CN108897087A - 一种可提高非对称传输的纳米结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁波偏振态调控技术领域，具体涉及一种可提高非对称传输的纳米结构及其制备方法，本发明纳米结构由多个结构相同的纳米结构单元按矩形周期阵列连接而成，纳米结构单元由一金属薄膜构成，金属薄膜上设有一倾斜矩形孔，矩形孔长边与纳米结构单元x方向具有一夹角α，矩形孔还包括有一连接条，连接条两端分别连接于矩形孔的两条长边，且分别与矩形孔长边垂直，金属薄膜和连接条由同种贵金属材料制成。制备方法简单无需多次甩胶，只需一次镀膜即可成型，但相比于传统单层人造纳米结构可以提高非对称传输约50%。
Description
技术领域
本发明属于电磁波偏振态调控技术领域，具体涉及一种可提高非对称传输的纳米结构及其制备方法。
背景技术
非对称传输(Asymmetric Transmission，AT)是指传输系统对沿不同传输方向入射的电磁波表现出不同的转化性能。如图1(a)所示，对于一个极化转换非对称传输系统A来说，从系统A正面入射的左旋光(left circularly polarized，LCP)经过系统A后，接收到的右旋光(right circularly polarized，RCP)的透射率为从系统A背面入射的左旋光经过系统A后接收到的右旋光的透射率为其中箭头方向表示从传输系统的正面或背面入射，下标“-”表示入射光为左旋光，“+”表示出射光为右旋光。一个偏振态光的总透射率为：
则对于系统A极化转换的非对称传输可以表示为：
又通过洛伦兹变化：
得到：
上述表达式表明沿圆偏振光入射-z方向激发的非对称传输的值和在+z方向激发的非对称传输的值相反。为了清楚和明确的表述，在本方案中我们规定的条件是圆偏振沿着-z方向入射。
其表示的物理意义如图1(b)所示，从正面入射到系统A的左旋光，经过系统A后转换为的右旋光，与从正面入射到系统A的右旋光，经过系统A后转换为的左旋的转换率是不同的。对于从背面入射时非对称传输的值是相同的。
超材料内的电磁场会产生交叉耦合，在这种情况下，电磁波在透过超材料之后，其透射系数会不一样，且最终的偏振状态和入射波相比，也有很大变化。借助这一点，能够对电磁波的偏振状态进行控制，并制作出相应的功能器件，如电磁二极管与电磁开关等。有许多复杂的超材料被报道出来在微波、太赫兹，甚至光学范围内可以实现线性和圆极化波的不对称传输，非对称性传输在偏振转换器、偏振旋转器、隔离器和循环器装置等光学器件的设计中得到了广泛的应用。
尤其在生物分子领域，手性分子一般都比较弱，而人造微纳金属结构可大大提高其手性，AT值作为手性分子的探测信号就显得尤为重要，所以我们在设计这种非对称传输的结构时，需要达到大的非对称传输效率，即大的AT值和尽可能多的AT信号。因此，对不同类型非对称传输器件的设计与实现的研究，具有很重要的现实意义。
目前双层或者多层的人造纳米结构可以产生较大的非对称传输效应，但其制备工艺复杂，制备过程需多次甩胶和蒸镀，制备成本高，而且干扰因素过多，单层手形结构的制备较为简单，但其非对称传输信号较小，限制了其实际应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的单层人造纳米结构的非对称传输信号小的问题，本发明提供了一种可提高非对称传输的纳米结构及其制备方法，制备方法简单，无需多次甩胶，只需一次镀膜即可成型，但相比于传统单层人造纳米结构可以大大提高非对称传输信号。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种可提高非对称传输的纳米结构，由多个结构相同的纳米结构单元按矩形周期阵列连接而成；所述纳米结构单元由一金属薄膜构成；
所述金属薄膜上设有一倾斜矩形孔；所述矩形孔长边与纳米结构单元x方向具有一夹角α；
所述矩形孔还包括有一连接条；所述连接条两端分别连接于矩形孔的两条长边，且分别与矩形孔长边垂直；
所述金属薄膜和连接条由同种贵金属材料制成。
进一步地，所述纳米结构单元的厚度h＝70～90nm；所述夹角α＝20°～30°；所述矩形孔的长边长度a＝530～550nm，短边长度b＝180～220nm；所述连接条长度c与短边长度b相等，连接条宽度w＝15～20nm。
进一步地，所述纳米结构单元的周期为Px＝Py＝620nm；所述夹角α＝22.5°；所述连接条宽度w＝17.32nm；所述贵金属材料为金或者银。
进一步地，所述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，镀贵金属：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贵金属，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真空镀贵金属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，得到所述可提高非对称传输的纳米结构。
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。
进一步地，所述步骤2中光刻胶的厚度为该纳米结构的厚度h，所述甩胶机的转速为4000rpm，时间为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。
进一步地，所述步骤5中浸泡显影的时间为60s。
进一步地，所述步骤6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，浸泡定影的时间为20s。
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，蒸镀贵金属的厚度为h。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明纳米结构，为单层手性结构，相比于双层和多层结构，结构简单，制备方便，无需多次镀膜，也无需加入多层胶，易于制备；
2.本发明的纳米结构设计合理新颖，在偏振光照射下，相比于没有连接条的孔缝结构，AT信号明显提高约50％；
3.本发明纳米结构可以产生一个强烈的共振模式，在倾斜矩形孔的连接条上形成强烈的局域表面等离激元共振，这些共振与两分离的矩形孔的其它侧面形成局域共振，减少左旋入射情况下的转化，从而增强了结构的非对称传输特性，这为设计具有更高非对称传输信号强度的手性结构提供了新的研究方向；
4.本发明的纳米结构非对称传输性能突出，可以很好地应用到非对称传输器件的制作中，当该结构单元尺寸发生变化时，在其他的波段也能实现非对称传输功能，但基本模式不会发生改变，并且可以通过结构单元尺寸的改变调节AT的信号的波段，在偏振转换器、电磁开关等器件的制作中可以发挥巨大作用。
附图说明
图1是极化转换的非对称传输原理示意图；
图2是本发明纳米结构三维结构示意图；
图3是本发明纳米结构单元结构示意图；
图4是本发明纳米结构非对称传输极化转化光谱图；
图5是本发明纳米结构电场分布图。
其中，图3和图4中：1、金属薄膜；2、矩形孔；3、连接条。
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和图3所示，为本申请实施例一种可提高非对称传输的纳米结构，为解决现有技术中存在的单层纳米结构的非对称传输信号较小的问题，本申请实施例提供了一种可提高非对称传输的纳米结构，制备方法简单无需多次甩胶，只需一次镀膜即可成型，但相比于传统单层人造纳米结构可以增加5％的非对称传输信号。
一种可提高非对称传输的纳米结构由多个结构相同的纳米结构单元按矩形周期阵列连接而成，纳米结构单元由一金属薄膜1构成，金属薄膜1上设有一倾斜矩形孔2，矩形孔2长边与纳米结构单元x方向具有一夹角α。
矩形孔2还包括有一连接条3，连接条3两端分别连接于矩形孔2的两条长边，且分别与矩形孔2长边垂直，金属薄膜1和连接条3由同种贵金属材料制成，本实施例优选为金材料。
非对称传输效应与波传播的方向和入射波的偏振状态都具有紧密的联系，当光入射时，电磁波和本申请实施例纳米结构之间产生强烈的耦合作用，通过在相反方向上照射相同偏振态的波获取不同偏振态的波产生极化转化，得到不同的极化转化率，从而产生强烈的非对称传输。平面结构更易制备，金属薄膜1上的连接条3将矩形孔2分离开来，改变金属薄膜1上的电场分布。
本申请实施例纳米结构由多个结构相同的纳米结构单元按矩形周期阵列连接而成，用光照射本申请实施例纳米结构，金属薄膜1表面自由电子发生集体震荡，附近的表面等离子区域形成表面等离子激元波，在特定的频率条件下出现等离子激元体共振，促使纳米结构处的光场强度大幅度提高。金属薄膜1的材料的性质，尺寸大小、几何形状等因素也会在不同程度上决定了纳米尺度局域光场增强的程度。本申请实施例金属薄膜1优选为金材料，入射光优选为圆偏振光。
本申请实施例纳米结构在矩形孔2中设置有一连接条3，将一个倾斜矩形孔2隔离为两个较小矩形孔2，在不同圆偏振光照射下，可以产生两个模式，模式Ⅰ和模式Ⅱ，模式Ⅰ在倾斜矩形孔2的两端金属薄膜1上和倾斜矩形孔2周围对偏振光产生不同响应，形成局域表面等离子体(LSP)，模式Ⅱ在倾斜矩形孔2周围对偏振光产生不同响应，形成表面等离子体激元(SPP)。另外，AT效应与矩形孔2的几何也参数有关，例如金属薄膜1和倾斜纳米孔之间的角度，纳米结构单元的周期等等。
在本申请实施例中，可提高非对称传输的纳米结构中提出在金薄膜中设置倾斜的矩形孔2阵列以产生AT效应，结果表明，在652nm和676nm波段可以产生强烈的AT信号。主要是因为局域表面等离子体(LSP)在倾斜矩形孔2的两端或表面等离子体激元(SPP)在金属薄膜1上和在不同激励下倾斜矩形孔2周围的不同响应偏振光。另外，AT效应与矩形孔2的几何参数有关，例如斜切的金属薄膜1和倾斜矩形孔2之间的角度，插入矩形纳米孔金属薄膜1的位置，晶格的周期等等。本申请实施例纳米结构非对称传输性能突出，可以很好地应用到非对称传输器件的制作中，当该结构单元尺寸发生变化时，在其他的波段也能实现非对称传输功能，但基本模式不会发生改变，并且可以通过结构单元尺寸的改变调节AT的信号的波段，在偏振转换器、电磁开关等器件的制作中可以发挥巨大作用。
本申请实施例优选为：金属薄膜1和倾斜纳米狭缝在同一平面上，金属薄膜1优选为金材料，矩形孔2尺寸：长边a＝540nm，短边b＝200nm，矩形孔2长边与纳米结构单元x方向夹角α＝22.5°，连接条3长度c＝200nm，宽度w＝17.32nm，纳米结构单元周期：Px＝Py＝620nm,金属薄膜1厚度h＝80nm。
本申请实施例纳米结构，为单层手性结构，相比于双层和多层结构，结构简单，制备方便，无需多次镀膜，也无需加入多层胶，易于制备。
实施例2：
基于实施例1所述的可提高非对称传输的纳米结构，本申请实施例公开了一种可提高非对称传输的纳米结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；
具体的，ITO玻璃厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm×20.0mm，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PMMA光刻胶；
具体的，光刻胶的厚度为该纳米结构的厚度h＝80nm，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光刻胶的基底放在热板上烘干；
具体的，烘干的温度为150℃，时间为3min。
步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计实施例1中的结构图形，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；
具体的，浸泡显影的时间为60s。
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；
具体的，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，浸泡定影的时间为20s。
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；
具体的，烘干的温度为150℃，时间为3min。
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；
具体的，真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀金的厚度为80nm。
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，得到可提高非对称传输的纳米结构。
实施例3：
基于实施例1所公开的可提高非对称传输的纳米结构，本申请实施例公开了一种可提高非对称传输的纳米结构，利用COMSOL Multiphysics的3D有限元方法来实现本申请实施例纳米结构透射和非对称传输效应仿真模拟。
如图2和图3所示，金属薄膜1优选为金材料，矩形孔2尺寸：长边a＝540nm，短边b＝200nm，矩形孔2长边与纳米结构单元x方向夹角α＝22.5°，连接条3长度c＝200nm，宽度w＝17.32nm，纳米结构单元周期：Px＝Py＝620nm,金属薄膜1厚度h＝80nm。
当LCP和RCP分别从结构的正面入射时，其对入射光的偏振态转化率不同，从而产生非对称传输效应，得到AT信号。尤其当入射光为左旋偏振光、出射光为右旋偏振光时的转化透射率比入射光为右旋偏振光、出射光为左旋偏转光的高。
如图4为本申请实施例纳米结构的非对称传输极化转化光谱图，在580～760nm波段产生两个非对称传输模式，分别为：模式Ⅰ：波长λ＝676nm时，AT＝15.56％；模式Ⅱ：波长λ＝652nm时，AT＝-3.45％。产生的原因是：矩形孔2通过连接条3相互分离后改变了金属薄膜1内部的电荷分布，从而改变电场分布，当使用LCP和RCP分别照射时，偏振光和金属薄膜1在矩形孔2周围产生不同的响应，形成强烈的非对称传输，传统单层手性微纳结构非对称传输信号一般为10％左右，本申请实施例纳米结构的模式Ⅰ的AT＝15.56％，比传统的单层非对称传输信号增加了约5％，提高约50％，在非对称传输领域具有很大的突破性。
而且，模式Ⅰ和模式Ⅱ两个信号峰峰宽很窄，峰型尖锐，且两峰的极值响应波段相差只有24nm，且AT信号相反，待测波长范围微小的改变便会引起其非对称传输信号的急剧变化，灵敏度特别高，这一结果可以应用到灵敏度要求很高的光学信号探测等领域，而且对今后设计光学偏振器和信号探测等具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路。
实施例4：
基于实施例1所公开的可提高非对称传输的纳米结构，为了更好的阐述本发明纳米结构的物理机制，本申请实施例进一步研究了纳米结构的电场分布。
参考图5，为本申请实施例模式Ⅰ和模式Ⅱ分别在RCP和LCP照射下的电场分布图，颜色强弱表示电场的强弱，
在模式Ⅰ中：如图5(a)所示，在RCP照射下，电场主要为横向分布，正电荷主要集中在连接条3左侧，负电荷主要集中在连接条3右侧，部分电荷分布在矩形孔2中间的金属连接条3上，但强度较弱。由于连接条3的存在，使得倾斜矩形孔2强烈的LSP共振导致矩形孔2两端附加的能量耗散，导致矩形孔2两端的能量耗散，RCP波的传输系数降低，透射得到增大。如图5(b)所示，在LCP照射下，发生弱LSP共振，矩形孔2两端的电荷分布不再规则，电荷沿矩形孔2周围的金属膜弧形流动。矩形孔2结构附近的局域表面等离激元振动导致了AT效应产生。在连接条3的两侧产生了符号相反的电荷分布，这些电荷加剧矩形孔2周围的局域表面等离激元共振，RCP传输系数的降低，从而减少了右旋激发时的转化效率，增大两种谐振强度的差异，进一步导致结构模式I的非对称传输特性增强。
在模式Ⅱ中：如图5(c)所示，在RCP光照射下，电场主要为纵向分布，正电荷集中在矩形孔2下方，负电荷集中在矩形孔2上方，如图5(d)所示，在LCP光照射下，电场主要为纵向分布，正电荷主要集中在矩形孔2上方，负电荷主要集中在矩形孔2下方。沿着纵向方向针对的表面等离极化激元导致了AT效应的产生。
因此，本申请实施例可提高非对称传输的纳米结构，在实施例1的结构参数范围内，其结构产生非对称传输，并增加5％的非对称传输极化转化率。
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)
1.一种可提高非对称传输的纳米结构，由多个结构相同的纳米结构单元按矩形周期阵列连接而成；所述纳米结构单元由一金属薄膜构成；其特征在于：
所述金属薄膜上设有一倾斜矩形孔；所述矩形孔长边与纳米结构单元x方向具有一夹角α；
所述矩形孔还包括有一连接条；所述连接条两端分别连接于矩形孔的两条长边，且分别与矩形孔长边垂直；
所述金属薄膜和连接条由同种贵金属材料制成。
2.根据权利要求1所述的纳米结构，其特征在于：所述纳米结构单元的厚度h =70~90nm；所述夹角α = 20°~ 30°；所述矩形孔的长边长度a =530~550nm，短边长度b =180~220nm；所述连接条长度c与短边长度b相等，连接条宽度w =15~ 20nm。
3.根据权利要求2所述的纳米结构，其特征在于：所述纳米结构单元的周期为 Px= Py= 620 nm；所述夹角α=22.5°；所述连接条宽度w=17.32nm；所述贵金属材料为金或者银。
4.权利要求1-3所述任一纳米结构的制备方法，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、2或3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，镀贵金属：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贵金属，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真空镀贵金属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，得到所述可提高非对称传输的纳米结构。
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4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2中光刻胶的厚度为该纳米结构的厚度h，所述甩胶机的转速为4000rpm，时间为60 s。
7.根据权利要求4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。
8.根据权利要求4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。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6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，浸泡定影的时间为20s。
10.根据权利要求4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，蒸镀贵金属的厚度为h。
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