CN107144909B - 一种实现非对称传输的单层金纳米结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现非对称传输的单层金纳米结构及其制备方法，该结构通过准备基底、涂光刻胶、涂胶后烘干、电子束曝光结构图形、显影、定影、定影后烘干、镀金、剥离光刻胶、吹干十个步骤制备；本发明的结构简单，其结构的连通性可以增强光和金属微纳结构的耦合，实现光的非对称透射特性；且通过将该结构的第一竖体与第三竖体的长度设置不相等，会比第一竖体与第三竖体长度相等时多出两个共振模式，可以实现多个频段的调控；并且产生两个相对较大的非对称传输效应；另外，本发明的制备方法曝光结构图形过程中，电子束是对结构的图形部分进行刻蚀，节省了结构图形的曝光时间，提高了制备效率。

Description

一种实现非对称传输的单层金纳米结构及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁波偏振态调控技术领域，具体涉及一种实现非对称传输的单层金纳米结构及其制备方法。

背景技术

非对称传输是指同一种偏振态的波从传输结构的正面入射反面入射时转换效率不同的效应，即光子在入射方向不同时具有不同的透射率，从而产生一个差异，这个差异叫非对称传输效应。对于圆偏振光而言，假定入射光为右旋圆偏振光(RCP)，出射光中既有右旋圆偏振光，还有通过结构转化出的左旋圆偏振光(LCP)，而这种出射光中左、右旋所占比例对于从结构正面入射和从结构反面入射是不同的。用公式表示即：

下角标“+”(“-”)代表右(左)旋；下角标“++”(“-+”)代表右旋圆偏振光入射，右(左)旋圆偏振光出射。其传输原理示意图如图1所示。

因此，非对称传输在偏振敏感装置，例如偏振和方向敏感分束器，循环器和传感器中有着重要的作用。于已有的技术，许多三维结构用来实现圆偏振光、线偏振光的非对称传输效应，其结构成分中不乏使用两种方向垂直的偏振片(Xu K,Xiao Z,Tang J,etal.Ultra-broad band and dual-band highly efficient polarization conversionbased on the three-layered chiral structure[J].Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures,2016,81:169-176.)，这种方法虽然能够实现非对称传输效应，但结构复杂。

申请号为“CN201610351077.2”的专利“一种新型非对称传输结构及其制备方法”中公开了一种新型非对称传输结构及其制备方法，该结构包括结构本体，结构本体包括多个传输单元，传输单元设有相交的第一缝隙和第二缝隙，第二缝隙与第一缝隙之间有一锐角β，且β的数值范围为30°～60°；其制备方法包括清洗基底、涂光刻胶、涂胶后烘、曝光、显影、定影、显影后烘、真空镀金、光刻胶去除、吹干十个步骤。

该专利中的非对称传输结构是通过电子束刻蚀的方法制备，在电子束曝光图形过程中，采用电子束将缝隙之外的部分刻蚀掉，再通过镀金属得到的非对称传输结构，由于电子束刻蚀的速度非常缓慢，而该专利中缝隙结构外的部分的面积远大于缝隙部分的面积，因此，采用电子束刻蚀得到该非对称传输结构非常耗时。而且该专利得到的非对称传输结构的非对称传输效应最高达10％。

发明内容

为了解决现有技术中存在的实现非对称传输的三维结构复杂、平面结构曝光图形过程中采用电子束刻蚀缝隙之外的部分，刻蚀非常缓慢，且非对称传输效应不高的问题，本发明提供了一种实现非对称传输的单层金纳米结构及其制备方法。本发明的结构是用金材料制备出的一种平面微纳米周期结构，制备方法简单方便。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种实现非对称传输的单层金纳米结构，所述结构由多个相同的结构单元上下、左右连接而成，所述结构单元为周期边长相等的单层结构，且所有结构单元均位于同一平面；所述结构单元包括第一横体、第二横体和第三横体，所述第一横体、第二横体和第三横体相互平行，所述第二横体与第一横体和第三横体的距离相等，且第一横体、第二横体和第三横体的中心在同一条直线上；所述第一横体和第三横体的长度相等；所述第二横体的长度小于第一横体的长度；

还包括第二竖体，所述第二竖体的两端分别与所述第一横体和第三横体连接，且与第一横体和第三横体相互垂直，所述第二竖体穿过第二横体的中心；在所述第二横体的两端还有与第二横体垂直连接的第一竖体和第三竖体，所述第一竖体向第一横体的方向延伸，且未触及第一横体，所述第三竖体向第三横体的方向延伸，且未触及第三横体；

所述第二横体的长度与第一竖体的宽度、第二竖体的宽度之和小于第一横体的长度；所述第一竖体和第三竖体的宽度相等；

所述第一竖体与第三竖体的长度不相等，所述结构的材料为金。

进一步地，第一竖体和第三竖体的宽度均为a1＝57～70nm；第二竖体的宽度a3＝57～130nm；第一竖体的长度为b1＝70～180nm；第三竖体的长度为b3＝70～180nm；第一横体和第三横体的宽度为b4＝10～25nm；第二横体的宽度为b5＝70～135nm；第二横体的长度为a2＝140nm；第二竖体的长度为b2＝270nm；周期边长Px＝Py＝300～400nm。

本发明的非对称传输的单层金纳米结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；

步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；

步骤3，涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在热板上烘干；

步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计权利要求1所述的结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；曝光时，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀；

步骤5，显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；

步骤6，定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影；

步骤7，定影后烘干：将步骤6浸泡定影后的基底放在热板上烘干；

步骤8，镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；

步骤9，剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解电子束光刻胶；

步骤10，吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述非对称传输的单层金纳米结构。

进一步地，所述步骤1具体操作为：准备厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm*20.0mm的ITO玻璃，并将准备的ITO玻璃放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。

进一步地，所述步骤2中光刻胶的厚度为270nm，所用甩胶机转速设定为4000rpm，时间设定为60s。

进一步地，所述步骤3和步骤7中烘干的温度为150℃，时间为3min，热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃。

进一步地，所述步骤5中的显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比3:1配合制成，显影液从-15℃冰箱中取出在室温下立刻使用，显影时间控制在恒定时间60s；在显影时间确定下，图形的精度与曝光剂量成线性关系，60s时曝光剂量400μc/cm²(微库每平方厘米)最好；

进一步地，所述步骤6中浸泡定影的时间为60s，其中定影液为异丙醇，浸泡完成后取出用氮气吹干。

进一步地，所述步骤8中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3*10^-6torr，蒸镀金的厚度为50nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的非对称传输的单层金纳米结构，结构简单，其结构的连通性可以增强光和金属微纳结构的耦合，当一种偏振态的波分别从结构正、反两侧入射时，出射波中具有相同偏振态的波的比重不同，实现光的非对称透射特性；

2.本发明的非对称传输的单层金纳米结构的第一竖体与第三竖体的长度不相等，会比第一竖体与第三竖体的长度相等时的结构多出两个共振模式，可以实现多个频段的调控；并且产生两个相对较大的非对称传输效应AT(AT的转化率达16％)；

3.本发明的结构的制备方法采用电子束刻蚀曝光结构图形过程中，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀，结构图形部分的面积小于结构图形外的空隙部分，由于电子束刻蚀的过程非常缓慢，因此，本发明的制备方法节省了结构图形的曝光时间，提高了制备效率。

附图说明

图1是非对称传输原理示意图；

图2是本发明实现非对称传输的金纳米结构示意图；

图3是本发明实现非对称传输的金纳米结构立体示意图；

图4是实施例2的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图；

图5是实施例2的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；

图6是对比例的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图；

图7是对比例的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；

图8是实施例3的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图；

图9是实施例3的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；

图10是实施例4的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图；

图11是实施例4的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；

图中：1、第一横体；2、第二横体；3、第三横体；4、第一竖体；5、第二竖体；6、第三竖体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图2右侧图所示的实现非对称传输的单层金纳米结构，由多个相同的结构单元上下、左右连接而成，每个结构单元的结构图如图2中左侧图所示，该结构单元为周期边长相等的单层结构，且所有结构单元均位于同一平面；结构单元包括第一横体1、第二横体2和第三横体3，第一横体1、第二横体2和第三横体3相互平行，第二横体2具体第一横体1和第三横体3的距离相等，且第一横体1、第二横体2和第三横体3的中心在同一条直线上；第二横体2和第三横体3的长度相等，第二横体2的长度小于第一横体1的长度。

还包括第二竖体4，第二竖体4的两端分别与第一横体1和第三横体3连接，且与第一横体1和第三横体3相互垂直，第二竖体4穿过第二横体2的中心；在第二横体2的两端还有与第二横体2垂直连接的第一竖体4和第三竖体6，第一竖体4向第一横体1的方向延伸，且未触及第一横体1，第三竖体6向第三横体3的方向延伸，且未触及第三横体3。

第二横体2的长度与第一竖体4的宽度、第二竖体5的宽度之和小于第一横体1的长度；第一竖体4和第三竖体6的宽度相等。第一竖体4与第三竖体6的长度不相等。

本发明的实现非对称传输的单层金纳米结构的材料为金。

第一竖体4和第三竖体6的宽度均为a1＝57～70nm；第二竖体5的宽度a3＝57～130nm；第一竖体4的长度为b1＝70～180nm；第三竖体6的长度为b3＝70～180nm；第一横体1和第三横体3的宽度为b4＝10～25nm；第二横体2的宽度为b5＝70～135nm；第二横体2的长度为a2＝140nm；第二竖体5的长度为b2＝270nm；周期边长Px＝Py＝300～400nm。

本实施例的实现非对称传输的单层金纳米结构的立体结构图如图3所示，是一个万字符的变形，是将万字符的上下两边连通，左右臂的长度变为不一样长，以此来增加非对称传输的大小。当入射光为右旋圆偏振光(RCP)时，出射光中既有右旋圆偏振光，还有通过结构转化出的左旋圆偏振光(LCP)；当入射光为左旋圆偏振光(LCP)时，出射光中既有右旋圆偏振光，还有通过结构转化出的右旋圆偏振光(RCP)。

上述的非对称传输的单层金纳米结构，结构简单，其结构的连通性可以增强光和金属微纳结构的耦合，当一种偏振态的波分别从结构正、反两侧入射时，出射波中具有相同偏振态的波的比重不同，实现光的非对称透射特性。

上述实现非对称传输的单层金纳米结构的制备方法步骤如下：

步骤1，准备基底：准备厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm*20.0mm的ITO玻璃，并将准备的ITO玻璃放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。

步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆厚度为270nm的PMMA光刻胶所用甩胶机转速设定为4000rpm(甩胶机可以设定0-6000rpm)时间设定为60s。

步骤3，涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在已经加热到150℃的热板上，烘烤时间为3min；热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃。

步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计上述的结构图形，并用电子束曝光图形，曝光时，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀；扫描电子显微镜曝光电压选择15KV，spot选择5.0，曝光剂量300μc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择10nm，用电子束曝光图形，得到曝光后的基底。

步骤5，显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比3:1配合制成的显影液中浸泡显影，显影液从-15℃冰箱中取出在室温下立刻使用，显影时间控制在恒定时间60s；在显影时间确定下，图形的精度与曝光剂量成线性关系，60s时曝光剂量400μc/cm²(微库每平方厘米)最好。

步骤6，定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡，时间不少于60s，其中定影液为异丙醇，浸泡完成后取出用氮气吹干。

步骤7，定影后烘干：将步骤6浸泡定影后的基底放置在150℃的热板上烘3min；热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃。

步骤8，镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金50nm，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；真空蒸发镀膜机的真空度不大于3*10^-6torr。

步骤9，剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，溶解电子束光刻胶；因为丙酮作为有机溶剂，易挥发，有毒，需要密封浸泡，浸泡时间至少为30min；

步骤10，吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述非对称传输的单层金纳米结构。

上述结构的制备方法种，采用电子束刻蚀曝光结构图形过程，电子束是对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀，结构图形部分的面积小于结构图形外的空隙部分，由于电子束刻蚀的过程非常缓慢，因此，本发明的制备方法节省了结构图形的曝光时间，提高了制备效率。

实施例2：

基于实施例1的参数及步骤制备完成本发明的实现非对称传输的单层金纳米结构后，通过使用三维有限元方法(FEM)计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验。

如图2所示，设定结构的参数a1＝57nm；a2＝140nm；a3＝57nm；b1＝140nm；b2＝270nm；b3＝120nm；b4＝25nm；b5＝70nm；px＝py＝320nm。

本实施例的结构制备时，用图形发生器按照上述结构设定后，用电子束曝光结构图形，其余步骤与实施例1中的制备方法相同。

本实施例制备的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图如图4所示，从图4可以看出，在650nm和1300nm的共振位置处，左旋光和右旋光入射时的转化率明显不同。在650nm处，左旋光入射经过此周期微纳结构转化为右旋光时转化率为18％，而右旋光转化为左旋光时为8％。在1300nm处，左旋光入射经过此周期微纳结构转化为右旋光时转化率为18％，而右旋光转化为左旋光时为2％。470nm处的共振为Au本身的共振，此处不做考虑。

本实施例的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率如图5所示，从图5可以看出，在共振位置650nm和1300nm处，由于周期微纳结构对RCP和LCP的转化率不同，所以产生了非对称效应。

对比例：

本对比例作为实施例2的对比，将第一竖体4的长度与第三竖体6的长度设置相等，且b1＝120nm；b3＝120nm；其余均与实施例2相同。

对比例制备的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图如图6所示，从图6可以看出，当b1＝b3时，在650nm和1300nm处没有共振。

对比例的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率如图7所示，从图7可以看出，没有共振也不会出现转化率的不同即非对称传输。

本发明的实现非对称传输的单层金纳米结构的第一竖体4与第三竖体6的长度不相等，会比第一竖体4与第三竖体6的长度相等时的结构多出两个共振模式，可以实现多个频段的调控；并且产生两个相对较大的非对称传输效应AT(AT的转化率达16％)。

实施例3：

本实施例的实现非对称传输的单层金纳米结构，仅改变第二横体2的宽度,其他参数不变，均与实施例2相同。本实施例的结构中第二横体2的宽度b5＝80nm。

本实施例制备的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图如图8所示，本实施例的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率如图9所示。

将图8、图9与实施例2的图4、图5对比，可以看出，改变b5的参数后其透射谱线的共振位置和改变前比较，共振模式没有变化，只是共振位置都发生了蓝移。

因此，改变第二横体2的宽度参数不影响结构的非对称传输效应。

实施例4：

本实施例的实现非对称传输的单层金纳米结构，仅改变第二竖体5的宽度,其他参数不变，均与实施例2相同。本实施例的结构中第二竖体5的宽度a3＝80nm。

本实施例制备的实现非对称传输的单层金纳米结构的透射光谱图如图10所示，本实施例的实现非对称传输的单层金纳米结构的非对称传输的转化率如图11所示。

将图10、图11与实施例2的图4、图5对比，可以看出，改变a3的参数后其透射谱线的共振位置和改变前比较，共振模式没有变化，只是共振位置都发生了蓝移。

因此，改变第二竖体5的宽度参数不影响结构的非对称传输效应。

与实施例3和4同样的方法，结构参数在实施例1的范围内，改变第一竖体4、第三竖体6的宽度和长度，第一横体1和第三横体3的宽度，均不影响结构的非对称传输效应，在此不一一举例说明。

因此，本发明的实现非对称传输的单层金纳米结构，在实施例1的结构参数范围内，只要第一竖体4与第三竖体6的长度不相等，其结构便可以实现非对称传输效应。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种实现非对称传输的单层金纳米结构，其特征在于：所述结构由多个相同的结构单元上下、左右连接而成，所述结构单元为周期边长相等的单层结构，且所有结构单元均位于同一平面；所述结构单元包括第一横体（1）、第二横体（2）和第三横体（3），所述第一横体（1）、第二横体（2）和第三横体（3）相互平行，所述第二横体（2）与第一横体（1）和第三横体（3）的距离相等，且第一横体（1）、第二横体（2）和第三横体（3）的中心在同一条直线上；所述第一横体（1）和第三横体（3）的长度相等；所述第二横体（2）的长度小于第一横体（1）的长度；

还包括第二竖体（5），所述第二竖体（5）的两端分别与所述第一横体（1）和第三横体（3）连接，且与第一横体（1）和第三横体（3）相互垂直，所述第二竖体（5）穿过第二横体（2）的中心；在所述第二横体（2）的两端还有与第二横体（2）垂直连接的第一竖体（4）和第三竖体（6），所述第一竖体（4）向第一横体（1）的方向延伸，且未触及第一横体（1），所述第三竖体（6）向第三横体（3）的方向延伸，且未触及第三横体（3）；

所述第二横体（2）的长度与第一竖体（4）的宽度、第二竖体（5）的宽度之和小于第一横体（1）的长度；所述第一竖体（4）和第三竖体（6）的宽度相等；

所述第一竖体（4）与第三竖体（6）的长度不相等，所述结构的材料为金。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：第一竖体（4）和第三竖体（6）的宽度均为a1=57~70nm；第二竖体（5）的宽度a3=57~130nm；第一竖体（4）的长度为b1=70~180nm；第三竖体（6）的长度为b3=70~180nm；第一横体（1）和第三横体（3）的宽度为b4=10~25nm；第二横体（2）的宽度为b5=70~135nm；第二横体（2）的长度为a2=140nm；第二竖体（5）的长度为b2=270nm；周期边长Px=Py=300~400nm。

3.权利要求1或2所述的结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；

步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；

步骤3，涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在热板上烘干；

步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计权利要求1所述的结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；曝光时，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀；

步骤5，显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；

步骤6，定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；

步骤7，定影后烘干：将步骤6浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；

步骤8，镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；

步骤9，剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解电子束PMMA光刻胶；

步骤10，吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述实现非对称传输的单层金纳米结构。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1具体操作为：准备厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm*20.0mm的ITO玻璃，并将准备的ITO玻璃放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2中光刻胶的厚度为270nm，所述甩胶机的转速为4000rpm，时间为60 s。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3和步骤7中烘干的温度为150℃，时间为3min。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5中浸泡显影的时间为60s。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成，浸泡显影的时间为60s。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤8中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3*10^-6torr，蒸镀金的厚度为50nm。