CN107356999B - 一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构及其制备方法 - Google Patents

一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构，由多个结构相同的纳米单元上下、左右组合构成的手性结构；纳米单元包括金属线和位于金属线一侧的带有缺口的金属破缺环。本发明结构为手性结构，由金属线和金属破缺环两个单独的简单结构组合而成，该组合结构能够产生高非对称传输效应。此外，本发明的结构能在实现高非对称传输效应时产生长共振波段，长波段共振的信号不易衰减或衍射，信号稳定。本发明还涉及一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构的制备方法，由于本发明的结构简单，在制备过程中的电子束曝光结构图形时，速度快，效率高。

Description

一种实现长波段非对称传输的单层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，具体涉及一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构及其制备方法。
背景技术
手性一词源于希腊语，表示结构的对称性，在多种学科中都有重要的意义。如果某物体与其镜像不同，则其被称为“手性的”，且其镜像是不能与原物体重合的，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。
几何手性指的是结构不能与其镜像结构重合的性质。光学手性即圆二色性指的是：手性结构对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光吸收不同的性质。在自然界中，也有很多手性结构，例如DNA和蛋白质等。通过分析手性分子的圆二色光谱，就可以断定手性分子的化学结构。然而生物分子的圆二色性比较弱，不利于信号检测。由于人工金属手性纳米结构与光有更强烈的相互作用，使其展现更强的圆二色性，并且可以提供手性电磁场增强生物分子手性。这些优势使得人工金属手性纳米结构受到广泛的研究。
非对称传输(Asymmetric Transmission)指同一种偏振态的波从结构正面入射和从结构反面入射转换效率不同的效应。对于圆偏振光，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)，而这种出射光中转换偏振态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：
AT＝T-+-T-+
下角标“+”(“-”)代表右(左)旋；下角标“-+”(“+-”)代表右(左)旋圆偏振光入射，右(左)旋圆偏振光出射。
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。
对于现有的技术，大多是通过两层或三层的多层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，这种方法虽然能够实现非对称传输效应，但结构复杂，不易制备。虽然现有技术中也有单层结构来实现圆偏振光、线偏振光的非对称传输效应，但其结构复杂，制备图形的过程复杂，效率低；此外，这些单层结构只能在短共振波段实现强非对称传输效应，无法实现在长波段实现强非对称传输效应。
发明内容
为了解决现有技术中存在的实现圆偏振光、线偏振光的非对称传输效应的单层结构结构复杂，制备效率低的问题，本发明提供了一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构及其制备方法，具有结构简单，制备过程效率高，且能够在长波段产生高非对称传输效应。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构，由多个结构相同的金纳米单元上下、左右组合构成的手性结构；
所述纳米单元包括金属线和位于金属线一侧的带有缺口的金属破缺环；所述缺口将金属破缺环的内部与外部空间连通；
所述金属线和金属破缺环均采用的材料为金。
进一步的，所述金属线的宽度d＝30nm～80nm；所述金属破缺环的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r＝50nm～80nm；所述缺口的圆心角为θ＝30°～120°且θ≠90°；所述金属线与金属破缺环之间的最小距离D＝5nm～35nm。
进一步的，所述金属线的宽度d＝80nm；所述金属破缺环的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r＝50nm；所述缺口的圆心角为θ＝30°。
一种实现长波段非对称传输的单层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：用图形发生器设计所述实现非对称传输的单层金纳米结构的图形，并用电子束曝光图形，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，得到所述实现长波段非对称传输的单层纳米结构。
进一步的，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。
进一步的，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60s。
进一步的，所述步骤3和步骤7中烘干的温度均为150℃，时间为3min。
进一步的，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。
进一步的，所述步骤6中浸泡定影的时间为60s。
进一步的，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)本发明的实现长波段非对称传输的单层纳米结构为手性结构，由金属线和金属破缺环两个单独的简单结构组合而成，该组合结构能够产生非对称传输效应，且由于结构简单，在制备过程中的电子束曝光结构图形时，速度快，效率高；此外，本发明的结构能在长共振波段实现高非对称传输效应，长共振波段的信号不易衰减或衍射，信号稳定。
(2)本发明的结构的转化率高，能够高达10％，最高能够高达12％即当右旋光入射时，出射光中12％转化为左旋光，实现高的非对称传输效应。通过本发明的结构可以实现非对称传输信号的调控，并且可获得各种偏振态的光，即出射光中有左旋偏振光、右旋偏振光、线偏振光以及椭圆偏振光，再通过其他的结构(偏振片)可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用，且可用于设计偏振变换器、电磁、偏振旋转器等装置。
(3)本发明的制备方法制作简单且制作效率高。
附图说明
图1是本发明实现非对称传输的单层纳米结构结构示意图；
图2是本发明金纳米单元结构示意图；
图3是实施例2实现长共振波段非对称传输的单层纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；
图4是实施例3实现长共振波段非对称传输的单层纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；
图5是实施例4实现长共振波段非对称传输的单层纳米结构的非对称传输的转化率曲线图；
图6是实施例5实现长共振波段非对称传输的单层纳米结构的非对称传输的转化率曲线图。
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1和图2所示，为解决现有实现圆偏振光、线偏振光的非对称传输效应的单层结构结构复杂，制备效率低的技术问题，本实施例提供一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构，该结构采用金属金制成，由多个结构相同的纳米单元上下、左右组合构成的手性结构；纳米单元包括金属线1和位于金属线1一侧的带有缺口3的金属破缺环2；缺口3将金属破缺环2的内部与外部空间连通；金属线1和金属破缺环2均采用的材料为金。缺口3的边缘线沿金属破缺环2的半径方向，缺口3的圆心角即边缘线的延长线在圆心相交后所成的角度，也就是缺口3所在弧所对应的圆心角。本实施例的纳米单元由金属线1和金属破缺环2两个单独的结构组合产生不对称性，且两个单独的结构不连接连通，进而产生非对称传输信号，与现有的手性结构不同，现有的手性结构是连通一体的一个复杂结构。再由纳米单元上下、左右组成长共振波段非对称传输的单层纳米结构，结构简单。相比连通结构，制造上更加接近模拟预想，不易出现断层分裂等情况。同时，通过调整金属线1和金属破缺环2之间的距离可以规律的调控AT信号，当距离近时耦合更强，AT信号就更大，如果是连通一体的单层纳米结构则无法通过简单变换保持非对称性并规律的调整信号。
金属线1的宽度d＝30nm～80nm；金属破缺环2的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r＝50nm～80nm；所述缺口3的圆心角为θ＝30°～120°且θ≠90°；所述金属线1与金属破缺环2之间的最小距离D＝5nm～35nm。
优选的，金属线1的宽度d＝80nm；金属破缺环2的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r＝50nm；缺口3的圆心角为θ＝30°。
本实施例的单层纳米结构能够产生长共振波段非对称传输效应，非对称传输效应的非对称传输的转化率可高达10％，最高可高达12％，能够满足应用要求。并且其透射信号分布在可见光、近红外波段，在圆二色性信号探测时，透射出现了宽频差异，由此激励出宽频的圆二色性信号。
上述实现长共振波段非对称传输的单层纳米结构的制备方法，包括以下步骤：
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，光刻胶所用甩胶机的转速为4000rpm，时间为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金属线和金属破缺环的结构的图形，并用电子束曝光图形，曝光时，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，时间至少为30min，溶解电子束PMMA光刻胶；因为丙酮作为有机溶剂，易挥发，有毒，需要密封浸泡。
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，得到所述实现长共振波段非对称传输的单层纳米结构。
上述结构的制备方法中，由于单层纳米结构的图形结构简单，采用电子束刻蚀曝光结构图形过程所用的时间短，速度快，提高了制备效率，适用于工业大批量生产。
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长波段非对称传输的单层纳米结构后，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，设定结构的参数金属破缺环2的内圆半径r＝50nm,金属破缺环2的外圆半径R＝100nm，缺口3的圆心角θ＝30°，金属线1的宽度d＝50nm，该单层金纳米结构的厚度为50nm，变换金属线1与金属破缺环2之间的最小距离D的参数范围，D取值分别为5nm、15nm、25nm、35nm时，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。
从图3可以看出，本实施例的单层纳米结构能够产生长波段非对称传输效应，其中AΤ信号共振峰和谷随着D的减小而出现红移。并且随着距离的减小，金属线1与金属破缺环的相互作用耦合增强，使得AT信号增强，且信号最大处的共振波长为1600nm，在长共振波段能够产生强至10％左右的非对称传输转化率，即当右旋光入射时，出射光中10％转化为左旋光，实现高的非对称传输效应。
实施例3：
与上述实施例2不同之处在于本实施例仅变化缺口3的圆心角为θ的取值，其他参数取各个参数范围之内的固定值：设定结构的参数金属破缺环2的内圆半径r＝50nm,金属破缺环2的外圆半径R＝100nm，金属线1与金属破缺环2之间的最小距离D＝35nm，金属线1的宽度d＝50nm，该单层金纳米结构的厚度为50nm，变换参数缺口3的圆心角θ的范围，θ取值分别为30°、60°、90°、120°时，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。
从图4可以看出，本实施例的单层纳米结构能够产生长波段非对称传输效应，当缺口θ角度从30°到120°以30°为步长调整结构参数，检测到的AΤ信号图谱的共振波长也发生了移动，并且信号大小也发生了变化。当θ角度逐步减小时，AΤ的共振峰波长逐渐增加，并且信号逐渐增大。当θ角度等于90°时，结构整体表现出对称性，AΤ信号为0。当θ角度等于30°时，信号最大处的共振波长为1600nm，在长波段能够产生强至10％左右的非对称传输转化率。
实施例4：
与上述实施例2不同之处在于本实施例仅变化金属破缺环2的外圆半径R与内圆半径r的取值，即变化变化金属破缺环2的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r的取值，其他参数取各个参数范围之内的固定值：缺口3的圆心角θ＝30°，金属线1与金属破缺环2之间的最小距离D＝35nm，金属线1的宽度d＝50nm，该单层金纳米结构的厚度为50nm，当R-r的取值分别为50nm、80nm时，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。
从图5可以看出，本实施例的单层纳米结构能够产生长波段非对称传输效应，当R-r的数值从50nm变为80nm调整结构参数，检测到的AΤ信号图谱的共振波长也发生了移动，并且信号大小也发生了变化。当R-r逐步减小时，AΤ的共振峰逐渐增加，并且非对称传输信号也随之增加。当R-r的数值为50nm时，信号最大处的共振波长为1600nm，在长波段能够产生强至10％左右的非对称传输转化率。
实施例5：
与上述实施例2不同之处在于本实施例仅变化金属线1的宽度d的取值，其他参数取各个参数范围之内的固定值：金属破缺环2的内圆半径r＝50nm,金属破缺环2的外圆半径R＝100nm，缺口3的圆心角θ＝30°，金属线1与金属破缺环2之间的最小距离D＝35nm，该单层金纳米结构的厚度为50nm，金属线1的宽度d的取值分别为30nm、50nm、80nm，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。
从图6可以看出，本实施例的单层纳米结构能够产生长波段非对称传输效应，当金属线1的宽度d的取值分别为30nm、50nm、80nm时，随着d的增加，AΤ信号逐渐加大，最大非对称传输效率达到12％，当d的数值为80nm时，信号最大处的共振波长为1500nm，在长波段能够产生强至12％以上的非对称传输转化率。
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 (10)

1.一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构，其特征在于：由多个结构相同的金纳米单元上下、左右组合构成的单层手性结构；
所述金纳米单元包括金属线(1)和位于金属线(1)一侧的带有缺口(3)的金属破缺环(2)；所述缺口(3)将金属破缺环(2)的内部与外部空间连通；
所述金属线(1)和金属破缺环(2)均采用的材料为金；
所述缺口(3)的圆心角为θ＝30°～120°且θ≠90°；
所述金属线(1)贯通所述金纳米单元；
上下相邻的金纳米单元之间的金属线(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构，其特征在于：所述金属线(1)的宽度d＝30nm～80nm；所述金属破缺环(2)的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r＝50nm～80nm；所述金属线(1)与金属破缺环(2)之间的最小距离D＝5nm～35nm。
3.根据权利要求2所述的一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构，其特征在于：所述金属线(1)的宽度d＝80nm；所述金属破缺环(2)的外圆半径R与内圆半径r的差值R-r＝50nm；所述缺口(3)的圆心角为θ＝30°。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种实现长波段非对称传输的单层纳米结构的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
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：用图形发生器设计所述实现长波段非对称传输的单层纳米结构的图形，并用电子束曝光图形，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，得到所述实现长波段非对称传输的单层纳米结构。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求5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60s。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3和步骤7中烘干的温度均为150℃，时间为3min。
8.根据权利要求7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8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6中浸泡定影的时间为60s。
10.根据权利要求9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。
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