CN102879360B - 一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法，在透明基底上通过纳米加工方法得到纳米狭缝或孔结构掩模；在已平坦化的纳米狭缝或孔结构掩模上沉积金属介质交替多层膜结构材料；通过刻蚀或研磨的方法实现表层薄膜材料的粗糙化，完成结构制备；然后通过光源照明狭缝或小孔，激发表面等离子体倏逝波光场，并交替耦合到多层金属介质薄膜材料中，表面等离子体光场在金属介质膜层材料最外层形成特定分布，并被粗糙化表面散射到远场，通过物镜和CCD观测记录；最后计算得出超衍射材料的定向传输角度θ。本发明将高频倏逝波能量转化到远场进行探测和分析，可满足超衍射材料光学特性在远场范围的量化分析及表征需求。

Description

一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法
技术领域
本发明属于超衍射材料加工及测试技术领域，涉及一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法。
背景技术
由于传统光学系统无法传输倏逝波，因此其分辨力受限于衍射极限，只能达到λ/2。具有光波超衍射传输和调控能力的人工结构超材料是构建超分辨成像的前提。而金属介质多层膜结构形式的超材料是超分辨成像重要组成材料。该材料可通过相邻界面表面等离激元(SPs)的耦合放大，实现对携带高频空间信息的倏逝波的定向耦合传输。目前，从国内外该领域研究报道来看，在理论上已经对超材料的对倏逝波的定向耦合传输现象进行了系统分析，而现有的超材料实验表征多集中在等效折射率、介电常数、磁导率、透射/反射谱等方面，缺乏超材料超衍射光学特性（比如传输方向角度）量化表征方法和实验验证结果。例如，2009年美国加州大学研究小组利用纳米线阵列构成的超材料，采用扫描近场光学显微镜（SNOM）测试了其负折射聚焦效果，但是其焦斑尺寸约一倍波长左右，无法揭示材料的超衍射光学特性。超衍射材料光学特性表征的重要难点在于，倏逝波被束缚在材料内部，传统光学材料透射率测试等手段无法应用，而近场扫描光学技术则面临效率低、干扰大、操作困难等实际难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法，通过纳米狭缝或孔结构激发表面等离子体并耦合注入超材料，利用粗糙化超衍射材料表面将高频倏逝波能量转化到远场进行测试分析。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法，该方法的步骤如下：
步骤（1）、在透明基底上通过纳米加工方法得到纳米狭缝或孔结构掩模。
步骤（2）、通过平坦化工艺实现纳米狭缝或孔结构掩模的平坦化。
步骤（3）、在已平坦化的纳米狭缝或孔结构掩模上沉积金属介质交替多层膜结构材料。
步骤（4）、通过刻蚀或研磨的方法实现表层薄膜材料的粗糙化，完成结构制备。
步骤（5）、通过光源照明狭缝或小孔，激发表面等离子体倏逝波光场，并交替耦合到多层金属介质薄膜材料中，表面等离子体光场在金属介质膜层材料最外层形成特定分布，并被粗糙化表面散射到远场，通过物镜和CCD观测记录。
步骤（6）、最后根据公式：计算得出超衍射材料的定向传输角度θ。公式中d为峰值间距，h为金属介质交替多层膜结构材料总厚度。
所述步骤（1）中的掩模材料为不透光材料；所述的纳米狭缝或孔结构的特征尺寸为20nm~300nm。
所述步骤（2）中平坦化工艺为化学机械抛光或旋涂聚合物等方法；所述平坦化层厚度为1nm~50nm  。
所述步骤（3）中的多层膜材料为金属和介质交替薄膜；所述多层膜材料的每层厚度为1nm~30nm。
所述步骤（4）中刻蚀的方法为反应离子刻蚀或离子束刻蚀；所述表层薄膜材料的粗糙度（均方根值）为3~10nm。
所述步骤（5）中测试光路的光源为白光或激光。所述光源照明可采用平行光或聚焦的光束照明。
本发明的原理在于：
本发明公开了一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法，该方法首先是在透明基底上通过纳米加工方法得到纳米狭缝或孔结构掩模；通过平坦化工艺实现纳米狭缝或孔结构掩模的平坦化；然后在已平坦化的纳米狭缝或孔结构掩模上沉积金属介质交替多层膜结构材料；通过刻蚀或研磨的方法实现表层薄膜材料的粗糙化，完成结构制备；然后通过光源照明狭缝或小孔，激发表面等离子体倏逝波光场，并交替耦合到多层金属介质薄膜材料中，表面等离子体光场在金属介质膜层材料最外层形成特定分布，并被粗糙化表面散射到远场，通过物镜和CCD观测记录；最后根据公式：计算得出超衍射材料的定向传输角度θ。公式中d为峰值间距，h为膜层总厚度厚度。本发明将高频倏逝波能量转化到远场进行探测和分析，可满足超衍射材料光学特性在远场范围的量化分析及表征需求。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
（1）、现有针对超材料超衍射光学特性表征的方法都集中在近场范围内，测试手段较为单一。为了解决上述问题，本发明通过纳米单缝结构激发表面等离子体并耦合注入超材料，利用粗糙化超材料表面将高频倏逝波能量转化到远场进行测试分析。
（2）、本发明测试分析方法简单，不需要复杂的测试分析设备，外界干扰小。
附图说明
图1是超衍射定向传输材料结构示意图；
图2是超衍射定向传输材料的测试光路示意图；
图3是实施例1中CCD采集获得的实验结果图片；
图中：1、透明基底；2、纳米狭缝或孔结构掩模；3、平坦化层；4、金属薄膜层；5、介质薄膜层；6、光源；7、可调衰减片；8、聚焦透镜；9、超衍射定向传输材料结构；10、物镜；11、成像透镜；12、CCD。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
实施例1，利用本发明实现Ag/SiO2超衍射材料定向传输角度为70.2°的结构制备及测试分析。
（1）选择直径为25.4mm双面精抛光的石英玻璃作为透明基底，在此透明基底上利用纳米加工方法得到缝宽为80nm的单缝结构Cr掩模，Cr掩模厚度为40nm；
（2）通过旋涂PMMA实现纳米单缝结构掩模的平坦化，并通过反应离子刻蚀方法将PMMA平坦化层厚度控制在20nm，刻蚀功率为5W，刻蚀气体为O2，刻蚀气体流量为10SCCM；
（3）然后在已平坦化的纳米单缝结构掩模上通过表面电子束蒸发沉积方法沉积Ag/SiO2超衍射多层膜材料，Ag层层数为8层，SiO2层层数为7层，且每层膜厚均为20nm；
（4）通过反应离子刻蚀的方法实现表层超衍射材料的粗糙化，刻蚀功率为100W，刻蚀气体为CHF3，刻蚀气体流量为10SCCM，粗糙化后粗糙度（均方根值）为3.1nm；
（5）将加工得到的上述结构放置于测试光路（如图2所示）中，光源为532nm激光器；通过CCD采集获得器件表面的光场信息，如图3所示，两根亮线峰值间距d为1.78μm；
（6）最后根据公式：得出超衍射传输方向角度为70.2°，公式中θ为超衍射材料的定向传输角度，d为峰值间距，h为膜层总厚度。

Claims (2)

1.一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤(1)、在透明基底上通过纳米加工方法得到纳米狭缝或孔结构掩模；
所述步骤(1)中的掩模材料为不透光材料；所述的纳米狭缝或孔结构的特征尺寸为20nm～300nm；
步骤(2)、通过平坦化工艺实现纳米狭缝或孔结构掩模的平坦化；
所述步骤(2)中平坦化工艺为化学机械抛光或旋涂聚合物方法；所述平坦化层厚度为1nm～50nm
步骤(3)、在已平坦化的纳米狭缝或孔结构掩模上沉积金属介质交替多层膜结构材料；
所述步骤(3)中的多层膜材料为金属和介质交替薄膜；所述多层膜材料的每层厚度为1nm～30nm；
步骤(4)、通过刻蚀或研磨的方法实现表层薄膜材料的粗糙化，完成结构制备；
所述步骤(4)中刻蚀的方法为反应离子刻蚀或离子束刻蚀；所述表层薄膜材料的粗糙度均方根值为3～10nm；
步骤(5)、通过光源照明狭缝或小孔，激发表面等离子体倏逝波光场，并交替耦合到多层金属介质薄膜材料中，表面等离子体光场在金属介质膜层材料最外层形成特定分布，并被粗糙化表面散射到远场，通过物镜和CCD观测记录；
所述步骤(5)中测试光路的光源为白光或激光；
步骤(6)、最后根据公式：计算得出超衍射材料的定向传输角度θ，公式中d为峰值间距，h为金属介质交替多层膜结构材料总厚度。
2.根据权利要求1所述的一种超衍射定向传输材料结构制备后的测试分析方法，其特征在于：所述光源照明可采用平行光或聚焦的光束照明。
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