Ein programmierbares Nanoreplika-Formteil für die Herstellung nanophotonischer Geräte

May 27, 2023

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 22445 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Die Fähigkeit, periodische Strukturen mit Subwellenlängenmerkmalen herzustellen, hat ein großes Potenzial für Auswirkungen auf integrierte Optik, optische Sensoren und Photovoltaikgeräte. Hier berichten wir über einen programmierbaren Nanoreplika-Formprozess zur Herstellung verschiedener periodischer Muster im Submikrometerbereich mit einer einzigen Form. Bei dem Verfahren wird eine dehnbare Form verwendet, um die gewünschte periodische Struktur in einem Photopolymer auf Glas- oder Kunststoffsubstraten zu erzeugen. Beim Replika-Formungsprozess wird eine einachsige Kraft auf die Form ausgeübt und führt zu Veränderungen der periodischen Struktur, die sich auf der Oberfläche der Form befindet. Richtung und Größe der Kraft bestimmen die Array-Geometrie, einschließlich der Gitterkonstante und -anordnung. Durch Dehnen der Form können 2D-Arrays mit quadratischen, rechteckigen und dreieckigen Gitterstrukturen hergestellt werden. Als ein Beispiel präsentieren wir ein plasmonisches Kristallgerät mit Oberflächenplasmonresonanzen, die durch die beim Formen ausgeübte Kraft bestimmt werden. Darüber hinaus werden photonische Kristallplatten mit unterschiedlichen Array-Mustern hergestellt und charakterisiert. Dieses einzigartige Verfahren bietet die Möglichkeit, schnell und kostengünstig verschiedene periodische Nanostrukturen zu erzeugen.

Periodische Nanostrukturen wie 1D- und 2D-Subwellenlängengitter sind für ein breites Spektrum optischer Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie die Lichtausbreitung steuern und die Licht-Materie-Wechselwirkungen verbessern können1. Sie werden in verschiedenen photonischen Geräten genutzt, darunter Beugungsgitter, Drahtgitterpolarisatoren, Gitterkoppler, Laser mit verteilter Rückkopplung und photonische Kristalle2,3,4,5. Die Herstellung periodischer Nanostrukturen war durch die Notwendigkeit, im Submikrometermaßstab zu arbeiten, begrenzt; Herkömmliche Lithographiemethoden wie die Verwendung von Elektronenstrahlen und tiefem Ultraviolett sind entweder zu teuer oder haben einen unzureichenden Durchsatz für die Fertigung im Wafermaßstab. Um dieses Problem anzugehen, wurden Interferenzlithographie und Softlithographie erfolgreich eingesetzt6,7,8,9,10,11. Die Soft-Lithographie bietet die Möglichkeit einer kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Herstellung periodischer Nanostrukturen. Beispielsweise kann das Muster einer Form durch den Nanoreplika-Formprozess bei Raumtemperatur auf ein fotohärtbares Polymermaterial übertragen werden, ohne dass große mechanische Anstrengungen erforderlich sind Kräfte12,13,14.

Obwohl die Soft-Lithographie erfolgreich war, sind die hohen Kosten für Formen ein Nachteil. Um ein Merkmal einzuführen oder zu ändern, muss eine neue Form hergestellt werden. Um die Erzeugung unterschiedlicher Muster und insbesondere periodischer Strukturen zu erleichtern, wurden programmierbare Ansätze entwickelt. Beispielsweise kann die thermische Abstimmung eines thermoplastischen Substrats mit einem Nanomuster eine Vielzahl von Mustern aus einer einzigen Form erzeugen15. Alternativ haben Pokroy et al. nutzten Elastomer- und flexible Formen, um Anordnungen von Nanopfosten mit verschiedenen Perioden im Mikrometerbereich zu erzeugen16.

In diesem Artikel stellen wir verschiedene plasmonische Kristalle und photonische Kristallplatten vor, die durch einen programmierbaren Nanoreplika-Formprozess hergestellt werden, der eine einzige Form verwendet. Bei dieser Technik wird eine elastische Form aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mechanisch gedehnt, um periodische Strukturen mit verschiedenen Perioden und Gitteranordnungen zu erzeugen. Gleichzeitig werden die hohen Durchsatz- und Kostenvorteile des herkömmlichen Nanoreplika-Formverfahrens beibehalten. Wenn eine Kraft ausgeübt wird, passt sich die Oberfläche der PDMS-Form an ein negatives Volumenprofil der gewünschten periodischen Struktur an. Die Nachbildung der gestreckten Formform in einem UV-härtbaren Polymer (UVCP) führt zu programmierbaren Nanostrukturen in einem kostengünstigen und skalierbaren Prozess. Nach dem Replika-Formen können die erzeugten periodischen Strukturen mit einem Dielektrikum oder einem dünnen Metallfilm beschichtet werden; Einige Beispiele sind Titandioxid (TiO2), Gold und Silber. Mit einer 100 nm dicken Silberbeschichtung weisen die hergestellten 2D-Plasmonenkristalle Oberflächenplasmonresonanzen (SPRs) im Spektralbereich von 410 nm bis 570 nm auf. Mit derselben PDMS-Form haben wir Photonik-Kristallplatten mit drei verschiedenen Gitteranordnungen hergestellt, nämlich quadratische, rechteckige und dreieckige Strukturen. Die photonischen Kristallplatten verwenden einen 160 nm dicken TiO2-Film als Lichtbegrenzungsschicht. Abschließend werden Banddiagramme der hergestellten photonischen Kristallplatten experimentell ermittelt und mit Simulationen aus der elektromagnetischen Theorie verglichen.

Abbildung 1 fasst die wichtigsten Schritte des programmierbaren Nanoreplika-Formprozesses zusammen. Zu den wichtigsten Herstellungsverfahren gehören die Vorbereitung der Form, das Strecken der Form, die Musterübertragung und das Lösen der Form. Als erster Schritt wird eine PDMS-Form aus einem starren Glasstempel repliziert, der eine 2D-Anordnung von Nanopfosten mit einer quadratischen Gitteranordnung und Perioden Λx = Λy = 300 nm trägt. Der Glasstempel wurde mithilfe eines Glas-Thermoprägeverfahrens hergestellt, über das bereits berichtet wurde17,18. Anschließend wird die PDMS-Form präzise gedehnt, um ein Gittermuster für ein bestimmtes Gerät zu erhalten. Auf die PDMS-Form wird in der Ebene parallel zu ihrer Oberfläche eine einachsige Kraft ausgeübt. Entlang der Kraftrichtung (y-Achse) wird das Array gedehnt und seine Periode nimmt zu. Dadurch wird das Array auch in der senkrechten x-Richtung komprimiert und die Array-Periode verkürzt. Ebenso ermöglicht uns das Strecken der PDMS-Form in andere Richtungen auch die Programmierung der Gitteranordnung. Wie in Abb. 1 dargestellt, kann die PDMS-Form entlang einer diagonalen Richtung gezogen werden, um das ursprüngliche quadratische Gitter in ein dreieckiges Gitter umzuwandeln. Aus einer gestreckten PDMS-Form wird das modifizierte periodische Muster durch den Nanoreplika-Formprozess auf ein Glas- oder Kunststoffsubstrat repliziert. Die Einzelheiten des Prozesses werden weiter unten im experimentellen Teil beschrieben. Kurz gesagt wird eine Schicht aus flüssigem UVCP-Material zwischen der gestreckten PDMS-Form und einem Glas- oder Kunststoffsubstrat gepresst. Bei Einwirkung von UV-Beleuchtung verfestigt sich das UVCP und löst sich anschließend aus der PDMS-Form.

Schematische Darstellung des programmierbaren Nanoreplika-Formprozesses.

Abbildung 2(a) zeigt schematisch, wie die Geometrie der periodischen Nanostruktur abgestimmt wird, um verschiedene Arten von Arrays zu erzeugen. Die blauen Punkte stellen die Nanopfosten des ungedehnten quadratischen Gitters mit einer Periode von 300 nm dar. Wenn entlang der x-Achse eine einachsige Kraft ausgeübt wird, ändert sich das quadratische Gitter in ein rechteckiges, wie durch die Anordnung kirschfarbener Punkte dargestellt. Abbildung 2(b–d) sind Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) von replizierten dreieckigen, quadratischen bzw. rechteckigen Anordnungen. Die in Abb. 2(d) dargestellte rechteckige Anordnung wurde hergestellt, als die PDMS-Form einer Dehnung von 40 % ausgesetzt war. Die Periode des Arrays nimmt entlang der Richtung der ausgeübten Kraft auf Λx = 420 nm zu. Das Gitter zeigt eine leichte Schrumpfung in Richtung senkrecht zur Kraft mit einer Periode von Λy = 258 nm. Währenddessen ändert sich der Querschnitt der Nanopfosten von kreisförmig zu elliptisch; allerdings bleiben die Arbeitszyklen der periodischen Struktur (Postengröße/Periode) unverändert. Wenn die PDMS-Form entlang der diagonalen Richtung gestreckt wird, ist es möglich, periodische Anordnungen mit einem dreieckigen Gitter zu erzeugen, was durch die Anordnung orangefarbener Punkte in Abb. 2 (b) veranschaulicht wird. Abbildung 2(b) zeigt die Replikation, die hergestellt wurde, als die PDMS-Form unter einer Dehnung von 40 % entlang der 45°-Richtung zur x-Achse stand. Durch genaue Kontrolle des Ausmaßes und der Richtung der Dehnung könnte das dreieckige Gitter in ein sechseckiges Gitter umgewandelt werden.

Schema des Werkzeugprogrammierungsprozesses, beginnend mit der dritten Abbildung von links (a). REM-Bilder von Nanopost-Arrays mit dreieckigem Gitter (b), quadratischem Gitter (c) und rechteckigem Gitter (d).

Die Möglichkeit, das Array-Gitter zu programmieren, ist für einige nanophotonische Geräte besonders nützlich. Als Beispiel haben wir plasmonische Kristalle mit unterschiedlichen periodischen Anordnungen untersucht, die mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien weisen diese Arrays unterschiedliche plasmonische Resonanzen auf. Die in Abb. 3(a) dargestellte plasmonische Kristallstruktur besteht aus einer replizierten 2D-Anordnung von Nanopfosten mit einer 100 nm dicken Silberbeschichtung und unterstützt gittergekoppelte Oberflächenplasmonresonanzmodi (SPR). Anregungslicht, das die Resonanzbedingung erfüllt, kann in einen SPR-Modus eingekoppelt und möglicherweise stark absorbiert werden. Infolgedessen weist das Reflexionsspektrum einen Abfall mit dem minimalen Reflexionsgrad bei der SPR-Wellenlänge (λSP) auf. Die Resonanzwellenlänge kann mit der Gleichung abgeschätzt werden:

(a) Schematische Darstellung einer silberbeschichteten plasmonischen Platte. (b) Simulationen für 0 % und 25 % Dehnung im Vergleich zu experimentellen Daten. Die schwarzen durchgezogenen Linien stellen die Messergebnisse dar und die roten gestrichelten Linien stellen die Simulationen dar.

Dabei ist Λ die Periode des Gitters, (i, j) stellen die Bragg-Resonanzordnungen dar und εm und εd sind die Dielektrizitätskonstanten des Metalls bzw. des umgebenden Mediums19,20. Da die SPRs plasmonischer Kristalle durch die in Gl. gezeigte Gitterperiode bestimmt werden. Wie in 1 gezeigt, kann der programmierbare Replika-Formprozess verwendet werden, um das periodische Array fein abzustimmen und die gewünschte SPR-Modus-Wellenlänge zu erhalten.

Tatsächlich variiert die Resonanzwellenlänge proportional zur Spannung (∈), die in der PDMS-Form durch die einachsige Dehnung erzeugt wird. Um die Korrelation zwischen λSP und ϵ experimentell zu untersuchen, haben wir 10 verschiedene Anordnungen von Nanopfosten repliziert, indem wir die PDMS-Form einer Reihe von Belastungen ausgesetzt haben (∈ = 0 %, 2,5 %, 5 %, 7,5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % und 35 %). Die replizierten 2D-Gitter wurden anschließend mit einem 100 nm dicken Silberfilm beschichtet, um die plasmonischen Kristalle zu bilden. Dieselbe PDMS-Form wurde zehnmal zur Herstellung der plasmonischen Geräte wiederverwendet. Reflexionsspektren der plasmonischen Kristalle wurden gemessen, um ihre Resonanzwellenlängen zu identifizieren. Zur Simulation dieser Reflexionsspektren wurde eine rigorose gekoppelte Wellenanalyse (RCWA) verwendet. Details zur Simulation und Messung werden im experimentellen Teil besprochen. Abbildung 3(b) vergleicht die gemessenen und simulierten Reflexionsspektren von Geräten, die mit 0 % und 25 % Dehnung hergestellt wurden. Bei 0 % Dehnung weist das Gerät einen Reflexionseinbruch bei λSP = 456 nm auf; Die x- und y-polarisierten SPR-Moden stimmen in der Wellenlänge überein, da die Array-Struktur symmetrisch ist. Wie in Abb. 4(a) gezeigt, spaltet die beim Formen ausgeübte Dehnung die unterschiedlich polarisierten Resonanzmoden. Der SPR-Modus mit dem entlang der x-Achse polarisierten elektrischen Feld verschiebt sich mit zunehmender Dehnung zu längeren Wellenlängen; die Verschiebung ist proportional zum Dehnungsgrad. Die entsprechende Kompression entlang der y-Achse führt dazu, dass sich der y-polarisierte SPR-Modus zu kürzeren Wellenlängen bewegt. Für ϵ = 35 % sind die plasmonischen Resonanzen für die x- bzw. y-Polarisation um 111 nm bzw. −41 nm verschoben. Abbildung 4(b) fasst λSP als Funktion der Spannung für beide Polarisationen zusammen. Die gemessenen Resonanzwellenlängen werden durch gerade Linien mit Steigungen von λSP/ϵ = 3,13 und –1,14 nm/(% Dehnung) für die x- bzw. y-Polarisation angepasst.

(a) Die SPR-Reflexionsabfälle für plasmonische Platten, die mit 0 %, 2,5 %, 5 %, 7,5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % und 35 % Dehnung hergestellt wurden. Die Aufteilung zwischen den Einbrüchen für x- und y-Polarisation folgt den Abweichungen der Gitterperiode in x-Richtung (Dehnung) und y-Richtung (Kompression). (b) Plasmonische Resonanzwellenlänge in Bezug auf die angelegte Spannung. Die SPR-Einbrüche in der gestreckten und komprimierten Richtung aus den experimentellen Daten in (a) werden durch die roten Punkte bzw. blauen Quadrate dargestellt; lineare Anpassungen an die Resonanzwellenlängen, durch die durchgezogenen roten und gestrichelten blauen Linien. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von 10 Messungen dar, die an verschiedenen Stellen der Probe durchgeführt wurden.

Die Array-Steuerung im Nanoreplica-Formverfahren kann auch zur Untersuchung und Änderung des Photonenbanddiagramms von Photonenkristallplatten verwendet werden. In dieser Studie basiert die photonische Kristallplatte auf einem gittergekoppelten Wellenleiter, der auch als Leckmode-Wellenleiter bezeichnet wird. Das durch diese Struktur unterstützte Phänomen der geführten Modenresonanz (GMR) liefert schmalbandige optische Resonanzen 3,21,22. Wie in Abb. 5(a) dargestellt, besteht die photonische Kristallplatte aus einem nachgebildeten 2D-Gitter auf einem Glassubstrat, das Licht in einen auf der Oberfläche des Gitters beschichteten dielektrischen Dünnfilmwellenleiter ein- und auskoppeln kann. Bei einer bestimmten Kombination aus Wellenlänge und Einfallswinkel kann der GMR-Modus mit nahezu 100 % Reflexion angeregt werden. Basierend auf der Beugungsgittergleichung können die GMR-Wellenlänge und der Resonanzwinkel aus den Gleichungen berechnet werden: Schließlich stellen n1, n2 und n3 die Brechungsindizes des Superstrats, des Gitterschichtmaterials bzw. des Substrats dar23,24. Wie bei plasmonischen Kristallen hängen auch die Resonanzeigenschaften einer photonischen Kristallplatte von der Array-Geometrie ab.

(a) Schematische Darstellung einer photonischen Kristallplatte mit rechteckigem Gitter. Experimentelle und simulierte Transmissionsspektren photonischer Kristallplatten, wenn die Resonanzmoden aus der Normalenrichtung angeregt werden, für ein quadratisches (b), rechteckiges (c) und dreieckiges Gitter (d).

Hier demonstrieren wir photonische Kristallplatten mit drei verschiedenen Gitteranordnungen, nämlich dem quadratischen, dem rechteckigen und dem dreieckigen Gitter. Die photonischen Kristallplatten wurden mithilfe des programmierbaren Replika-Formverfahrens hergestellt und anschließend mit einer 160 nm dicken TiO2-Schicht (Brechungsindex n = 2,0) beschichtet. Die Transmissionsspektren wurden mit breitbandigem Licht aus der Richtung senkrecht zur Probenoberfläche gemessen. Wie in Abb. 5 (b) gezeigt, zeigt die photonische Kristallplatte mit quadratischem Gitter (Λx = Λy = 300 nm) zwei GMR-Modi bei 560,2 nm und 591,6 nm, die den TM-polarisierten bzw. TE-polarisierten Modus darstellen. Bei den TM-polarisierten Moden verlaufen die elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur periodischen Modulation, während sie bei den TE-polarisierten Moden parallel zur Modulation verlaufen. Aufgrund der Symmetrie des quadratischen Gitters ist die Reflexionsmessung unabhängig von der Polarisation des Anregungslichts. Abbildung 5(b) vergleicht auch die Messung mit der RCWA-Simulation. Die Diskrepanz zwischen gemessenen und simulierten Resonanzeigenschaften entsteht wahrscheinlich dadurch, dass die Simulation die leichte Divergenz des einfallenden Lichts nicht berücksichtigt.

Um ein rechteckiges Gitter zu erzeugen, wurde die PDMS-Form mit einer einachsigen Kraft entlang der x-Achse gestreckt, um eine Dehnung von 25 % zu erzeugen. Die replizierte Array-Struktur zeigt zwei unterschiedliche Perioden (Λx = 375 nm und Λy = 280 nm) entlang der x- bzw. y-Achse. Wie in Abb. 5 (c) gezeigt, weist die rechteckige Gitterplatte zwei TM-polarisierte Moden bei 634,5 nm und 510,1 nm auf, die den modifizierten Array-Perioden entsprechen. Gleichzeitig gibt es auch zwei TE-polarisierte Moden bei 677,2 nm und 535,5 nm. Um anschließend eine photonische Kristallplatte mit einem dreieckigen Gitter herzustellen (Abb. 2 (d)), wurde die PDMS-Form entlang ihrer diagonalen Richtung gestreckt, um eine Dehnung von 35 % zu erreichen. Die gemessene Transmission des photonischen Kristalls mit dreieckigem Gitter ist in Abb. 5 (d) dargestellt. Zum Vergleich stellen die roten Kurven in Abb. 5(c,d) die mit einer RCWA-Simulation berechneten Transmissionsspektren dar.

Um den Effekt der Gitteranordnung weiter zu untersuchen, wurde die Streuung der GMR-Moden als Funktion des Einfallswinkels untersucht. Transmissionsspektren wurden aufgezeichnet, als der Einfallswinkel entlang der Richtungen mit hoher Symmetrie gescannt wurde, wie im experimentellen Teil beschrieben. Für die PC-Platte mit quadratischem Gitter sind die gemessenen und simulierten photonischen Bandstrukturen in Abb. 6 (a) dargestellt. Wenn der Einfallswinkel (θx) vom Γ-Punkt zum X-Punkt zunimmt, bilden sowohl TE-polarisierte als auch TM-polarisierte Moden drei Bänder. Das mittlere „flache“ Band stellt das GMR dar, das durch die Gittermodulation entlang der y-Richtung mit dem Anregungslicht gekoppelt ist. Im Gegensatz dazu teilen sich die durch die Gittermodulation entlang der x-Richtung gekoppelten GMR-Moden in Bezug auf ihre Resonanzwellenlänge in zwei Bänder auf, ein oberes Band und ein unteres Band. Das untere TE-polarisierte Band und das obere TM-polarisierte Band schneiden sich bei θx = 15°. Wenn sich der Einfallswinkel entlang des Γ-M ändert, bilden die TE-polarisierten GMR-Moden ein oberes Band und ein unteres Band. Die TM-polarisierten Moden verzweigen sich in zwei obere Bänder und zwei untere Bänder.

(a,b) Simulierte und gemessene photonische Banddiagramme für die quadratische Gitterstruktur. (c,d) Simulierte und gemessene photonische Banddiagramme für die rechteckige Gitterstruktur. (e,f) Simulierte und gemessene photonische Banddiagramme für die dreieckige Gitterstruktur.

Abbildung 6(b) zeigt die gemessenen und simulierten Bandstrukturen für die rechteckige photonische Kristallplatte mit dem Einfallswinkel, der vom Γ-Punkt zum X- bzw. M-Punkt gescannt wird. Wenn der Einfallswinkel vom Γ-Punkt zum X-Punkt zunimmt, werden zwei flache Bänder (eines für ein TE-Band und eines für ein TM) beobachtet. Die flachen Bänder sind die GMR-Moden, die über die Gittermodulation entlang der y-Richtung gekoppelt sind. Die über die x-Richtungsmodulation gekoppelten GMR-Moden liegen in einem längeren Wellenlängenbereich, da das Rechteckgitter nicht symmetrisch ist und Λx größer als Λy ist. Sowohl für TE- als auch für TM-Polarisationen teilen sich die GMR-Moden in ein oberes Band und ein unteres Band auf. Vom Γ-Punkt bis zum M-Punkt bilden alle vier GMR-Moden zwei Bänder, was zu acht verschiedenen Bändern führt. Ebenso zeigt Abb. 6(c) die experimentellen und berechneten photonischen Banddiagramme für das Gerät mit einer dreieckigen Anordnung, bei der der Einfallswinkel vom Γ-Punkt zu den X- und M-Punkten gescannt wird.

Zusammenfassend wird in diesem Artikel über ein programmierbares Nanoreplika-Formverfahren berichtet, das die Herstellung gitterbasierter nanophotonischer Geräte erleichtert. Unter Verwendung einer einzigen PDMS-Form können mit dieser Herstellungsmethode Subwellenlängenstrukturen mit verschiedenen Gittern hergestellt werden. Wir haben die dehnbare PDMS-Form, die von einem Glasstempel nachgebildet wurde, übernommen, um periodische Nanostrukturen mithilfe von UVCP-Material auf einem Glas- oder Kunststoffsubstrat herzustellen. Beim Nanoreplika-Formen wurde die PDMS-Form präzise gedehnt, um die gewünschte Gittergeometrie zu erzeugen. Nanophotonische Geräte, einschließlich plasmonischer und photonischer Kristalle, wurden durch Aufbringen dünner Metall- oder dielektrischer Filme auf das replizierte UVCP gebildet. Die optischen Resonanzen dieser Geräte wurden experimentell charakterisiert und mit Simulationsergebnissen verglichen. Für die plasmonischen Kristalle erhöhte sich die SPR-Wellenlänge von 456 nm auf 566 nm, wobei beim Formen eine uniaxiale Spannung von 35 % angewendet wurde. Der Bereich der Resonanzwellenlängen könnte mit zunehmender Dehnung sogar noch größer sein, da das PDMS einer Dehnung von bis zu 100 % standhalten kann25,26. Für die photonischen Kristallplatten wurden Reflexionsfilter mit drei verschiedenen Gittergeometrien hergestellt. Aus dem ursprünglichen quadratischen Gitter wurden erfolgreich rechteckige und dreieckige Gitter erhalten. Die photonischen Banddiagramme aller drei Geräte wurden gemessen und zeigten eine gute Übereinstimmung mit Simulationen.

Der Masterstempel mit einer quadratischen 2D-Anordnung (Λ = 300 nm) aus Pfosten mit einem Durchmesser von 150 nm und einer Gesamtabmessung von 50 mm × 50 mm wurde unter Verwendung des Glas-Thermoprägeverfahrens mit einer Glasform hergestellt, die durch Karbonisierung des replizierten Furan-Vorläufers hergestellt wurde17,18. Der Glas-Masterstempel wurde gereinigt und mit einem Antihaft-Silan (Repel Silane, GE Healthercare) behandelt, um die Replikationen zu erleichtern. Die PDMS-Form wurde aus dem Masterstempel durch thermisches Aushärten einer Mischung aus PDMS-Elastomer und Härter (in einem Volumenverhältnis von 1:10) auf dem Masterstempel hergestellt. Die Dicke der PDMS-Formen wurde auf 2 mm eingestellt. Nach 4-stündigem Aushärten bei 100 °C löste sich das verfestigte PDMS vom Masterstempel. Anschließend wurde die PDMS-Form in ein Rechteck mit einer Länge von 50 mm und einer Breite von 15 mm geschnitten. Die Ausrichtung des Gitters auf der PDMS-Form wurde identifiziert und markiert. Während des UV-basierten Replika-Formprozesses wurde die PDMS-Form auf einer maßgeschneiderten Bühne zwischen zwei Griffen platziert, die einen Abstand von L ~ 45 mm hatten. Einer der Griffe war fest und der andere wurde durch einen linearen Translationstisch horizontal (entlang der x-Richtung) gezogen. Die Translationsstufe induzierte Dehnungswerte, εx = Δx/L, wobei Δx das Ausmaß der Dehnung ist. Die PDMS-Form wurde während des Replika-Formprozesses auf der gewünschten Länge gehalten. Eine Schicht flüssiges UVCP (NOA 88, Norland Product Inc.) wurde zwischen die PDMS-Form und ein Glasdeckglas gedrückt. Der UV-Härtungsprozess erfolgte, indem der Stapel aus Deckglas und flüssigem UVCP/PDMS 300 s lang einer UV-Beleuchtung ausgesetzt wurde. Nach dem Aushärten wurden die Replik einer 2D-Anordnung von Nanopfosten und die PDMS-Form durch Abziehen des Deckglases von der PDMS-Form getrennt. Das vollständig ausgehärtete Polymer haftet vorzugsweise am Glassubstrat, ohne Rückstände auf der PDMS-Form zu hinterlassen. Im Anschluss an das Replika-Formen wurde eine Schicht aus dielektrischem (TiO2) oder dünnem Silberfilm durch Elektronenstrahlverdampfung über dem Oberflächenrelief-2D-Gitter abgeschieden, um die Herstellung des Geräts abzuschließen.

Reflexionsspektren plasmonischer Kristalle wurden mit einem Weißlichtreflexionsaufbau gemessen. Als breitbandige Anregungsquelle wurde eine Halogenlampe verwendet, die in eine gegabelte Faser (BFY50HS02, Thorlabs) mit einem Faserspitzenkollimator am Ausgang eingekoppelt wurde. Vor dem Kollimator wurden eine Iris und ein linearer Polarisator platziert, um die Punktgröße und Polarisation des einfallenden Strahls zu steuern. Zur präzisen Einstellung des Einfallswinkels wurde die Beleuchtungsbaugruppe an einer kinematischen Halterung befestigt. Das reflektierte Licht wurde über dieselbe gegabelte Faser in ein Spektrometer (USB2000, OceanOptics) eingekoppelt. Zur Messung seines Reflexionsspektrums wurde eine plasmonische Kristallprobe auf einem motorisierten xy-Translationstisch montiert und in entionisiertes Wasser getaucht. Als Referenz für den Reflexionsgrad wurde ein silberbeschichteter Spiegel verwendet. Mit C# entwickelte Software wurde verwendet, um die Bewegung des Translationstisches zu steuern und Spektren vom Spektrometer für ausgewählte Probenahmestellen auf den plasmonischen Kristallen zu sammeln. Die gemessenen Spektren wurden mithilfe einer Polynomfunktion zweiter Ordnung angepasst, um die Resonanzwellenlänge der plasmonischen Moden zu ermitteln.

Die Dispersionsbanddiagramme der photonischen Kristallplatten wurden durch Aufzeichnung der Transmissionsspektren für mehrere Einfallswinkel gemessen. Der Versuchsaufbau zur Transmissionsmessung besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: einer Halogenlampe für weiße Breitbandbeleuchtung, einer Probenhalterung und einem Spektrometer. Das weiße Licht wurde vor dem Austritt aus der Koppelfaser kollimiert. Der Lichtstrahl ging durch die photonische Kristallplatte und das durchgelassene Licht wurde mit einem Multimode-Faserkollektor gesammelt, der mit dem Spektrometer verbunden war. Die Instrumente wurden horizontal ausgerichtet und als Einfallsebene wurde die horizontale Ebene gewählt. Die Probenhalterung wurde sorgfältig entworfen und verfügt über zwei senkrechte Rotationstische und eine kinematische Halterung, die ausreichend Freiheitsgrade für komplizierte und präzise Winkeleinstellungen bietet. Zu Beginn jeder Messung wurde eine Probe so montiert, dass ihre Oberseite senkrecht zum einfallenden Licht stand (am Γ-Punkt). Anschließend wurde die Probe basierend auf der zu messenden Richtung, dh Γ-X oder Γ-M, vertikal gedreht, sodass die gemessene Richtung parallel zur horizontalen Ebene verlief. Als nächstes wurde die Probe horizontal gedreht, so dass der Einfallswinkel θ entsprechend von 0° bis 15° in Schritten von 0,5° abgetastet wurde. Für jedes θ wurde das Transmissionsspektrum sowohl für die Γ-X- als auch die Γ-M-Richtung aufgezeichnet, um einen Datenwürfel zu bilden. Das Photonenbanddiagramm wurde unter Verwendung von θ und λ als x- bzw. y-Achse aufgetragen.

Die RCWA-Simulationen wurden durchgeführt, um die Reflexions- und Transmissionsspektren der plasmonischen Kristalle und photonischen Kristallplatten zu modellieren. Der Simulationsbereich wurde auf das Einheitsvolumen der periodischen Strukturen eingestellt. Periodische Randbedingungen wurden angewendet, um den Berechnungsbereich in der xy-Ebene abzuschneiden. Zehn räumliche Harmonische wurden sowohl in x- als auch in y-Richtung verwendet. Bei plasmonischen Kristallen wurden die Geräte von einer ebenen Welle aus der Richtung senkrecht zur Oberfläche beleuchtet. Die einfallende Welle war linear polarisiert, wobei das elektrische Feld in der xy-Ebene in einem Winkel von 45° zur x-Achse ausgerichtet war. Die Materialeigenschaften von Silber wurden dem Palik-Handbuch entnommen und dann durch das Multikoeffizientenmodell im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm angepasst. Reflexionsspektren plasmonischer Kristalle wurden im Wellenlängenbereich von 375 nm bis 775 nm berechnet. Durch die Simulation photonischer Kristallplatten wurden deren Dispersionsdiagramme generiert. Die Transmissionsspektren einer photonischen Kristallplatte wurden aufgezeichnet, als der Einfallswinkel (θ) in Schritten von 0,5° von 0° bis 15° gescannt wurde. Die Dispersionsdiagramme für die Γ-X-Richtungen wurden durch Auftragen der Transmissionsspektren als Funktion von θ bei φ = 0° dargestellt. Die Dispersionsdiagramme für die Γ-M-Richtungen wurden bei φ = 45°, 37,12° und 90° für das quadratische, das rechteckige bzw. das dreieckige Gitter aufgezeichnet.

Zitierweise für diesen Artikel: Liu, L. et al. Ein programmierbares Nanoreplika-Formteil für die Herstellung nanophotonischer Geräte. Wissenschaft. Rep. 6, 22445; doi: 10.1038/srep22445 (2016).

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Die Forschung wurde durch den Startup-Fonds der Iowa State University, den 3M Non-Tenured Faculty Award und das Basic Science Research Program der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, finanziert vom Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunftsplanung (NRF). 2013R1A2A2A01068561). JL dankt der National Science Foundation für die Unterstützung durch den Zuschuss CMMI-1363468. LD dankt der National Science Foundation für die Unterstützung durch den Zuschuss ECCS-0954765.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Iowa State University, Ames, 50011, Iowa, USA

Longju Liu, Jingxiang Zhang, Liang Dong und Meng Lu

School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University, Seoul, 156-756, Republik Korea

Mohsin Ali Badshah und Seok-min Kim

Fakultät für Maschinenbau, University of Hawaii, Honolulu, 96822, Hawaii, USA

Jingjing Li

Fakultät für Maschinenbau, Iowa State University, Ames, 50011, Iowa, USA

Meng Lu

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LL, ML und SK haben den Hauptmanuskripttext geschrieben. LL, JZ und MAB führten die Experimente durch. ML, LL, LD und JL hatten die Idee. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Seok-min Kim oder Meng Lu.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, L., Zhang, J., Badshah, M. et al. Ein programmierbares Nanoreplika-Formteil für die Herstellung nanophotonischer Geräte. Sci Rep 6, 22445 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22445

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Eingegangen: 11. Dezember 2015

Angenommen: 15. Februar 2016

Veröffentlicht: 01. März 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep22445

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