開發(fā)一種從近紫外到深紫外具有高折射率和低消光系數(shù)的可打印材料

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)（Pohang University of Science and Technology，POSTECH）、高麗大學(xué)（Korea University）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“One-step printable platform for high-efficiency metasurfaces down to the deep-ultraviolet region”的論文，提出了一種新的制造高效紫外（UV）超構(gòu)表面（metasurface）的一步法可打印平臺(tái)，以克服低損耗紫外材料的稀缺性和高成本、低產(chǎn)量的制造限制。研究團(tuán)隊(duì)將ZrO2 nano-PER開發(fā)為一種從近紫外到深紫外具有高折射率和低消光系數(shù)的可打印材料，使紫外超構(gòu)表面可通過納米壓印光刻法在一個(gè)步驟中完成制造。

紫外光學(xué)在高分辨率成像、光譜學(xué)、量子光學(xué)、光刻和生物傳感等眾多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。到目前為止，紫外光的調(diào)制主要依賴于傳統(tǒng)的體積龐大的光學(xué)元件，這給緊湊型系統(tǒng)的集成帶來(lái)了困難。此外，傳統(tǒng)的紫外光學(xué)器件在功能性、多樣性和可制造性方面存在局限性。

為取代傳統(tǒng)的大體積光學(xué)器件，由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成的超構(gòu)表面已被廣泛研究，它們具有在納米尺度上調(diào)制光的特殊能力，并已被應(yīng)用于超構(gòu)透鏡（metalens）、生物傳感器、超構(gòu)全息圖（metahologram）和彩色打印等眾多領(lǐng)域。然而，紫外超構(gòu)表面長(zhǎng)期以來(lái)一直面臨著挑戰(zhàn)，諸如缺乏紫外透明材料和低成本、高產(chǎn)量的高分辨率圖案化技術(shù)等。

用于超構(gòu)表面的傳統(tǒng)高折射率材料通常具有窄帶隙，導(dǎo)致對(duì)紫外光的強(qiáng)吸收。迄今為止，只有如氮化硅（SiNx）、氧化鉿（HfO2）、氧化鋅（ZnO）和五氧化二鈮（Nb2O5）等少數(shù)材料被用于制造紫外超構(gòu)表面；然而，這些紫外超構(gòu)表面的制造涉及厚層原子層沉積或高縱橫比蝕刻等復(fù)雜的工藝。此外，在上述所有紫外超構(gòu)表面中，電子束光刻（EBL）已被用于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的高分辨率圖案化。這些工藝導(dǎo)致器件成本高、產(chǎn)量低，限制了它們的大規(guī)模制造，從而給紫外超構(gòu)表面的商業(yè)化帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

基于此，本文提出了一種用于制造高效紫外超構(gòu)表面（圖1a）的一步法可打印平臺(tái)，以克服低損耗紫外材料的稀缺性和高成本、低產(chǎn)量的制造限制。通過將二氧化鋯（ZrO2）納米顆粒分散在紫外固化樹脂中，研究團(tuán)隊(duì)將ZrO2納米顆粒嵌入樹脂（nano-PER）開發(fā)為一種從近紫外（near-UV）到深紫外（deep-UV）具有高折射率和低消光系數(shù)的可打印材料。在ZrO2 nano-PER中，紫外固化樹脂能夠?qū)崿F(xiàn)直接圖案轉(zhuǎn)移，ZrO2納米顆粒提高了復(fù)合材料的折射率并保持了較大的帶隙。利用這一概念，紫外超構(gòu)表面可以通過納米壓印光刻法在一個(gè)步驟中完成制造。作為概念驗(yàn)證，文中通過實(shí)驗(yàn)演示了在近紫外（325 nm）和深紫外（248 nm）工作的超構(gòu)全息圖。

實(shí)現(xiàn)一步法可打印紫外超構(gòu)表面的關(guān)鍵是開發(fā)一種在紫外區(qū)域具有高折射率（n）和低消光系數(shù)（k）的可打印材料。文中開發(fā)的ZrO2 nano-PER可用作具有高折射率的紫外透明可打印材料（圖1b）。ZrO2 nano-PER具有6 eV的大帶隙，導(dǎo)致其在紫外區(qū)域中的弱吸收（圖1c）。

圖1 由ZrO2 nano-PER構(gòu)成的紫外超構(gòu)表面的示意圖及ZrO2 nano-PER的光學(xué)表征

研究團(tuán)隊(duì)采用嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）模擬了由ZrO2 nano-PER構(gòu)成的超構(gòu)原子（meta-atom）的透射特性。為了實(shí)現(xiàn)具有寬帶特性的全相位調(diào)制，他們使用了Pancharatnam-Berry相位（PB相位，也被稱為幾何相位）的概念，以物理實(shí)現(xiàn)所需的相位分布。PB相位使用了一種具有雙折射的各向異性的超構(gòu)原子（圖2a）。

由于PB相位的寬帶特性，為325 nm和248 nm紫外區(qū)域設(shè)計(jì)的超構(gòu)原子在目標(biāo)波長(zhǎng)附近分別具有較高的效率和較低的零級(jí)效率（圖2e, f）。由于ZrO2 nano-PER的消光系數(shù)較低，所設(shè)計(jì)的超構(gòu)原子在紫外區(qū)具有較高的透過率和較弱的吸收。

圖2 在近紫外和深紫外工作的高效超構(gòu)原子的設(shè)計(jì)與模擬

圖3a展示了基于ZrO2 nano-PER的紫外超構(gòu)表面的一步法可打印平臺(tái)的示意圖。

圖3 利用ZrO2 nano-PER的一步法可打印工藝制造紫外超構(gòu)全息器件

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一幅簡(jiǎn)單的Fraunhofer全息圖作為所設(shè)計(jì)的紫外超構(gòu)表面的典型波前形狀函數(shù)，并采用Gerchberg-Saxton（GS）算法提取高質(zhì)量純相位全息圖的相位圖。紫外超構(gòu)全息圖的光學(xué)設(shè)置如圖4a所示。展示的全息圖像與模擬圖像非常匹配，并在近紫外（圖4b, c）和深紫外（圖4d, e）中顯示出生動(dòng)清晰的圖像。

此外，研究人員通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了這兩幅超構(gòu)全息圖的轉(zhuǎn)換效率。為近紫外區(qū)域設(shè)計(jì)的超構(gòu)全息圖在λ = 325 nm時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)換效率為72.3%，而為深紫外區(qū)域設(shè)計(jì)的超構(gòu)全息圖在λ = 248 nm時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)換效率為48.6%。與之前報(bào)道的紫外超構(gòu)表面相比，本文研究的基于ZrO2 nano-PER的超構(gòu)表面具有更高的效率。

圖4 紫外超構(gòu)全息圖的演示

綜上所述，本文提出并驗(yàn)證了一種一步法可打印平臺(tái)，在該平臺(tái)上可以以低成本和高產(chǎn)量重復(fù)復(fù)制從近紫外到深紫外的高效超構(gòu)表面。其中，單個(gè)ZrO2 nano-PER超構(gòu)表面可在15分鐘內(nèi)完成制造，成本約為1.39美元。通過將ZrO2納米粒子分散在紫外固化樹脂中，研究團(tuán)隊(duì)將ZrO2 nano-PER合成為具有高紫外線透明度和高折射率的可打印材料。由于采用了紫外固化基體，由ZrO2 nano-PER構(gòu)成的紫外超構(gòu)表面可通過納米壓印光刻法一步完成制造，無(wú)需蝕刻和沉積等二次操作。

ZrO2 nano-PER的折射率足夠高，能夠很好地限制光線；其消光系數(shù)足夠低，能夠最大限度地減少吸收，從而實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計(jì)的超構(gòu)原子的模擬轉(zhuǎn)換效率分別在λ = 325 nm和λ = 248 nm時(shí)達(dá)到88%和81%。作為概念驗(yàn)證，研究人員通過實(shí)驗(yàn)演示了在近紫外和深紫外工作的清晰生動(dòng)的超構(gòu)全息圖，該全息圖對(duì)于λ = 325 nm和λ = 248 nm時(shí)的轉(zhuǎn)換效率分別為72.3%和48.6%。本文所提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)紫外超構(gòu)表面的重復(fù)和快速制造，有望使其更接近現(xiàn)實(shí)生活。

審核編輯：劉清