CN112068230A - 一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构及其制备方法 - Google Patents

一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对1550 nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构及其制备方法，涉及微纳加工技术领域，所述三维纳米结构为圆形，从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层、绝缘层和金属纳米结构层，所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列，所述纳米半圆阵列之间设有间隙，所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为60°；本发明空间扭转三维纳米结构在1550 nm波段这一重要的光通讯波段实现了手性光的差异性响应，对手性光的的透过率差异大，且通过调节绝缘层折射率可以实现差异性响应波段的调节。

Description

一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三 维纳米结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构及其制备方法。
背景技术
随着微纳加工技术的迅猛发展，在亚波长尺度操纵光子行为(包括电磁波调制、传播、转换、探测)成为可能，并且引发一系列新颖光子学特性研究，利用精密的微纳加工技术，可以设计“超材料”结构来获得自然界中所不存在的材料性能，由此在不违背基本物理学规律的前提下获得新的物理性能。
在现有技术中，通过构造纳米光子结构可以实现与光学信号中的波长、偏振、相位、自旋等参数耦合，从而能够实现对光信号的开关、调制。例如：Z.Li等人(Spin-Selective Transmission and Devisable Chirality in Two-Layer MetasurfacesSci.Rep.7,8204(2017).)利用空间结构的扭转堆叠，通过调整旋转角为±45°，实现了手性光在1650nm波段处的选择性透射；Z.Wang和H.Jia等人(Circular Dichroism Metamirrorswith Near-Perfect Extinction,ACS Photonics.)关注了微米波段下空间扭曲结构对LCP和RCP吸收率的差异。1550nm波段是光通讯的重要波段，在此波段设计选择性通过/不通过，可以实现高效的光开关器件。而现有技术无法实现对1550nm波段手性光的选择性透过。
发明内容
本发明是为了克服目前现有技术无法实现对1550nm这一光通讯的重要波段手性光的选择性透过等问题，提出了一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层、绝缘层和金属纳米结构层，所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列，所述纳米半圆阵列之间设有间隙，所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为55-65°。
本发明在设计时，将三维纳米结构设计为圆形的三层结构，其中上、下层为金属纳米结构层，中间层位绝缘层，其中金属纳米结构层为称设置的纳米半圆阵列，同时，纳米半圆阵列之间还设置有间隙，并且在设计时，将上、下层的金属纳米结构层进行扭转，使得间隙之间的夹角为55-65°。
这是由于本发明团队在实验过程中发现成对的半圆纳米结构对不同偏振的入射光存在不同的等离激元激发响应模式，分别为类孤立结构模式(localized surfaceplasmon，LSP mode)和间隙模式(gap mode)。而在上下层旋转之后，互相间的激发响应模式互相干扰，对1550nm波段的右旋光形成了上层间隙模式，下层类孤立结构模式。而对同波段的左旋光，则上下层均为类孤立结构模式，因此在1550nm右旋光响应时这一独特的杂化模式带来了结构耦合性能的巨大差异，也就导致了透射行为上的巨大差异。因此，本发明利用空间结构的扭转堆叠形成的对手性光(左旋光/右旋光)的差异性耦合，在1550nm波段这一重要的光通讯波段实现了手性光的差异性响应，形成基于手性响应差异的光开关器件，同时手性光的的透过率差异大，并且，通过调节绝缘层折射率可以实现差异性响应波段的调节。
作为优选，所述三维纳米结构的半径为140-160nm；
所述间隙的宽度为45-55nm；
所述金属纳米结构层的厚度为50-60nm；
所述绝缘层的厚度为80-100nm。
作为优选，所述金属纳米结构层从下至上依次为黏附层和金属层；
所述黏附层的厚度为3-8nm，所述金属层的厚度为45-55nm；
所述黏附层为Cr或Ti，所述金属层为Au；
所述绝缘层为二氧化硅。
一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂电子束光刻胶；
(2)曝光：在旋涂有电子束光刻胶的二氧化硅衬底上进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的电子束光刻胶；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次进行黏附层和金属层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于去胶溶剂中，剥离电子束光刻胶，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底上进行绝缘膜沉积，得到绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂电子束光刻胶；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的电子束光刻胶；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次进行黏附层和金属层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于去胶溶剂中，剥离电子束光刻胶，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后进行紫外光固化封装。
本发明在制备过程中，首先通过在二氧化硅衬底表面涂胶、曝光和显影，得到对称纳米半圆阵列的孔洞，随后在孔洞内依次进行黏附层和金属层沉积，得到下层金属纳米结构层，在将电子束光刻胶剥离之后，进行绝缘膜的沉积，随后，再在已有金属纳米结构层上曝光对称设置的纳米半圆阵列，并围绕中心旋转60°，在显影得到孔洞后，进行黏附层和金属层沉积，得到上层金属纳米结构层，最后去胶，并采用紫外固化光学胶滴加于空间扭转三维纳米结构表面进行封装，此时紫外固化光学胶对间隙进行了填充，制备得到对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构。
作为优选，所述电子束光刻胶为PMMA。
作为优选，所述曝光条件为20-30kV，90-110nC/cm2。
作为优选，所述沉积速率为0.45-0.55nm/s。
作为优选，所述去胶溶剂包括N-甲基吡咯烷酮或丙酮中的一种或两种混合。
作为优选，所述绝缘层的折射率为1.38-1.46。
作为优选，所述紫外光固化能量为4-5J/cm2。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明空间扭转三维纳米结构在1550nm波段这一重要的光通讯波段实现了手性光的差异性响应；
(2)本发明对手性光的透过率差异大；
(3)本发明通过调节绝缘层折射率可以实现差异性响应波段的调节。
附图说明
图1是本发明空间扭转三维纳米结构示意图。
图2为不同角度空间扭转三维纳米结构对左旋光和右旋光入射条件电荷分布响应图。
图3为本发明不同角度空间扭转三维纳米结构透射率差异图。
图4为本发明不同绝缘层折射率空间扭转三维纳米结构透射率差异图。
图中：金属纳米结构层1，绝缘层2，间隙3，纳米半圆阵列4。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
总实施例：一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为140-160nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为80-100nm；所述金属纳米结构层厚度为50-60nm，从下至上依次为黏附层和金属层，所述黏附层为Cr或Ti，厚度为3-8nm，所述金属层为Au，厚度为45-55nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为45-55nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为55-65°；
一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在20-30kV，90-110nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.45-0.55nm/s的沉积速率进行黏附层和Au层沉积；所述黏附层为Cr层或Ti层；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于去胶溶剂中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；所述去胶溶剂包括N-甲基吡咯烷酮或丙酮中的一种或两种混合；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.45-0.55nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.38-1.46的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在20-30kV，90-110nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.45-0.55nm/s的沉积速率依次进行黏附层和Au层沉积；所述黏附层为Cr层或Ti层；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于去胶溶剂中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；所述去胶溶剂包括N-甲基吡咯烷酮或丙酮中的一种或两种混合；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4-5J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例1：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为150nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为90nm；所述金属纳米结构层厚度为55nm，从下至上依次为Cr层和Au层，所述Cr层厚度为5nm，所述Au层度为50nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为50nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为60°；一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在25kV，100nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.5nm/s的沉积速率进行Cr层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.5nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.38的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在25kV，100nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.5nm/s的沉积速率依次进行Cr层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4.5J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例2：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为150nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为90nm；所述金属纳米结构层厚度为55nm，从下至上依次为Cr层和Au层，所述Cr层厚度为5nm，所述Au层度为50nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为50nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为60°；一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在25kV，100nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.5nm/s的沉积速率进行Cr层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.5nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.40的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在25kV，100nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.5nm/s的沉积速率依次进行Cr层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4.5J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例3：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为150nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为90nm；所述金属纳米结构层厚度为55nm，从下至上依次为Cr层和Au层，所述Cr层厚度为5nm，所述Au层度为50nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为50nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为60°；一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在25kV，100nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.5nm/s的沉积速率进行Cr层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.5nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.42的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在25kV，100nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.5nm/s的沉积速率依次进行Cr层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4.5J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例4：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为150nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为90nm；所述金属纳米结构层厚度为55nm，从下至上依次为Cr层和Au层，所述Cr层厚度为5nm，所述Au层度为50nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为50nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为60°；一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在25kV，100nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.5nm/s的沉积速率进行Cr层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.5nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.44的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在25kV，100nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.5nm/s的沉积速率依次进行Cr层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4.5J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例5：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为150nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为90nm；所述金属纳米结构层厚度为55nm，从下至上依次为Cr层和Au层，所述Cr层厚度为5nm，所述Au层度为50nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为50nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为60°；一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在25kV，100nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.5nm/s的沉积速率进行Cr层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.5nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.46的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在25kV，100nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.5nm/s的沉积速率依次进行Cr层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4.5J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例6：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为140nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为80nm；所述金属纳米结构层厚度为50nm，从下至上依次为Ti层和Au层，所述Ti层厚度为3nm，所述Au层度为47nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为45nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为55°；
一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在20kV，90nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.45nm/s的沉积速率进行Ti层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于丙酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.45nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.38的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在20kV，90nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.45nm/s的沉积速率依次进行Ti层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于丙酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4J/cm2下进行紫外光固化封装。
实施例7：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为160nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为100nm；所述金属纳米结构层厚度为60nm，从下至上依次为Ti层和Au层，所述Ti层厚度为8nm，所述Au层度为52nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为55nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为65°；
一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在30kV，110nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.55nm/s的沉积速率进行Ti层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于丙酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.55nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.38的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在30kV，110nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.55nm/s的沉积速率依次进行Ti层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于丙酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为5J/cm2下进行紫外光固化封装。
对比例1-9：如图1所示，一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，所述三维纳米结构为圆形，半径为150nm；从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层1、绝缘层2和金属纳米结构层1，所述绝缘层为二氧化硅，厚度为90nm；所述金属纳米结构层厚度为55nm，从下至上依次为Cr层和Au层，所述Cr层厚度为5nm，所述Au层度为50nm；所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列4，所述纳米半圆阵列之间设有间隙3，所述间隙的宽度为50nm；所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为θ；一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂5％PMMA的苯甲醚溶液，在转速3000rpm/s下形成300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(2)曝光：在旋涂有PMMA电子束光刻胶薄膜的二氧化硅衬底上在25kV，100nC/cm2下进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
(3)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜，实现孔洞；
(4)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次以0.5nm/s的沉积速率进行Cr层和Au层沉积；
(5)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，得到金属纳米结构层；
(6)绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底以0.5nm/s的沉积速率上进行二氧化硅膜沉积，得到折射率为1.38的绝缘层；
(7)涂胶：表面再次旋涂300nm厚度的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(8)曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上在25kV，100nC/cm2下曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转θ；
(9)显影：用显影液溶解除去受到曝光的PMMA电子束光刻胶薄膜；
(10)金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上以0.5nm/s的沉积速率依次进行Cr层和Au层沉积；
(11)去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于N-甲基吡咯烷酮中，剥离PMMA电子束光刻胶薄膜，制备得到空间扭转三维纳米结构；
(12)封装：将紫外固化光学胶Norland NOA65滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后在固化能量为4.5J/cm2下进行紫外光固化封装。
对比例1-9的上下金属纳米结构层间隙之间的夹角θ取值如下表所示。
Figure BDA0002639615360000121
Figure BDA0002639615360000131
将实施例及对比例制备得到的空间扭转三维纳米结构进行性能检测。
图2为不同角度空间扭转三维纳米结构在1550nm波段在左旋光和右旋光入射条件下，不同的电荷分布响应情况，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为对比例1、对比例9、对比例4、实施例1的电荷分布图，(e)、(f)、(g)、(h)分别为对应简化的电荷分布，从图中可知，在旋转角度为60°时，上下层出现了不同的间隙模式和类孤立结构模式，实现了手性光的差异性响应。
图3为本发明实施例1及对比例1-9(图中为a-i)制备得到的不同角度空间扭转三维纳米结构透射率差异图，图中可知，实施例1(旋转角度为60°)在1550nm波段实现了最大的透射率差异，为70％。
图4为本发明实施例1-5制备得到的不同绝缘层折射率空间扭转三维纳米结构透射率差异图，图中可知，绝缘层折射率在1.38-1.46间调控，可以实现工作波段在1538-1626nm间的调控。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，其特征在于，所述三维纳米结构为圆形，从下至上依次包括堆叠的金属纳米结构层（1）、绝缘层（2）和金属纳米结构层（1），所述金属纳米结构层为对称设置的纳米半圆阵列（4），所述纳米半圆阵列之间设有间隙（3），所述上下金属纳米结构层间隙之间的夹角为55-65°。
2.根据权利要求1所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，其特征在于，所述三维纳米结构的半径为140-160nm；
所述间隙的宽度为45-55nm；
所述金属纳米结构层的厚度为50-60nm；
所述绝缘层的厚度为80-100nm。
3.根据权利要求1所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构，其特征在于，所述金属纳米结构层从下至上依次为黏附层和金属层；
所述黏附层的厚度为3-8nm，所述金属层的厚度为45-55nm；
所述黏附层为Cr或Ti，所述金属层为Au；
所述绝缘层为二氧化硅。
4.如权利要求1-3任一所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）涂胶：在二氧化硅衬底表面旋涂电子束光刻胶；
（2）曝光：在旋涂有电子束光刻胶的二氧化硅衬底上进行电子束曝光，曝光对称纳米半圆阵列，并做上套刻标记；
（3）显影：用显影液溶解除去受到曝光的电子束光刻胶，实现孔洞；
（4）金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次进行黏附层和金属层沉积；
（5）去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于去胶溶剂中，剥离电子束光刻胶，得到金属纳米结构层；
（6）绝缘层沉积：在去胶后的二氧化硅衬底上进行绝缘膜沉积，得到绝缘层；
（7）涂胶：表面再次旋涂电子束光刻胶；
（8）曝光：对准套刻标记，在已有金属纳米结构层上曝光对称设置的纳米半圆阵列，同时将对称设置的纳米半圆阵列围绕中心旋转60°；
（9）显影：用显影液溶解除去受到曝光的电子束光刻胶；
（10）金属纳米结构层沉积：在显影后的二氧化硅衬底上依次进行黏附层和金属层沉积；
（11）去胶：将沉积后的二氧化硅衬底浸没于去胶溶剂中，剥离电子束光刻胶，制备得到空间扭转三维纳米结构；
（12）封装：将紫外固化光学胶滴加于空间扭转三维纳米结构表面，随后进行紫外光固化封装。
5.根据权利要求4所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，所述电子束光刻胶为PMMA。
6.根据权利要求4所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，所述曝光条件为20-30kV，90-110nC/cm2。
7.根据权利要求4所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，所述沉积速率为0.45-0.55nm/s。
8.根据权利要求4所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，所述去胶溶剂包括N-甲基吡咯烷酮或丙酮中的一种或两种混合。
9.根据权利要求4所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的折射率为1.38-1.46。
10.根据权利要求4所述的一种对1550nm波段手性光存在选择性透过差异的空间扭转三维纳米结构的制备方法，其特征在于，所述紫外光固化能量为4-5J/cm2。
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Yang et al. Polarization properties in helical metamaterials

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