Demonstração de Metahologramas visíveis all-dielectric all-dielectric de spin-multiplexed e de direção

Resumo

Apresentamos um protocolo para fabricação de metahologramas visíveis de spin e direção multiplexada e, em seguida, realizamos um experimento óptico para verificar sua função. Esses metahologramas podem visualizar facilmente informações codificadas, para que possam ser usadas para exibição volutiva projetiva e criptografia de informações.

Resumo

A técnica óptica de holografia realizada por metasuperfícies surgiu como uma nova abordagem para exibição volutiva projetiva e exibição de criptografia de informações na forma de dispositivos ópticos ultrathin e quase planos. Comparado à técnica holográfica convencional com moduladores de luz espacial, o metaholograma tem inúmeras vantagens como miniaturização da configuração óptica, maior resolução de imagem e maior campo de visibilidade para imagens holográficas. Aqui, é relatado um protocolo para a fabricação e caracterização óptica de metahologramas ópticos sensíveis ao giro e à direção da luz incidente. As metasuperfícies são compostas de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), que possui grande índice de refração e pequeno coeficiente de extinção em toda a faixa visível, resultando em alta transmissão e eficiência de difração. O dispositivo produz diferentes imagens holográficas quando o giro ou direção da luz incidente são comutadas. Portanto, eles podem codificar vários tipos de informações visuais simultaneamente. O protocolo de fabricação consiste em deposição de filme, escrita de feixe de elétrons e gravação subsequente. O dispositivo fabricado pode ser caracterizado usando uma configuração óptica personalizada que consiste em um laser, um polarizador linear, uma placa de onda de quarto, uma lente e um dispositivo acoplado por carga (CCD).

Introdução

Metasuperfícies ópticas compostas por nanoestruturas de comprimento de onda sub-ondas permitiram muitos fenômenos ópticos interessantes, incluindo camuflagem óptica^1,refração negativa^2,absorção perfeita de luz^3,filtragem de cores^4,projeção de imagem holográfica⁵e manipulação de feixe^6,,7,,8. Metasuperfícies ópticas que tenham dispersores apropriadamente projetados podem modular o espectro, a frente de onda e a polarização da luz. As metásperas ópticas primitivas foram fabricadas principalmente usando metais nobres (por exemplo, Au, Ag) devido à sua alta reflexividade e facilidade de nanofabaça, mas eles têm altas perdas ohmic, de modo que as metasuperfísulas têm baixa eficiência em comprimentos de onda visíveis curtos.

O desenvolvimento de técnicas de nanofabricação para materiais dielétricos que têm baixas perdas em luz visível (por exemplo, TiO₂⁹, GaN¹⁰e a-Si:H¹¹) possibilitou a realização de dispositivos ópticos planos altamente eficientes com metasuperfícies ópticas. Esses dispositivos possuem aplicações em óptica e engenharia. Uma aplicação intrigante é a holografia óptica para exibição volutiva projetiva e criptografia de informações. Comparado aos hologramas convencionais que usam moduladores de luz espacial, o metaholograma tem inúmeras vantagens, como miniaturização da configuração óptica, maior resolução de imagens holográficas e maior campo de visibilidade.

Recentemente, a codificação de múltiplas informações holográficas em um dispositivo metaholograma de camada única foi alcançada. Exemplos incluem metahologramas que são multiplexados no giro^12,,13, momento angular orbital^14,ângulo de luz incidente¹⁵e direção¹⁶. Esses esforços superaram a deficiência crítica dos metahologramas, que é a falta de liberdade de design em um único dispositivo. A maioria dos metahologramas convencionais só poderia produzir imagens holográficas codificadas únicas, mas o dispositivo multiplexado pode codificar várias imagens holográficas em tempo real. Assim, o metaholograma multiplexado é uma plataforma de solução crucial para a exibição de vídeo holográfica real ou hologramas anti-contagem multifuncionais.

Relatados aqui estão protocolos para fabricar metahologramas visíveis totalmente dielétricos de spin e direção multiplexados, em seguida, para caracterizá-los opticamente^13,16. Para codificar múltiplas informações visuais em um único dispositivo metasurface, são projetados metahologramas que mostram duas imagens holográficas diferentes quando o giro ou direção da luz incidente são alteradas. Para fabricar imagens holográficas altamente eficientes de uma maneira comparável com a tecnologia CMOS, a-Si:H é usado para as metásperas e ressonâncias magnéticas duplas e ressonâncias antiferrommagnéticas induzidas dentro delas são exploradas. O protocolo de fabricação consiste em deposição de filme, escrita de feixe de elétrons e gravura. O dispositivo fabricado é caracterizado por uma configuração óptica personalizada composta por um laser, um polarizador linear, uma placa de onda de quarto, uma lente e um dispositivo acoplado por carga (CCD).

Protocolo

1. Fabricação de dispositivos

NOTA: A Figura 1 mostra o processo de fabricação de metasuperfícies a-Si:H¹⁷.

1. Prepare uma peça de wafer de sílica fundida (tamanho = 2 cm x 2 cm, espessura = 500 μm) como substrato. Enxágüe o substrato com acetona e álcool isopropílico (IPA) e, em seguida, sopre gás nitrogênio sobre o substrato para secá-lo.
2. Deposite uma película a-Si:H de 380 nm de espessura no substrato usando a deposição de vapor químico aprimorada por plasma (PECVD) com as seguintes configurações: temperatura da câmara = 300 °C; energia de radiofrequência = 800 W; taxa de fluxo de gás = 10 sccm para SiH₄ e 75 sccm para H₂; pressão do processo = 25 mTorr; tempo = 30 s.
3. Gire um fotoresist de litografia de feixe eletrônico. Coloque o methacrilato de polimetila (PMMA) A2 no substrato e spin-coat com uma velocidade de rotação de 2.000 rpm por 1 min.
4. Asse o substrato revestido de resistência em uma placa quente a 180 °C por 5 min.
5. Gire uma camada de polímero condutora para evitar o acúmulo de carga durante o processo de escrita do feixe eletrônico. Solte o polímero condutor (por exemplo, Espacer) no substrato e spin-coat com uma velocidade de rotação de 2.000 rpm por 1 min.
6. Execute a litografia do feixe eletrônico com uma tensão de aceleração de 80 kV e uma corrente de 50 pA.
7. Mergulhe a amostra em água desionizada (DI) por 2 minutos para remover a camada condutora do polímero. Mergulhe a amostra em 1:3 cetona de isobutilo de metila (MIBK):Solução IPA cercada por um copo gelado por 12 minutos para desenvolver o padrão exposto. Em seguida, enxágue a amostra com IPA para 30 s.
8. Deposite uma película de cromo de 30 nm de espessura (Cr) usando um evaporador de feixe eletrônico.
9. Mergulhe a amostra em acetona para remover a camada fotoresistista não exposta e transfira o padrão Cr para o substrato. Sonicate por 1 min a 40 kHz, em seguida, enxágue com IPA para 30 s.
10. Etch a camada a-Si:H descoberta para transferir o padrão Cr para a camada a-Si:H usando um etcher seco com uma potência de origem de 500 W, viés de 100 V, taxas de fluxo de gás de 80 sccm para Cl₂ e 120 sccm para HBr.
11. Mergulhe a amostra em uma solução de etchant Cr para remover a máscara de etch Cr. Em seguida, enxágue a amostra sequencialmente com acetona, IPA e dI para 30 s, respectivamente.

2. Caracterização do microscópio eletrônico de varredura

1. Gire uma camada de polímero condutora para evitar o acúmulo de carga durante o processo de varredura do feixe de elétrons. Solte o polímero condutor no substrato e gire a uma velocidade de rotação de 2.000 rpm por 1 min.
2. Fixar o substrato no suporte de amostra usando fita de carbono. Desfoque a câmara de bloqueio de carga pressionando o botão AIR.
3. Coloque o suporte na haste de retenção da câmara de bloqueio de carga. Evacue a câmara de bloqueio de carga pressionando o botão EVAC.
4. Ajuste a altura do palco e o ângulo de inclinação, definindo o sensor Z para 8 mm e o sensor T para 0°.
5. Abra a porta da câmara de bloqueio de carga pressionando o botão OPEN. Pressione a haste de retenção para transferir o suporte para a câmara principal de microscópio eletrônico de varredura (SEM). Puxe a haste e pressione o botão CLOSE.
6. Verifique o estado de vácuo antes de ligar a arma eletrônica. Execute a função piscando pressionando o botão FLASHING para remover carbono ou poeira na arma eletrônica com uma alta tensão instantânea.
7. Ligue a arma eletrônica com uma tensão acelerada de 5 kV clicando no botão ON no software SEM.
8. Ajuste o alinhamento do feixe para localizar com precisão o feixe de elétrons na posição central clicando no painel ALINHAMENTO DO FEIXE no software. Usando um controlador de palco, localize o feixe no centro.
9. Ajuste o alinhamento de abertura e o alinhamento do estigma para fazer um feixe de elétrons circulares clicando no painel alinhamento de abertura no software. Usando um controlador de estigma, faça um feixe estável para digitalizar no mesmo local.
10. Capture imagens SEM com um foco adequado e ajuste estigmatizante.
11. Desligue o feixe de elétrons clicando no botão OFF no software. Clique no botão HOME para retornar o estágio à sua posição original.
12. Abra a porta da câmara principal e empurre a haste para pegar o suporte da amostra. Desabasse a câmara de bloqueio de carga pressionando o botão AIR e descarregue o suporte.
13. Enxágüe a amostra com água DI para remover a camada condutora do polímero.

3. Caracterização óptica do metaholograma de spin-multiplexed

1. Prepare componentes ópticos listados na Tabela de Materiais.
2. Conecte o módulo laser de diodo a um adaptador que pode ser conectado a um suporte óptico de 1 polegada. Ajuste a altura do laser do diodo usando um poste e um suporte de poste, e fixe a posição usando um grampo.
   NOTA: Todos os componentes ópticos devem ser montados usando um poste e um suporte de poste e, em seguida, fixados na posição usando um grampo.
3. Monte a placa de meia onda usando um suporte rotacional de 1 polegada e coloque a placa na frente do módulo laser para girar a luz linearmente polarizada.
4. Prepare dois espelhos montando-os em montagens cinemáticas de 1 polegada e um disco de alinhamento para alinhar a direção do feixe inicial.
   1. Coloque o disco de alinhamento na frente do laser e ajuste a altura. Coloque os dois espelhos para que o feixe dobre duas vezes a 90° cada um para estar alternando direções.
   2. Coloque o disco de alinhamento perto do segundo espelho e ajuste o ângulo do primeiro espelho girando botões para alinhar a luz no centro.
   3. Coloque o disco de alinhamento longe do segundo espelho e ajuste o ângulo do segundo espelho girando botões para alinhar a luz no centro.
   4. Repita as etapas 3.4.2 e 3.4.3 até que a luz passe pelo centro de um disco de alinhamento em ambos os lugares.
5. Coloque um filtro de densidade neutra atrás do espelho para controlar a intensidade da luz. Coloque uma íris atrás do filtro de densidade neutra para controlar o diâmetro da luz incidente.
6. Para fazer uma luz circularmente polarizada, coloque um polarizador linear e uma placa de onda de quarto em ordem atrás da íris. Monte cada componente em sua própria montagem rotacional.
7. Conecte a metasuperfície fabricada a uma placa com um orifício e monte a placa na montagem de tradução XY para óptica retangular. Ajuste o suporte de tradução XY para que a luz seja direcionada para o padrão da amostra.
8. Coloque uma lente após a metasuperfície. Ajuste a posição da lente a ser colocada na distância focal. Coloque um CCD após a lente para capturar uma imagem de holograma.

4. Caracterização óptica do metaholograma de direção multiplexada

1. Prepare dois divisores de feixe, dois espelhos, lente e CCD.
   NOTA: Esta configuração pode ser construída a partir da configuração de metaholograma com multiplexação de spin adicionando componentes adicionais.
2. Coloque um divisor de feixe entre a placa de quarta-onda e a montagem de tradução XY para dividir o feixe em duas direções. Coloque outro divisor de feixe entre a montagem de tradução XY e a lente.
   NOTA: Um caminho de feixe é o mesmo que a configuração anterior do metaholograma spin-multiplexed. Aqui, outro feixe dividido será alinhado para iluminar uma amostra na direção oposta à configuração anterior.
3. Coloque dois espelhos para que o feixe dobre duas vezes a 90° cada para formar direções alternadas e ajustar o feixe a ser direcionado para o segundo divisor de raios. Alinhe bem a luz para que o feixe irradie a amostra corretamente na direção oposta.
4. Coloque outra lente a 90° à direita do primeiro divisor de feixe e coloque um CCD para capturar uma imagem de holograma na direção oposta.

Resultados

As metasuperfícies a-Si:H permitem alta eficiência de polarização cruzada e podem ser fabricadas usando um método (Figura 1) compatível com CMOS; essa característica pode permitir a fabricação escalável e a comercialização em um futuro próximo. A imagem SEM mostra as metasuperfícies fabricadas a-Si:H(Figura 2). Além disso, a-Si:H tem um índice de refração maior que o TiO₂ e o GaN, por isso, mesmo com nanoestrutura de proporção baix...

Discussão

As metasuperfícies a-Si:H foram fabricadas em três passos principais: deposição de filme fino a-Si:H usando PECVD, EBL preciso e gravura seca. Entre essas etapas, o processo de escrita da EBL é o mais importante. Primeiro, a densidade padrão em metasuperfícies é bastante alta, de modo que o processo requer controle preciso sobre a dose de elétrons (energia) e parâmetros de varredura, como número de pontos por unidade área. A condição de desenvolvimento também deve ser escolhida cuidadosamente. A densidade ...

Materiais

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