[發(fā)明專利]表面等離子體透鏡的批量化制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310285392.6
• 申請日: 2013-07-08
• 公開（公告）號: CN103345009A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 虞益挺;苑偉政
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微/納光子器件領(lǐng)域，主要涉及微/納加工技術(shù)、自組裝技術(shù)、亞波長尺度光學(xué)技術(shù)等。

現(xiàn)有技術(shù)

隨著納米加工技術(shù)、數(shù)值建模與仿真技術(shù)、納米尺度光學(xué)表征技術(shù)等的不斷成熟，表面等離子體光子學(xué)（Plasmonics）在過去十幾年得到了爆炸式發(fā)展，逐漸形成一門新興學(xué)科，在超衍射極限成像及光刻、超靈敏生化檢測、超材料隱形、單芯片光通信組件、高效能源利用、生物醫(yī)療等等領(lǐng)域已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景（Nature,2003,424:824;Sci.Am.,2007,296:56.）。

表面等離子體透鏡（plasmonic?lens）作為一種典型的表面等離子體納光子器件，利用金屬材料在某些波段具有負(fù)折射系數(shù)的特性，能夠放大衰逝波（攜帶物體的細(xì)部特征信息）或?qū)⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゲǎ瑥亩梢钥朔鹘y(tǒng)的衍射極限，實現(xiàn)超分辨率成像（Phys.Rev.Lett.,2000,85:3966;Science,2005,308:534;Science,2007,315:1686.）。此外，由于該類透鏡通常具有平面薄膜結(jié)構(gòu)，而金屬薄膜一般采用物理氣相沉積的方法制備，與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝完全兼容，因此為實現(xiàn)片上光學(xué)系統(tǒng)提供了可能。然而，平面薄膜式的表面等離子體透鏡沒有工作距離（定義為透鏡平面到其焦平面的距離），因此只能工作于距離透鏡僅數(shù)十納米的空間，從而限制了實際應(yīng)用。納米結(jié)構(gòu)式的表面等離子體透鏡能較好地解決這一問題，實現(xiàn)顯著的遠場光學(xué)聚焦。

縱觀現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)式表面等離子體透鏡，基于變尺寸納米結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)建透鏡的方法被大量采用，其中，寬度（Nano?Lett.,2009,9:235.）、深度（Appl.Phys.Lett.,2004,85:642.）、周期（J.Mod.Opt.,2009,56:1550.）等是主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計多樣性賦予了該類透鏡在聚焦性能上的高度可控性。然而，變尺寸的結(jié)構(gòu)單元決定了該類透鏡在制造時需要借助諸如聚焦離子束刻蝕、電子束曝光等可定義任意圖形的納米加工技術(shù)，但這些技術(shù)屬于串行工藝，工藝效率低、工藝成本很高，不利于透鏡的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

美國西北大學(xué)的Odom研究組基于光學(xué)干涉原理，利用周期性亞波長的金納米孔陣列研制了一種表面等離子體透鏡（Nano?Lett.,2010,10:4111.），并實驗觀察到器件在相當(dāng)寬波段范圍內(nèi)具有明顯的聚焦效應(yīng)。該透鏡的焦距主要取決于工作波長以及器件的整體尺寸。同時，研究人員采用激光干涉式光刻以及納米壓印等技術(shù)實現(xiàn)了透鏡的批量化制備。但是，通過激光干涉式光刻制作的透鏡母模的面積一般是有限的，通常只有數(shù)個平方厘米；另外，由于拔模等工藝過程中存在的缺陷，透鏡邊緣處的納米孔尺寸要明顯小于中心處的納米孔，導(dǎo)致實際的焦距要小于設(shè)計值。

近年來，基于旋涂法的納米球光刻技術(shù)由于實驗設(shè)備簡單、加工成本低廉、工藝效率高、具備圓片級（4英寸甚至更大）納米加工能力以及可與標(biāo)準(zhǔn)的微/納加工工藝集成等顯著優(yōu)點逐漸受到大家的關(guān)注（J.Mater.Chem.,2010,20:5025;Nanotechnol.,2010,21:205301.）。利用自組裝技術(shù)，它可以在4英寸基底上形成單層或多層緊密排列的納米球自組裝結(jié)構(gòu)，隨后將其作為剝離或刻蝕掩膜，將相鄰納米球之間的周期性結(jié)構(gòu)間隙復(fù)制到特定的結(jié)構(gòu)材料中；借助干法或濕法刻蝕技術(shù)還可以調(diào)整納米球的直徑，從而極大增加了器件的設(shè)計靈活性。該技術(shù)已被應(yīng)用于各種周期性納米點、納米孔、納米柱、納米圓盤等結(jié)構(gòu)的制備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：為了實現(xiàn)Odom研究組提出的納米結(jié)構(gòu)式表面等離子體透鏡的批量化制備，并克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的加工面積有限、構(gòu)成透鏡的納米孔結(jié)構(gòu)尺寸不一致等問題，本發(fā)明基于旋涂法的納米球光刻技術(shù)，提出了一種新的針對該透鏡的批量化制備方法。