超表面制造方法开启纳米光学之门

理论上，用于制造纳米级光学的超表面结构可以在与制造硅芯片相同的半导体工厂中生产。但在实践中，由于超表面的结构复杂性，其生产成本高昂且耗时。

亚利桑那州立大学（ASU）由王超教授领导的研究团队开发了一种可扩展的多层制造方法，用于生产超表面，这些超表面可用于制造超紧凑的光学、电子和量子设备的大面积功能结构。

▲亚利桑那州立大学的王超教授正在开发一种易于获取的制造方法，供研究人员原型设计和制造他们的设计。图片由Marco Alexis-Chaira/ASU提供。

研究团队采用了纳米压印光刻（NIL）技术，这是一种可以在大面积上快速产生结果的纳米制造技术，以实现功能化。

为了无缝对齐多层结构，研究团队使用了莫尔图案。研究人员使用莫尔对准标记和电子束写入，在超过20平方毫米的图案区域上创建了两个独立的NIL模具。两个超表面层都刻有莫尔标记，第二个NIL模具被制成光学透明的，以便研究人员在NIL过程中调整对准。有意设计的莫尔标记的干涉图案使研究人员能够在无需视觉辅助的情况下检测到纳米级对准误差。

为了简化纳米制造中涉及的多个步骤，从而降低对现有底层超表面结构造成结构损坏的风险，研究人员构想了一个3D支架。3D支架允许新的超表面垂直构建，从而大幅减少了制造复杂设备原型的时间和成本。据王教授介绍，3D支架可以使研究人员在几分钟内完成通常需要24小时的过程。

研究团队在显微镜上测试了超表面制造方法。新方法有助于将显微镜的分析器从微波大小缩小到微型芯片大小。

研究人员分别使用纳米光刻和NIL的3D图案转移能力制造了硅和铝超表面。这些超表面展示了纳米级线宽均匀性、小于200纳米的平移覆盖精度以及小于0.017度的旋转对准误差。制造复杂性和表面粗糙度显著降低。

多层超表面在蓝色和红色波长下展示了高达约20和80的圆偏振消光比。该超表面、芯片集成的CMOS成像器在可见光波长范围内和单次偏振成像中的宽带全斯托克斯参数分析中表现出高度准确性。

王教授之所以致力于开发这种易于获取的制造方法，是因为研究人员缺乏测试其理论和开发原型的资源。

“大学的研究人员需要一种已建立且易于获取的制造方法，以便在纳米尺度上精确制造超表面产品，同时在大规模或更大规模上生产它们，”他说。“对于许多电子或光子器件来说，它们需要多层材料来执行其功能。世界上只有少数几家代工厂拥有制造这些产品的工具，而大多数大学研究人员则没有。”

王教授的合作者姚宇教授认为，纳米光子结构和超表面的可扩展纳米制造对于从实验室到商业应用的技术转移至关重要。

“到目前为止，该领域的大多数研究人员都在使用成本高于应用价值的制造方法，”姚教授说。“NIL制造方法提供了一种快速且经济的制造解决方案，并且可以轻松扩展到各种设备和系统的大规模生产，从而大大缩短了从实验室演示到商业产品的时间。”

除了原型设计、生产和开发新的光学应用外，ASU团队的可访问制造方法还可用于打印、成像和信息处理。王教授希望该方法将有助于满足能源、国防和医疗设备行业对微电子产品的需求。

“我们计划探索这些工艺如何用于推动半导体电子设备的发展，”王教授说。“这项研究提供了一个初步的可行性演示，我们预计未来会有更多有趣的事情发生。”

该研究发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。(论文链接：www.doi.org/10.1002/adfm.202404852).