光学超材料的制备方法与参数提取(PDF X页)

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第27卷第10期强激光与粒子束V o l.27,N o.10 2015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t.,2015

光学超材料的制备方法与参数提取*

李克训1,赵亚丽1,4,江波1,王东红1,王军梅2,3

(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;

2.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,太原030001;

3.中国科学院大学,北京100049;

4.山西大学化学化工学院,太原030006)

摘要:在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要㊂综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程㊂重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的

优缺点㊂在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法㊂

简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数㊁磁导率㊁折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程㊂

关键词:光学超材料;实验;有效参数;刻蚀;自组装

中图分类号: O436文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201527.103233光学超材料是由亚波长结构单元或具有特异电磁特性的超原子组成的人工微纳结构材料㊂随着各个相关领域的发展,包括光磁学[1],光负折射率材料[2],巨大的人工手性[3],超材料非线性光学[4]和电磁隐身斗篷[5]等在内的光学超材料的诸多研究领域受到广泛关注㊂正如材料科学的许多分支一样,光学超材料的研究重点不仅仅是理论分析㊁设计与性能检测,还包括其具体微纳结构的制备技术与结构实现㊂在理论预测和仿真模拟方面,无论具有多么奇特的物理现象,都只有当其结构能够真正得以实现时,才能真正去验证理论推测和模拟结果㊂近年来,随着纳米加工技术的发展,特别是激光器[6]㊁飞秒激光[7]以及先进光学制造技术[8]的出现,使得光学超材料的制备技术得以快速发展㊂由于其结构单元需要控制在光波长范围,即几百纳米,所以相比微波频段的超材料结构,光学超材料的制备更富有挑战性㊂本文将分别叙述二维(2D)和三维(3D)光学超材料的制备方法,并简要介绍光学参数的提取,这将有利于光学超材料的模拟仿真和设计制备㊂

12D光学超材料制备

2D光学超材料的制备方法,主要包括电子束刻蚀(E B L)[9-11]㊁聚焦离子束(F I B)[12]㊁干涉刻蚀(I L)[13-14]和纳米压印刻蚀(N I L)技术[15-16]等方法㊂

1.1电子束刻蚀

电子束刻蚀是以电子聚焦束来代替光刻蚀中的光束,通过曝光在样品表面形成所需要的图案[9]㊂在光学超材料领域,大多数具有里程碑意义的研究结果,如负折射现象[10]㊁显著的磁响应[11]和巨大的手性效应[3]等都是通过电子束刻蚀来实现的㊂由于高能电子的德布罗意波长要远小于光波长,可以明显改变E B L系统中由于光的衍射极限造成的斑点,使其可以小到几个纳米,以便得到精细到纳米级别的图案㊂由于E B L为无掩模工艺,图形可以通过软件来控制,使其成为制备平面纳米结构最为普遍的工具㊂其主要缺点是效率低,时间长,价格高㊂因此,不适合制作大面积或批量制备光学超材料结构㊂

1.2聚焦离子束

与E B L不同,该法是用镓离子聚焦束来实现图形化,加速离子具有几十k e V的能量,足以溅射出样品表面的金属或电介质原子,其离子束聚焦光斑约为10n m,使其成为制造光学超材料的一种替代技术㊂与电子束刻蚀相比,不涉及后处理过程,且操作过程相对比较简单,能在短短20m i n内,制备出面积为16μmˑ16μm 的开口谐振环纳米图形结构[12]㊂虽然F I B法在时间上效率比较高,但其并不是制造高品质光学超材料的首选㊂该过程在本质上是一种破坏和污染过程,过程中高能离子束可以注入到样品表面,导致超材料结构的单元成分和形状发生改变,并进一步造成超材料性能预测与实际观测之间的差异㊂因此,该法在特定设计中可以快速图形化,但不作为2D光学超材料结构的一般性制备方法㊂

*收稿日期:2015-05-01;修订日期:2015-07-17

基金项目:山西省青年科学基金项目(2014021020-1);预研项目(201262401090404);国家重点基础研究发展计划(2013C B A01700)

作者简介:李克训(1982 ),男,硕士,主要从事电磁防护研究;l i k e x u n c c@126.c o m㊂

通信作者:王军梅(1986 ),女,博士,主要从事发光与光催化研究;j u n m e i_88@126.c o m㊂

103233-1

强激光与粒子束

E B L与

F I B都不适于光学超材料结构的大面积和批量制备,只适合不超过毫米量级尺寸的纳米结构制备㊂

1.3干涉刻蚀

干涉刻蚀法,又称全息光刻,是一种无掩模周期结构的光刻制备技术㊂通过两个或以上相干光束干涉产生一个驻波,可以记录在光致抗蚀剂上㊂对于制造光学超材料,其显著优点是具备制备大面积图形的能力,能够制备商业光学器件量级面积的超材料薄膜和涂层㊂类似标准光刻蚀技术,该法利用单步曝光替代了缓慢的光栅扫描㊂因此,一个相干光束大小的图形区域可以一次完成,所得图形可以达到c m量级㊂通过该法已经制备出近-中红外波段光学超材料[13-14]㊂但限制I L法成为光学超材料制备通用方法的原因是其仍属于光刻蚀过程,同样受到光波衍射极限的限制㊂所以该法制备的光学超材料多工作在红外区域而不是可见光波段㊂另外,不同于E B L和标准光刻蚀技术可处理几乎任意形状的图形,I L法在周期结构的几何形状方面受到限制㊂1.4纳米压印刻蚀

纳米压印刻蚀技术为批量制备纳米结构和降低成本提供了可能[15]㊂该法涉及的模板需要具有纳米尺寸特征并在可控的环境条件下压在软刻蚀剂上,制作过程不受任何衍射或散射效应限制,最小可实现10n m量级的结构㊂而具有大面积渔网结构的金属-电介质-金属结构,在近红外波段可观察到负折射现象㊂该技术成功应用于室温下的红外手性超材料结构制备[16],但很少用于新型超材料结构的制备验证,因为其模版或模具的制备过程相当复杂,往往涉及到其他刻蚀过程,如电子束刻蚀㊁光刻蚀㊁聚焦离子束以及反应离子刻蚀等方法㊂

2D光学超材料典型结构基于平面结构或厚度远小于波长的尺寸范围㊂为了充分展现其新颖特性,从平面结构到三维超材料结构的制备尤为重要,因此,必然涉及到对3D光学超材料亚波长和复杂超原子的合成㊂23D光学超材料制备

3D光学超材料的制备方法,主要分为自上而下法包括层层堆垛[17-18]㊁双光子光聚合[19-21]㊁电子束直写[22]㊁三维全息光刻[23]等,以及自下而上法如化学自组装[24-27]等两大类㊂

2.1层层堆垛

许多方法已经提出并验证了足够厚度光学超材料结构的制备,其中一个比较简单的方法就是二维超材料结构的层层堆垛法[17]㊂该法同样可以由标准的E B L过程实现,是朝着制备更厚的超材料结构迈出的重要一步,但并不是制备真正3D光学超材料结构的理想方法,因为其总的厚度一般不超过200n m㊂一方面抗蚀剂厚度不能任意超过电子束处理厚度,另一方面刻蚀过程中会产生非垂直的侧壁,使横截面呈梯形结构,开口处底层比顶层小得多,随着总厚度的不断增加,顶层图形结构尺寸会不断减小,直至为零㊂为了克服这一缺陷,图形平坦法被用来制备多层超材料结构[17],图形化和平坦化过程被重复进行,以产生多个平面层,通过该过程四层呈良好排列的开口谐振环得以制备㊂尽管用平面的电子束刻蚀技术可以通过层层堆叠的方式制备更多层纳米结构,但不能制备出大面积和较厚的真正意义上的三维光学超材料结构㊂除了E B L,F I B也可用于多层光学超材料结构的制造,通过该法已制备出十层呈渔网结构的负折射超材料结构[18]㊂多层金属-电介质超材料结构的E B L和F I B制备过程是平面2D光学超材料制备方法的扩展,但并不能制备任意结构的超原子结构㊂

2.2双光子光聚合

双光子光聚合法,也被称为激光直写,聚合是通过非线性㊁多光子聚焦过程实现,聚合作用发生在激光束的聚焦点[19]㊂通过控制三维点阵的聚合位置,可以在空间分辨率下制备超衍射极限三维纳米结构;然后以该法得到的三维聚合物结构为骨架,进行涂敷金属过程以完成金属纳米结构制备,最终结构包含了金属和电介质单元㊂该金属化工艺通常是通过电解电镀的方式沉积完成,是比较灵活的金属化方法[20]㊂许多具有小于1μm 特征单元的复杂结构光子晶体已由激光直写法实现㊂相比于该法在光子晶体中的应用,制备块体的光学超材料结构则更富有挑战性㊂因为在同一波长下,超材料结构特征尺寸要小于光子晶体结构㊂大多数超材料结构要求单元结构中含有金属成分,这是蒸发或溅射等常规金属化方法不易实现的㊂除了以上几种金属化方法外,新的金属化聚合物骨架的方法如化学气相沉积已得到验证[21],并且可以进行特定区域的金属化操作㊂

2.3化学自组装

利用通过可控化学过程的自组装或自组织法,能够产生几乎所有图案的堆垛结构㊂此法成本较低,但所有

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