專利名稱：一種增強納米狹縫透射效率的微納結構的制作方法
技術領域：
本專利涉及納米光刻、超高密度數據存儲、近場光學等領域，特別是一種1000納 米波長的增強納米狹縫透射效率(注狹縫透射效率n定義為透過狹縫的沿狹縫方向的總 能量 τ與狹縫相同面積的入射光能量Ttl之比，S卩η =17%)的微納結構裝置。
背景技術：
目前，人類正處于信息時代，信息總量正在迅速增加，這對信息的存儲、信息的處 理提出了更高的要求。面對如此巨大的信息量，要求存儲器件更小、存儲量更大、處理速度 更快。增強納米狹縫透射效率的金屬微結構裝置是未來納米光刻、超高密度數據存儲、近場 光學等技術領域的關鍵元件，該結構可以極大地提高入射光的透射效率，將在未來的信息 技術革新中起到重要的作用。在納米狹縫增透的應用中，通常要求透射效率高、結構簡單、易加工。普通的納米 狹縫入射光很難透過狹縫傳輸，透射效率極低，無法滿足納米光刻、高密度數據存儲等的應 用要求。1998 年 Ebbesen 等人在先技術 1 =Ebbesen Tff et al.，1998Nature 391667通過 實驗發現透過金屬膜表面的納米孔具有透射增強現象，2002年該小組在先技術2 =Lezec HJ et al. ,Science 2002 297 820又發現透過金屬膜表面的納米狹縫同樣也存在透射增強現 象。研究表明，金屬納米孔和納米狹縫的透射增強現象是由入射光光子與金屬表面的一種表面 等離子體相互耦合，產生表面等離子體激元的混合激發態，并形成表面等離子體共振在先技 術1及法_泊腔共振在先技術3 =Takakure Y，200IPhys. Rev. Lett. 865601弓丨起的。利用TM偏振光入射到周期金屬結構表面激發表面等離子體，將入射光耦合到金 屬周期結構與金屬膜之間的介質隔層中，并通過調節金屬膜厚度使狹縫滿足法-泊腔共 振，可以極大地提高納米狹縫的透射效率。增強納米狹縫透射效率的金屬微結構是制作納 米狹縫增透的理想裝置，具有重要的應用前景。隨著微加工技術的不斷進步，目前已可制作 尺度小于50納米、加工精度小于士5納米的金屬微納結構。對金屬微納結構電磁特性的計 算分析必須采用矢量電磁理論，矢量電磁理論是基于麥克斯韋方程在相應邊界條件下，通 過計算機仿真進行精確地求解。Moharam等人已給出了基于矢量電磁理論的嚴格耦合波算 法在先技術4 :Moharam MGet al.，1995 J. Opt. Soc. Am. A 12 1077，可以解決這類金屬微 納結構的電磁場問題。金屬微納結構是利用納米壓印、反應離子輔助刻蝕、物理濺射技術、 聚焦離子束和電子束曝光等技術，在基底上加工出微納尺度的金屬微結構。Janssen OTA 等人已給出了單金屬的納米狹縫增透結構在先技術5 Janssen OTA et al. , Phys. Rev. Lett. 200799043902，但透射效率較低(η =94)。Cui YX等人在先技術6 :Cui YX et al. ,J. Opt. Soc. Am. B 2009262131還給出了納米腔天線陣列的金屬納米狹縫增透結構，但 沒有將金屬條周期與表面等離子體波長相匹配，狹縫不能達到最大的透射效率，且金屬條 為懸空結構，加工難度大。據我們所知，目前沒有人針對1000納米波段給出金屬條周期與 表面等離子體波長匹配的增強納米狹縫透射效率的金屬/介質多層復合結構。因此能夠實 現易加工的、具有高透射效率的納米狹縫微納結構，具有重要的實用意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型的增強納米狹縫透射效率的微納結構裝置，該裝置可以增強TM偏振光在納米狹縫中的透射效率，在-0.6° < θ <0.6°的入射角及990< λ < 1028納米的入射光波長范圍內，透射衍射率均高于150倍。本發明的增強納米狹縫透射 效率的微納結構具有透射效率高、易加工的特點。本發明的技術解決方案如下—種用于增強納米狹縫透射效率的微納結構，其特征在于該結構的金屬膜厚度為 225-275納米、介質隔層厚度為130-240納米、金屬條周期為665-685納米。所述的增強納米狹縫透射效率的微納結構的金屬膜厚度為250納米、狹縫寬為50 納米、介質隔層厚度為190納米、狹縫正上端金屬條寬為550納米、金屬條周期為675納米、 金屬條槽寬200納米、金屬條厚度為90納米，金屬條周期數N = 12。本發明的依據如下圖1顯示了增強納米狹縫透射效率的金屬復合裝置的幾何結構。該結構分為帶狹 縫的金屬膜層、介質隔層和金屬調制層。本例金屬膜和金屬條為金屬銀，介質隔層為熔融石 英(折射率 =1.45)。TM偏振的線性偏振平面波垂直入射到金屬調制層，通過金屬條周 期與表面等離子體波長的匹配可以使較寬范圍內的入射光最大限度地轉變為表面等離子 體波，并透過金屬狹縫傳輸。在如圖1所示的增強納米狹縫透射效率的微納結構下，本發明采用嚴格耦合波法在先技術4計算了該結構的金屬條周期、介質隔層厚度和金屬膜厚度隨納米狹縫透射效 率變化的關系，分別如圖2、3、4所示。依據理論計算得到高透射效率納米狹縫微納結構的 優化參數，即當金屬膜厚度為225-275納米、介質隔層厚度為130-240納米、金屬條周期為 665-685納米時，狹縫透射效率高于150倍。特別是金屬膜厚度t = 250納米、狹縫寬度Ws =50納米、介質隔層厚度d = 190納米、狹縫正上端金屬條寬L = 550納米、金屬條周期Λ =675納米、金屬條槽寬wg = 200納米、金屬條厚度為h = 90納米，金屬條周期數N = 12 時，可以使狹縫透射效率達到206倍。如圖5所示，入射角θ =0°，狹縫寬度ws = 50納米，優化槽深h = 90納米，金 屬條周期Λ = 675納米，金屬條槽寬Wg = 200納米，介質隔層厚度d = 190納米，金屬膜 厚度t = 250納米，狹縫正上端金屬條寬度L = 550納米時，金屬條周期數N = 12，該增強 納米狹縫透射效率的金屬/介質微納結構在入射波長990納米< λ < 1028納米的范圍內 所有入射光的狹縫透射效率高于150倍，即對應38納米的波長帶寬。如圖6所示，入射波長λ < 1000納米，狹縫寬度Ws = 50納米，優化槽深h = 90 納米，金屬條周期Λ = 675納米，金屬條槽寬Wg = 200納米，介質隔層厚度d = 190納米， 金屬膜厚度t = 250納米，狹縫正上端金屬條寬度L = 550納米時，金屬條周期數N = 12， 該增強納米狹縫透射效率的金屬/介質微納結構在入射角度-0.6° < θ <0.6°的范圍 內所有入射光的狹縫透射效率高于150倍，即對應有士0. 6°的角度變化適應范圍。
圖1為本發明增強納米狹縫透射效率的金屬復合裝置的幾何結構。圖2為本發明增強納米狹縫透射效率的微納結構在狹縫寬度Ws = 50納米，優化槽深h = 90納米，介質隔層厚度d = 190納米，金屬膜厚度t = 250納米，金屬條槽寬Wg = 200納米，金屬條周期數N= 12時，狹縫透射效率隨金屬條周期的變化曲線，入射波長λ = 1000納米，垂直入射。圖3為本發明增強納米狹縫透射效率的微納結構在狹縫寬度Ws = 50納米，優化槽深h = 90納米，金屬條周期Λ = 675納米，金屬條槽寬Wg = 200納米，金屬膜厚度t = 250納米，金屬條周期數N= 12時，狹縫透射效率隨介質隔層厚度的變化曲線，入射波長λ =1000納米，垂直入射。圖4為本發明增強納米狹縫透射效率的微納結構在狹縫寬度Ws = 50納米，優化槽 深h = 90納米，金屬條周期Λ = 675納米，金屬條槽寬Wg = 200納米，介質隔層厚度d = 190納米，金屬條周期數N= 12時，狹縫透射效率隨金屬膜厚度的變化曲線，入射波長λ = 1000納米，垂直入射。圖5為本發明增強納米狹縫透射效率的微納結構在入射角θ =0°，狹縫寬度ws =50納米，優化槽深h = 90納米，金屬條周期Λ = 675納米，金屬條槽寬Wg = 200納米， 介質隔層厚度d = 190納米，金屬膜厚度t = 250納米，狹縫正上端金屬條寬度L = 550納 米，金屬條周期數N = 12時，狹縫透射效率隨入射波長的變化曲線。圖6為本發明增強納米狹縫透射效率的微納結構在入射波長λ = 1000納米，狹 縫寬度Ws = 50納米，優化槽深h = 90納米，金屬條周期Λ = 675納米，金屬條槽寬Wg = 200納米，介質隔層厚度d = 190納米，金屬膜厚度t = 250納米，狹縫正上端金屬條寬度L =550納米，金屬條周期數N = 12時，狹縫透射效率隨入射角的變化曲線。
具體實施例方式通過納米壓印、反應離子輔助刻蝕、物理濺射、聚焦離子束和電子束曝光技術制作 增強納米狹縫透射效率的微納結構。制作過程按以下步驟進行首先，在熔融石英基底上物理濺射一層約250納米厚的銀金屬層，隨后在金屬層 上鍍一層約190納米厚的石英層。然后，在石英層上旋覆一層90納米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，加熱至 2000C (高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化相變點105°C )，將預制的二氧化硅模板(具有周 期為675納米，占寬比為0. 3，深90納米的光柵圖案)以15MPa大小的壓力壓入聚甲基丙 烯酸甲酯。此時聚甲基丙烯酸甲酯高于其玻璃化相變點溫度105°C，類似于黏性液體，并能 在壓力下流動。保持這種壓力大小不變，降溫到60°C，(低于相變點105°C )，保持約10分 鐘。由于聚甲基丙烯酸甲酯的親水性，不會同二氧化硅模板發生黏附，將模板抬起脫膜。第三，采用氧氣反應型離子刻蝕(RIE)聚甲基丙烯酸甲酯層，直至低凹處露出石 英基底，就得到了聚甲基丙烯酸甲酯的周期圖案。第四，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期圖案上利用物理濺射方法沉積上金屬銀，通過 溶脫在丙酮溶液中將聚甲基丙烯酸甲酯及其上的鋁去掉，就留下了周期為675納米，槽深 約90納米，占寬比為0. 7的亞波長金屬偏振分束光柵。最后，采用聚焦離子束和電子束曝光技術加工50納米寬的狹縫。按以上步驟制作的光柵，在1000納米波長工作時，可以使增強納米狹縫透射效率 的微納結構在入射波長990 < λ < 1028納米和入射角-0.6° < θ <0.6°的范圍內，該裝置的透射效率可以達到150倍。 本發明的增強納米狹縫透射效率的微納結構，具有很高的消光比和衍射透射效 率，利用納米壓印、反應離子輔助刻蝕及物理濺射技術制作，可大批量、低成本生產 ，制作的 納米狹縫增透結構性能穩定、可靠。
權利要求
一種用于增強納米狹縫透射效率的微納結構，其特征在于該結構由帶狹縫的金屬膜、介質隔層及周期金屬條結構組成，金屬膜厚度為225-275納米、介質隔層厚度為130-240納米、金屬條周期為665-685納米。
2.根據權利要求1所述的增強納米狹縫透射效率的微納結構，其特征在于該結構的金 屬為銀，金屬膜厚度為250納米、狹縫寬度為50納米、介質隔層厚度為190納米、狹縫正上 端金屬條寬550納米、金屬條周期為675納米、金屬條槽寬為200納米、金屬條厚度為90納 米。
全文摘要
一種用于增強納米狹縫透射效率的微納結構，其特征在于該結構由帶狹縫的金屬膜、介質隔層、周期金屬條結構組成。在入射波長990＜λ＜1028納米和入射角-0.6°＜θ＜0.6°的范圍內，該裝置的透射效率可以達到150倍。特別是金屬膜厚度為250納米、狹縫寬度為50納米、介質隔層厚度為190納米、狹縫正上端金屬條寬550納米、金屬條周期為675納米、金屬條槽寬為200納米、金屬條厚度為90納米時，透射效率可以達到206倍。
文檔編號G02B5/18GK101858998SQ20101017426
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者袁代蓉, 趙華君 申請人:重慶文理學院