예로는 스핀 12,^13,궤도 각진 운동량^14,입사 광각¹⁵및^{,방향(16)에서}멀티플렉션되는 메타홀로그램이 있다.¹² 이러한 노력은 단일 장치에서 설계 자유가 부족한 메타홀로그램의 중요한 단점을 극복했습니다. 대부분의 기존 메타홀로그램은 단일 인코딩 된 홀로그램 이미지만 생성 할 수 있지만 멀티 플렉스 장치는 실시간으로 여러 홀로그램 이미지를 인코딩 할 수 있습니다. 따라서, 멀티플렉스 메타 홀로그램은 실제 홀로그램 비디오 디스플레이 또는 다기능 위조 홀로그램을 향한 중요한 솔루션 플랫폼입니다.

여기에 보고된 프로토콜은 스핀 및 방향 멀티플렉시드 올-유전체 가시 형 대사로그램을 제조한 다음^{광학적으로 13,,16을}특성화하는 프로토콜이다. 단일 메타표면 장치에서 여러 시각적 정보를 인코딩하기 위해 메타홀로그램은 인시던트 라이트의 스핀 또는 방향이 변경될 때 두 개의 서로 다른 홀로그램 이미지를 표시하도록 설계되었습니다. CMOS 기술과 비교할 수 있는 방식으로 고효율 홀로그램 이미지를 제작하기 위해 a-Si:H는 메타표면및 이중 자기 공명 및 그 안에 유도된 대금자기 공명에 사용된다. 제조 프로토콜은 필름 증착, 전자 빔 쓰기 및 에칭으로 구성됩니다. 제조된 장치는 레이저, 선형 편광기, 쿼터 파판, 렌즈 및 충전 결합 장치(CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정을 사용하여 특징입니다.

프로토콜

1. 장치 제작

참고: 도 1은 a-Si:H 메타표면(17)의 제작 과정을 나타낸다.¹⁷

1. 융합된 실리카 웨이퍼 조각(크기 = 2cm x 2cm, 두께 =500 μm)을 기판으로 준비합니다. 아세톤과 이소프로필 알코올(IPA)으로 기판을 헹구고 기판 위에 질소 가스를 날려 건조시다.
2. 다음 설정으로 플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 사용하여 기판에 380nm 두께의 a-Si:H 필름을 기판에 기탁한다: 챔버 온도 = 300°C; 무선 주파수 전력 = 800 W; 가스 유량 = H_2용SiH_4용 10cm, sccm 75; 공정 압력 = 25 mTorr; 시간 = 30 s.
3. 스핀 코트 e-빔 리소그래피 포토 레지스트. 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) A2를 기판과 스핀코트에 1분 동안 2,000rpm의 회전 속도로 떨어뜨립니다.
4. 핫플레이트에 저항 코팅된 기판을 5분간 180°C로 굽습니다.
5. 전자빔 쓰기 과정에서 전하 축적을 방지하기 위해 전도성 폴리머 층을 스핀 코팅한다. 전도성 폴리머(예를 들어, Espacer)를 기판과 스핀코트에 1분 동안 2,000rpm의 회전 속도로 놓습니다.
6. 80kV의 가속 전압과 50 pA의 전류로 전자 빔 리소그래피를 실행합니다.
7. 전도성 폴리머 층을 제거하기 위해 2 분 동안 디온화 (DI) 물에 샘플을 침수하십시오. 1:3 메틸 이소부틸 케톤(MIBK):IPA 용액을 아이스 컵으로 둘러싸여 12분 동안 노출된 패턴을 개발합니다. 그런 다음 30s에 대한 IPA로 샘플을 헹신다.
8. e-빔 증발기사용으로 30nm 두께의 크롬(Cr) 필름을 증착합니다.
9. 아세톤에 샘플을 담그고 노출되지 않은 포토레지스트 레이어를 제거하고 Cr 패턴을 기판에 옮겨 보입니다. 40kHz에서 1분 동안 초음파 처리한 다음 IPA로 30초 동안 헹구세요.
10. 에칭 은 C-Si:H 층은 500W의 소스 출력을 가진 건조 에이어를 사용하여 Cr 패턴을 A-Si:H 층으로 옮기고, 100 V의 바이어스, Cl_2의 경우 80cm의 가스 유속, HBr의 경우 120cm의 가스 유량.
11. Cr 에칭 솔루션에 샘플을 담그고 Cr 에칭 마스크를 제거합니다. 그런 다음 각각 30s에 대한 아세톤, IPA 및 DI 물로 샘플을 순차적으로 헹구는다.

2. 전자 현미경 특성을 스캐닝

1. 전자 빔 스캐닝 공정 중 전하 축적을 방지하기 위해 전도성 폴리머 층을 스핀 코팅한다. 전도성 폴리머를 기판에 떨어뜨리고 스핀 코트는 1분 동안 2,000rpm의 회전 속도로 떨어뜨립니다.
2. 탄소 테이프를 사용하여 기판을 샘플 홀더에 고정합니다. AIR 버튼을 눌러 하중 잠금 챔버를 배출합니다.
3. 홀더를 로드 잠금 챔버의 홀딩 로드에 놓습니다. EVAC 버튼을 눌러 로드 잠금 챔버를 분리합니다.
4. Z 센서를 8mm로 설정하고 T 센서를 0°로 설정하여 스테이지 높이 및 틸팅 각도를 설정합니다.
5. OPEN 버튼을 눌러 로드 잠금 챔버 도어를 엽니다. 홀더를 주 스캐닝 전자 현미경(SEM) 챔버로 전송하기 위해 홀더를 누릅니다. 막대를 꺼내 닫기 버튼을 누릅니다.
6. 전자 총을 켜기 전에 진공 상태를 확인하십시오. 깜박이는 버튼을 눌러 전자 총의 탄소 또는 먼지를 즉시 고전압으로 제거하여 깜박이는 기능을 실행합니다.
7. SEM 소프트웨어의 ON 버튼을 클릭하여 5kV의 가속 전압으로 전자 총을 켭니다.
8. 소프트웨어의 BEAM 정렬 패널을 클릭하여 빔 정렬을 조정하여 중앙 위치에 전자 빔을 정확하게 찾습니다. 스테이지 컨트롤러를 사용하여 가운데빔을 찾습니다.
9. 조리개 정렬 및 낙인 정렬을 조정하여 소프트웨어의 조리개 정렬 패널을 클릭하여 원형 전자 빔을 만듭니다. 낙인 컨트롤러를 사용하여 동일한 지점에서 스캔할 수 있는 안정적인 빔을 만듭니다.
10. 적절한 초점과 낙인 조정으로 SEM 이미지를 캡처합니다.
11. 소프트웨어의 OFF 버튼을 클릭하여 전자 빔을 끕니다. 홈 버튼을 클릭하여 스테이지를 원래 위치로 반환합니다.
12. 메인 챔버의 문을 열고 막대를 밀어 샘플 홀더를 선택합니다. AIR 버튼을 눌러 하중 잠금 챔버를 배출한 다음 홀더를 언로드합니다.
13. 전도성 폴리머 층을 제거하기 위해 DI 물로 샘플을 헹구는 다.

3. 스핀 멀티플렉스 메타홀로그램의 광학 특성화

1. 재료 표에나열된 광학 부품 준비.
2. 다이오드 레이저 모듈을 1인치 광학 마운트에 연결할 수 있는 어댑터에 부착합니다. 포스트와 포스트 홀더를 사용하여 다이오드 레이저의 높이를 조정하고 클램프를 사용하여 위치를 수정합니다.
   참고: 모든 광학 부품은 포스트와 포스트 홀더를 사용하여 장착한 다음 클램프를 사용하여 위치에 고정해야 합니다.
3. 1인치 회전 마운트를 사용하여 하프 웨이브 플레이트를 조립한 다음 레이저 모듈 앞에 플레이트를 배치하여 선형 편광 광을 회전시합니다.
4. 1인치 운동형 마운트와 하나의 정렬 디스크에 장착하여 초기 빔의 방향을 정렬하여 두 개의 미러를 준비합니다.
   1. 정렬 디스크를 레이저 앞에 놓고 높이를 설정합니다. 두 개의 미러를 배치하여 빔이 각각 90°에서 두 번 구부러져 방향을 번갈아 가며 배치합니다.
   2. 두 번째 미러 근처에 정렬 디스크를 배치하고 손잡이를 회전하여 첫 번째 미러의 각도를 조정하여 중앙의 빛을 정렬합니다.
   3. 두 번째 미러에서 정렬 디스크를 멀리 배치하고 손잡이를 회전하여 두 번째 미러의 각도를 조정하여 중앙의 빛을 정렬합니다.
   4. 라이트가 두 위치에서 정렬 디스크의 중심을 통과할 때까지 3.4.2 및 3.4.3 단계를 반복합니다.
5. 빛의 강도를 제어하기 위해 미러 뒤에 중립 밀도 필터를 배치합니다. 사고 광의 직경을 제어하기 위해 중립 밀도 필터 뒤에 홍채를 배치합니다.
6. 원형 편광 광을 만들려면 홍채 뒤에 선형 편광기와 쿼터 웨이브 플레이트를 배치합니다. 각 부품을 자체 회전 마운트에 장착합니다.
7. 조작된 메타표면을 구멍이 있는 접시에 부착하고 직사각형 광학용 XY 번역 마운트에 플레이트를 장착합니다. 빛이 샘플의 패턴으로 향하도록 XY 번역 마운트를 조정합니다.
8. 메타표면 후에 렌즈를 놓습니다. 초점 길이에 배치할 렌즈의 위치를 조정합니다. 렌즈 후 CCD를 배치하여 홀로그램 이미지를 캡처합니다.

4. 방향 멀티플렉스 메타홀로그램의 광학 특성화

1. 두 개의 빔 스플리터를 준비, 두 개의 거울, 렌즈와 CCD.
   참고: 이 설정은 추가 구성 요소를 추가하여 스핀 멀티플렉스 메타홀로그램 설정에서 빌드할 수 있습니다.
2. 분기 파판과 XY 번역 마운트 사이에 빔 스플리터를 배치하여 빔을 두 방향으로 나눕다. XY 번역 마운트와 렌즈 사이에 다른 빔 스플리터를 배치합니다.
   참고: 하나의 빔 경로는 이전 스핀 멀티플렉시드 메타홀로그램 설정과 동일합니다. 여기서 다른 분할 빔이 정렬되어 이전 설정과 반대 방향으로 샘플을 비춥춥춥게 됩니다.
3. 두 개의 미러를 배치하여 빔이 각각 90°에서 두 번 구부러져 교대 방향을 형성하고 두 번째 빔 스플리터로 향하는 빔을 조정합니다. 빔이 반대 방향으로 시료를 올바르게 조사할 수 있도록 빛을 미세하게 정렬합니다.
4. 다른 렌즈를 첫 번째 빔 스플리터 오른쪽에 90°로 놓고 CCD를 배치하여 반대 방향에서 홀로그램 이미지를 캡처합니다.

결과

상기 a-Si:H 메타표면은 높은 교차 편광 효율을 가능하게 하고 CMOS와 호환되는방법(도 1)을사용하여 제조될 수 있다; 이러한 특성은 확장 가능한 제조 및 가까운 미래 상용화를 가능하게 할 수 있습니다. SEM 이미지는 제작된 a-Si:H 메타표면(그림2)을나타낸다. 또한, A-Si:H는 TiO₂ 및 GaN보다 굴절률이 크므로, 약 4.7의 낮은 종횡비 나노구조에서도 회절 ...

토론

A-Si:H 메타표면은 PECVD, 정밀EBL 및 건식 에칭을 사용하여 a-Si:H 박막 증착의 세 가지 주요 단계로 제작되었습니다. 이러한 단계 중 EBL 쓰기 프로세스가 가장 중요합니다. 첫째, 메타표면의 패턴 밀도는 매우 높기 때문에 공정은 전자 용량(energy) 및 단위 면적당 점 수와 같은 스캐닝 파라미터를 정밀하게 제어해야 합니다. 개발 조건도 신중하게 선택해야 합니다. 패턴의 밀도는 매우 높기 때문에 개발 ?...

자료

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