CN111045121B - 一种偏振控制的表面等离激元双功能超表面及其设计和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振控制的表面等离激元双功能超表面及其设计和制备方法，所述超表面纵向采用采用金属‑介质‑金属三层结构，表面为梯形单元结构阵列，实现不同偏振态下光的振幅与相位的独立调控：可对x方向偏振光进行相位调控，实现偏转器功能；可对y方向偏振光进行振幅调控，实现结构色功能。该种双功能结构提高了超表面结构的集成度与调控多样性，偏转、结构色两种应用既相互独立又互为补充，两种功能的结合为防伪、生物组织双折射的测量、生物分子旋光度的测量提供了全新的解决方案。

Description

一种偏振控制的表面等离激元双功能超表面及其设计和制备 方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，特别是微型化、集成化光电器件的设计与制造，具体涉及一种表面等离激元双功能超表面及其设计和制备方法。

背景技术

2011年，美国哈佛大学的Federico Capasso课题组首次提出了超表面的概念。超表面是一种人工合成的亚波长二维电磁功能材料，具备很多自然材料不具备的物理特性与效应，如：负折射率特性、负相速度特性、超分辨成像效应、非线性增强效应、异常光透射效应等。这些物理特性与效应形成的机理是：亚波长超表面结构可对入射电磁波产生独特光学响应，改变电磁波波前的特性，实现电磁波的振幅、偏振、相位等光学参量的低损耗全面调控。在超表面结构的物理设计上，超表面结构的独特光学响应常利用表面等离激元共振产生。表面等离激元是在金属-介质界面形成的一种由自由电子和光子的相互作用产生的电磁振荡。通过物理分析与设计，可实现基于表面等离激元超表面的集成化的光电子器件。

在宏观尺度上，人们常用棱镜、透镜、反射镜等基本光学元件调节入射光线的性质，复杂光学功能的实现需组合多种光学元件，占据很大空间。基于亚波长超表面设计与制备的光学元件尺度常在微米量级，极大地提高了光学元器件的集成度。然而，常规基于超表面设计的微型光学元件与宏观光学元件一样，均是每种元件对应一种特定的功能。因此，实现多种光学功能需分别设计加工不同的光学元器件，既不利于设计与加工成本的降低，又不利于集成度的提高。利用多路复用的思想，设计、加工出对不同偏振方向入射光响应完全不同的超表面器件，实现单一器件对两种光学功能的调控，具有重要意义。

发明内容

超表面光学器件的功能是通过对电磁参量的调控实现的，所述电磁参量包括：振幅、偏振、相位。本发明的目的是针对上述应用需求以及现有技术的不足，提出一种梯形阵列结构双功能超表面及其设计与加工方法，实现不同偏振态下光的振幅与相位的独立调控、进而实现两种独立的功能：功能一，对入射光相位进行调控，实现偏转器功能；功能二，对入射光振幅进行调控，实现结构色功能。

偏转器是一种基础的光学器件，用于改变光的传播方向、并对不同波长的光进行筛选。在宏观光学元件中，偏转器常由闪耀光栅实现，在超表面器件中偏转器常由可在一个周期内完整实现2π相移的微纳结构阵列实现。其基本功能是：将干涉零级与衍射中央主极大位置分开，使得+1级光谱获得最大光强、其他级次受到抑制，即：垂直于偏转器入射的光在反射或折射时会被偏转到一定角度上。根据广义斯涅尔定律，反射式超表面偏转器的偏转角满足以下关系式：

其中，θ_r为异常衍射角，λ₀为自由空间的入射波长，dΦ_y/dy为沿y方向的界面相位梯度，m₀为传统光栅的衍射级次，m＝m₀+1是超表面衍射光栅的衍射级次。

由上述分析可知，偏转器功能的实现在于对超表面的相位调控，即在一个结构周期内，实现2π的完整相位变化。在本发明的超表面结构设计中，这种相位的渐变关系由宽度渐变的梯形单元结构实现。

结构色是微观结构对光进行反射、散射、衍射、干涉等物理作用而产生的颜色。其具体物理过程为：当白光入射到微结构上时，只有一定波长范围内的光才会发生上述物理作用，导致光的振幅衰减。不同尺寸的微观结构会与不同波长的光产生强相互作用，产生不同的色彩。基于超表面的结构色具有高达10⁵dpi的超高分辨率，可用于高分辨率色彩印刷、防伪、生化色度传感等多个领域，具有广阔的应用前景。

本发明中利用表面为梯形阵列结构的表面等离激元超表面产生结构色。由于表面等离激元共振对与偏振方向平行的微纳结构尺寸变化十分敏感，因此可通过改变梯形单元结构的高对光的振幅进行调控，形成丰富的结构色。

本发明中，能够实现偏转器和结构色双功能的超表面的纵向结构采用金属-介质-金属三层结构，既保证了光在响应波段产生对应的相位、振幅变化，又保证了光在非响应波段的高反射率。

为实现上述偏转器和结构色双功能的表面等离激元超表面，本发明采用纵向自下而上为金属-介质-金属三层结构且顶层金属为梯形单元结构阵列的超表面，其设计和制备方法包括如下步骤：

(1)根据偏转器工作波长的需要，确定所述超表面的材料构成与大致尺寸范围包括；底层金属的材料及其厚度t₁、介质层的材料及其厚度t₂、顶层金属的材料及其厚度t₃、梯形单元结构的x方向周期P_x、梯形单元结构的y方向周期P_y、梯形单元结构的上底宽度w₁和下底宽度w₂、梯形单元结构的高l；

(2)模拟仿真超表面在x方向偏振光入射下的相位变化，实现一个结构周期内的2π完整相移(功能一：偏转器)，确定梯形单元结构的上底宽度w₁、下底宽度w₂；

(3)改变梯形单元结构的高l，模拟仿真超表面在y方向偏振光入射下的振幅变化，使得表面等离激元共振波长覆盖整个可见光波段范围(功能二：结构色)，确定梯形单元结构高l的变化区间；

(4)根据步骤(3)得到的梯形单元结构高l的变化区间，进行不同高度梯形单元结构在x方向偏振光入射下的相位变化仿真，确定该l变化区间内的梯形单元结构都能实现一个结构周期内的2π完整相移，即：在功能上确保步骤(3)中结构色功能设计不会对步骤(2)中偏转器功能设计产生影响；

(5)准备衬底，在衬底上依次沉积底层金属层、介质层；

(6)通过光刻图形化所设计的超表面结构，得到光刻胶梯形阵列图形；

(7)在图形化的光刻胶上沉积顶层金属；

(8)利用剥离工艺将光刻胶梯形阵列图形转移为金属梯形阵列图形，获得表面等离激元双功能超表面。

上述步骤(1)中所述工作波长须在金属材料等离激元响应的波段内，一般为紫外光-可见光波段。超表面的材料构成取决于工作波长下材料的本征性质，须满足：底层、顶层金属材料在该工作波长下不会产生带间跃迁，介质层材料在该工作波长下具有较高透过率(更高的透过率有助于降低器件的损耗。在本发明中，几十纳米介质材料的透过率一般应不低于80％)。超表面的尺寸范围确定遵循以下规则：①超表面的梯形单元结构具有亚波长特性，即梯形单元结构的x方向周期P_x、y方向周期P_y须略小于工作波长。②底层金属厚度t₁须足够厚，使得光在入射波长下几乎全被反射，其厚度一般大于等于100nm；介质层厚度t₂一般在20nm～50nm范围内；顶层金属厚度t₃须足够薄，使得光在入射波长下可以透射进入下层介质层，一般在15nm～35nm范围内。③梯形单元结构的上底宽度w₁和下底宽度w₂的选取是x偏振光入射下完整2π相移实现的关键(功能一：偏转器)，一般w₁在10nm～60nm范围内，w₂小于P_x。梯形单元结构的高l决定了y偏振光入射下共振波长的位置(功能二：结构色)，一般在0.4P_y～0.9P_y区间范围内。

上述步骤(2)中所述偏转器模拟仿真的目的是确定梯形单元结构上底宽度w₁、下底宽度w₂，以实现一个结构周期内的2π完整相移。梯形单元结构可看作一种宽度逐渐变化的长方形单元结构，其2π完整相移是沿着高的方向逐渐累积实现的。因此，可通过仿真确定高度l、不同宽度w的长方形单元结构的相移确定梯形单元结构的上底宽度w₁与下底宽度w₂。令长方形单元结构的长度l保持不变，令宽w在10nm～P_x范围内变化，得到一组不同宽度长方形的相移。从中确定相移差为2π的宽度w₁、w₂作为所设计的梯形单元结构的上底、下底宽度。

上述步骤(3)中所述结构色模拟仿真的关键是确定梯形单元结构高l的变化区间。在本发明中，结构色是由表面等离激元共振产生的。在y方向偏振光入射下，这种表面等离激元共振对与偏振方向平行的结构参数l的变化十分敏感。l在一定范围内变化会导致表面等离激元共振波长的变化，进而导致结构色的改变。上述步骤(3)是根据欲实现的色域，模拟仿真确定l值的变化区间。在大多数结构色的应用中，一般令共振波长覆盖整个可见光波段，以产生尽可能宽的色域。

上述步骤(4)是为了确定：在x偏振光入射下，步骤(3)中高度l在一定区间内变化的梯形单元结构仍然可产生步骤(2)中仿真得到的2π完整相移，即步骤(3)中结构色功能设计不会对步骤(2)中偏转器功能设计产生影响。理论上，由于梯形单元结构的高l与x方向垂直，因而梯形单元结构在x偏振光入射下产生的相移对l的变化不敏感。但在极端情况下，l的大范围变化仍可能导致x偏振光入射下2π相移关系的变化，进而影响偏转器的性能。通过模拟仿真，若步骤(3)确定的l变化区间导致了2π相移关系的变化，则需要返回步骤(1)，重新选取更合适的结构参数。

上述步骤(2)、(3)、(4)中所述模拟仿真方法可以是有限元仿真、时域有限差分法等方法。

上述步骤(5)中所述的金属是能产生表面等离激元的金属，一般选自金、银、铝三种。金属沉积方法可以采用磁控溅射法或者电子束蒸发法，该金属层的厚度大于等于100nm。介质的沉积方法可以采用物理气相沉积法、低压化学气相沉积法、电子束蒸发法等，该介质层的厚度由步骤(2)、(3)、(4)的仿真结果确定，一般在几十纳米。

上述步骤(6)中所述的光刻图形化可以采用电子束光刻或深紫外光刻。

上述步骤(7)中所述金属沉积方法可以是电子束蒸发法，所述金属是能产生表面等离激元的金属，一般选自金、银、铝三种。

上述步骤(8)中所述的剥离工艺常用丙酮溶液浸泡、超声的方式实现光刻胶的剥离，具体的溶液选取与剥离时间等工艺条件与步骤(6)光刻工艺选取的光刻胶性质有关。

本发明提出的表面为梯形单元结构阵列的双功能超表面设计与制备方法，是基于模拟仿真与半导体微纳加工方法的一种集成光学元件设计和制备方法。本发明至少具有以下的技术优势：

(1)超表面结构具有双功能，可对x、y两个方向的偏振光进行不同的光学调控。具体来说：可对x方向偏振光进行相位调控，实现偏转器功能；可对y方向偏振光进行振幅调控，实现结构色功能。该种双功能结构提高了超表面结构的集成度与调控多样性。

(2)本发明中的偏转、结构色两种应用既相互独立又互为补充，两种功能的结合为防伪、生物组织双折射的测量、生物分子旋光度的测量提供了全新的解决方案。

(3)采用常规的电磁模拟仿真方法，设计简便高效。

(4)结合材料沉积、光刻等成熟半导体制备方法，加工稳定可靠，可实现大面积加工。

(5)本发明采用金属-介质-金属三层结构，该结构可以保证在纵向范围形成强电磁约束，可实现在工作波段内，对x方向偏振光的明显相位调控与y方向偏振光的明显振幅调控。在非共振波段，底层足够厚的金属材料保证了接近100％的光学反射、降低了光学损耗。

附图说明

图1是本发明提出的双功能超表面的结构原理图，其中，P_x为梯形单元结构的x方向周期，P_y为梯形单元结构的y方向周期，l为梯形单元结构的纵向长度(即梯形的高)，w₁为梯形单元结构的上底宽度，w₂为梯形单元结构的下底宽度，t₁为底层金属厚度，t₂为介质层厚度，t₃为顶层金属厚度。

图2是实施例设计的双功能超表面在不同入射波长下，y方向不同位置处的相移模拟结果。

图3是实施例中双功能超表面的制备流程示意图，其中1为基底、2为底层金属层、3为介质层、4为电子束光刻胶孔洞阵列、5为顶层金属梯形阵列。

图4是实施例加工制备的双功能超表面的梯形阵列结构的扫描电子显微镜照片。

图5是实施例制备的双功能超表面在x偏振光入射时，反射光的角分辨光谱测试结果图(对应功能一：偏转器)。

图6是实施例制备的双功能超表面在y偏振光入射时，不同纵向长度的梯形单元结构的反射光谱测试结果图(对应功能二：结构色)。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施对本发明进行详细的描述。所述实施例仅为示例性的，并不意欲将依据本发明的设计和制备方法限定在实施例所述的材料、条件或者过程参数内。

实施例1：

(1)明确双功能超表面的基本结构与工作模式，其结构示意图如图1所示。

(2)通过时域有限差分法进行仿真设计。对x、y两个偏振方向分别进行相位、振幅的仿真，选择金属-介质-金属三层结构的材料分别为铝、氧化硅、铝，得到理想的关键结构参数为：t₁＝20nm、t₂＝50nm、t₃＝200nm、P_x＝185nm、P_y＝555nm、w₁＝30nm、w₂＝140nm。该设计保证了360nm～540nm波段范围内的入射光在一个结构周期内产生2π完整相移(如图2所示)。梯形单元结构的纵向长度l选取为250nm～450nm。在该范围内变化的l值保证了y偏振光入射时表面等离激元共振波长覆盖整个可见光波段，且x偏振光入射时产生2π完整相移。

(3)根据步骤(2)得到的结构参数，通过半导体加工方法制备双功能超表面样品(如图3所示)，包括：①利用磁控溅射的工艺方法，在硅材料的衬底1上溅射200nm厚的铝膜，形成底层金属层2；利用物理气相沉积的工艺方法，在底层金属层2上沉积50nm厚的氧化硅，形成介质层3。②在介质层3上通过电子束光刻得到梯形电子束光刻胶孔洞阵列4。③在电子束光刻胶孔洞阵列4上电子束蒸发20nm铝，得到顶层金属梯形阵列5。④将样品浸泡在丙酮溶液中2小时，然后在浸泡状态下超声三分钟，剥离得到具有梯形阵列结构的双功能超表面器件，其扫描电子显微镜照片如图4所示。

(4)对双功能超表面器件性能进行表征，包括：①测量在x偏振光垂直入射下，反射光的角分辨光谱，如图5所示。光强集中在一级主极大，表明偏转器功能成功实现。②测量在y偏振光入射下，垂直接收的反射光谱，如图6所示。光谱的共振峰分布在不同位置、且覆盖整个可见光波段，表明实现了丰富的结构色。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种表面等离激元超表面，具有自下而上的金属-介质-金属三层结构，且顶层金属为梯形单元结构阵列，能够对x、y两个方向的偏振光进行不同的光学调控，实现两种独立的功能，即：对x方向偏振光进行相位调控，实现偏转器功能；对y方向偏振光进行振幅调控，实现结构色功能；所述表面等离激元超表面通过如下设计方法实现：

1)根据偏转器工作波长的需要，确定所述超表面的材料构成与大致尺寸范围，包括；底层金属的材料及其厚度t₁、介质层的材料及其厚度t₂、顶层金属的材料及其厚度t₃、梯形单元结构的x方向周期P_x、梯形单元结构的y方向周期P_y、梯形单元结构的上底宽度w₁和下底宽度w₂、梯形单元结构的高l；其中，保证所述工作波长在金属材料等离激元响应的波段内，底层、顶层金属材料在该工作波长下不会产生带间跃迁，介质层材料在该工作波长下具有较高透过率；超表面的尺寸范围确定遵循以下规则：①梯形单元结构具有亚波长特性，即梯形单元结构的x方向周期P_x、y方向周期P_y略小于工作波长；②底层金属厚度t₁足够厚，使得光在入射波长下几乎全被反射；介质层厚度t₂在20nm～50nm范围内；顶层金属厚度t₃足够薄，使得光在入射波长下可以透射进入介质层；③梯形单元结构的上底宽度w₁和下底宽度w₂的选取是x偏振光入射下完整2π相移实现的关键，w₁在10nm～60nm范围内，w₂小于P_x；梯形单元结构的高l决定了y偏振光入射下共振波长的位置，大小在0.4P_y～0.9P_y区间范围内；

2)模拟仿真超表面在x方向偏振光入射下的相位变化，实现一个结构周期内的2π完整相移即偏转器功能，确定梯形单元结构的上底宽度w₁、下底宽度w₂；

3)改变梯形单元结构的高l，模拟仿真超表面在y方向偏振光入射下的振幅变化，使得表面等离激元共振波长覆盖整个可见光波段范围，实现结构色功能，确定梯形单元结构高l的变化区间；

4)根据步骤3)得到的梯形单元结构高l的变化区间，进行不同高度梯形单元结构在x方向偏振光入射下的相位变化仿真，确定该l变化区间内的梯形单元结构都能实现一个结构周期内的2π完整相移，即：在功能上确保步骤3)中结构色功能设计不会对步骤2)中偏转器功能设计产生影响。

2.权利要求1所述表面等离激元超表面的设计方法，包括以下步骤：

1)根据偏转器工作波长的需要，确定所述超表面的材料构成与大致尺寸范围，包括；底层金属的材料及其厚度t₁、介质层的材料及其厚度t₂、顶层金属的材料及其厚度t₃、梯形单元结构的x方向周期P_x、梯形单元结构的y方向周期P_y、梯形单元结构的上底宽度w₁和下底宽度w₂、梯形单元结构的高l；其中，保证所述工作波长在金属材料等离激元响应的波段内，底层、顶层金属材料在该工作波长下不会产生带间跃迁，介质层材料在该工作波长下具有较高透过率；超表面的尺寸范围确定遵循以下规则：①梯形单元结构具有亚波长特性，即梯形单元结构的x方向周期P_x、y方向周期P_y略小于工作波长；②底层金属厚度t₁足够厚，使得光在入射波长下几乎全被反射；介质层厚度t₂在20nm～50nm范围内；顶层金属厚度t₃足够薄，使得光在入射波长下可以透射进入介质层；③梯形单元结构的上底宽度w₁和下底宽度w₂的选取是x偏振光入射下完整2π相移实现的关键，w₁在10nm～60nm范围内，w₂小于P_x；梯形单元结构的高l决定了y偏振光入射下共振波长的位置，大小在0.4P_y～0.9P_y区间范围内；

2)模拟仿真超表面在x方向偏振光入射下的相位变化，实现一个结构周期内的2π完整相移即偏转器功能，确定梯形单元结构的上底宽度w₁、下底宽度w₂；

3)改变梯形单元结构的高l，模拟仿真超表面在y方向偏振光入射下的振幅变化，使得表面等离激元共振波长覆盖整个可见光波段范围，实现结构色功能，确定梯形单元结构高l的变化区间；

4)根据步骤3)得到的梯形单元结构高l的变化区间，进行不同高度梯形单元结构在x方向偏振光入射下的相位变化仿真，确定该l变化区间内的梯形单元结构都能实现一个结构周期内的2π完整相移，即：在功能上确保步骤3)中结构色功能设计不会对步骤2)中偏转器功能设计产生影响。

3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤2)通过仿真确定高度l、不同宽度w的长方形单元结构的相移确定梯形单元结构的上底宽度w₁与下底宽度w₂，具体是：令长方形单元结构的长度l保持不变，令宽w在10nm～P_x范围内变化，得到一组不同宽度长方形的相移，从中确定相移差为2π的宽度w₁、w₂作为所设计的梯形单元结构的上底和下底宽度。

4.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在步骤4)中，如果通过模拟仿真发现步骤3)确定的l变化区间导致了2π相移关系的变化，则返回步骤1)重新选取更合适的结构参数。

5.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤2)、3)和4)中所述模拟仿真方法是有限元仿真或时域有限差分法。

6.权利要求1所述表面等离激元超表面的制备方法，首先根据权利要求2～5任一所述设计方法获得所述表面等离激元超表面的的材料和结构参数，然后通过以下步骤进行制备：

a)准备衬底，在衬底上依次沉积底层金属层、介质层；

b)通过光刻图形化所设计的超表面结构，得到光刻胶梯形阵列图形；

c)在图形化的光刻胶上沉积顶层金属；

d)利用剥离工艺将光刻胶梯形阵列图形转移为金属梯形阵列图形，获得双功能的表面等离激元超表面。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤a)采用磁控溅射法或者电子束蒸发法在衬底上沉积底层金属层，然后采用物理气相沉积法、低压化学气相沉积法或电子束蒸发法沉积介质层。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b)采用电子束光刻或深紫外光刻图形化所设计的超表面结构，步骤c)采用电子束蒸发法沉积顶层金属。

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