Программируемое формование нанорепликов для изготовления нанофотонных устройств.

May 27, 2023

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 22445 (2016) Цитировать эту статью

2522 Доступа

12 цитат

Подробности о метриках

Возможность создавать периодические структуры с субволновыми характеристиками имеет большой потенциал для воздействия на интегральную оптику, оптические датчики и фотоэлектрические устройства. Здесь мы сообщаем о программируемом процессе формования нанореплик для изготовления различных периодических структур субмикрометрового размера с использованием одной формы. В этом процессе используется растягивающаяся форма для создания желаемой периодической структуры фотополимера на стеклянных или пластиковых подложках. В процессе формования реплик к форме прикладывается одноосная сила, что приводит к изменениям периодической структуры, которая находится на поверхности формы. Направление и величина силы определяют геометрию массива, включая постоянную решетки и расположение. Растягивая форму, можно изготовить двумерные массивы с квадратными, прямоугольными и треугольными решетчатыми структурами. В качестве примера мы представляем плазмонное кристаллическое устройство с поверхностными плазмонными резонансами, определяемыми силой, приложенной во время формования. Кроме того, изготавливаются и охарактеризуются фотонно-кристаллические пластины с различными структурами матриц. Этот уникальный процесс дает возможность быстро и недорого создавать различные периодические наноструктуры.

Периодические наноструктуры, такие как 1D и 2D субволновые решетки, имеют решающее значение для широкого спектра оптических приложений, поскольку они контролируют распространение света и могут улучшить взаимодействие света с веществом1. Они используются в различных фотонных устройствах, включая дифракционные решетки, поляризаторы с проволочной сеткой, решеточные соединители, лазеры с распределенной обратной связью и фотонные кристаллы2,3,4,5. Изготовление периодических наноструктур было ограничено необходимостью работать в субмикронных масштабах; традиционные методы литографии, такие как использование электронного луча и глубокого ультрафиолета, либо слишком дороги, либо имеют недостаточную производительность для изготовления пластин. Для решения этой проблемы успешно применяются интерференционная и мягкая литография6,7,8,9,10,11. Мягкая литография обеспечивает возможность недорогого рулонного изготовления периодических наноструктур. Например, рисунок формы может быть перенесен на фотоотверждаемый полимерный материал при комнатной температуре с помощью процесса формования нанореплики без необходимости больших механических усилий. силы12,13,14.

Хотя мягкая литография добилась успеха, ее недостатком является высокая стоимость форм. Чтобы ввести или изменить функцию, необходимо изготовить новую форму. Для облегчения создания различных шаблонов и, в частности, периодических структур были разработаны программируемые подходы. Например, термическая настройка термопластической подложки, несущей наноузор, может создать множество узоров из одной формы15. Альтернативно, Покрой и др. воспользовались преимуществами эластомерных и гибких форм для создания массивов наноштифтов с различными периодами микрометрового масштаба16.

В этой статье мы представляем различные плазмонные кристаллы и фотонно-кристаллические пластины, изготовленные с помощью программируемого процесса формования нанореплик, в котором используется одна форма. Этот метод использует механическое растяжение эластичной формы из полидиметилсилоксана (ПДМС) для создания периодических структур с различными периодами и расположением решетки. В то же время он сохраняет высокую производительность и низкую стоимость традиционного подхода к формованию нанореплик. При приложении силы поверхность формы из ПДМС приспосабливается к отрицательному объемному профилю желаемой периодической структуры. Воспроизведение формы вытянутой формы в полимере, отверждаемом УФ-излучением (UVCP), позволяет получить программируемые наноструктуры в ходе процесса, который является недорогим и поддается масштабированию. После формования реплик полученные периодические структуры могут быть покрыты диэлектриком или тонкой металлической пленкой; некоторыми примерами являются диоксид титана (TiO2), золото и серебро. Изготовленные двумерные плазмонные кристаллы с серебряным покрытием толщиной 100 нм демонстрируют поверхностные плазмонные резонансы (ППР) в спектральном диапазоне от 410 до 570 нм. Используя одну и ту же форму PDMS, мы изготовили пластины фотонных кристаллов с тремя различными вариантами расположения решетки, а именно: квадратной, прямоугольной и треугольной структурой. В фотонно-кристаллических пластинах в качестве светоограничивающего слоя используется пленка TiO2 толщиной 160 нм. Наконец, экспериментально определяются зонные диаграммы изготовленных фотонно-кристаллических пластин и сравниваются с моделированием из теории электромагнетизма.