Nature:材料表面傅里叶结构化
纳米人 2020-07-08
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第一作者:Nolan Lassaline
通讯作者:David J. Norris
通讯单位:瑞士联邦理工学院
 
研究亮点:
1表面1维~3维傅里叶图案化。
2表面傅里叶图案化在光学上的应用。
 
研究背景
光栅(grating)和全息图(hologram)通过图案化的表面进行衍射从而调整光信号,虽然这种作用方式经历了长时期的发展,仍然不断有令人瞩目的发展出现。将来的发展可能通过构建傅立叶光学界面,一种通过进行表面图形化设计并通过傅里叶变换,产生符合一定要求的衍射效果。通常对光学波前(optical wavefront)需要对正弦波进行精确积分,并且需要多种不同振幅、空间频率、相位的正弦波。但是由于制备技术的限制,通常这种复杂结构的表面是无法获得的,因此限制了其发展。
 
拟解决或者拟探索的关键问题
对表面进行傅里叶图案化,用于和光学相关的领域。
 
成果简介
瑞士联邦理工学院(ETH)David J. Norris通过将热扫描探针刻蚀技术、模板化技术进行结合,成功构建了同时具有周期性和非周期性的图案化表面,并实现了对深度的连续控制和亚波长的空间分辨率。这种刻蚀方法能够在表面上构建二维、三维结构,多分量线性光栅实现了红色、绿光、蓝光以相同的入射角通过同一个薄光栅进行操作。
 
要点1:表面处理方法
为了实现更好的对光进行控制,作者通过对预想结构的衍射图案通过傅里叶转换进行设计,具体的方法转换为二维结构的灰度位图,并通过热扫描光刻技术进行处理,并且对光刻的深度进行亚纳米级控制,该过程能实现6 s μm-2速度的光刻速度。通过在聚合物表面构建图案,随后沉积Ag将聚合物种的图案复制到Ag上并除去聚合物层保留Ag层。这种处理方法同样能作为模板、蚀刻掩模用于其他材料表面复制图案。作者通过这种处理方法考察了一维~三维表面构建情况。
 
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1. 一维表面设计图案化的实际效果。

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 2. 二维表面设计图案化的实际效果。

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 3. 周期性/准周期性表面图案化。
 
要点2:傅里叶图案化表面的应用
傅里叶表面应用。目前在光子学领域中存在一定缺点,对小型化的光学系统需求要求将多种波导集成到单薄层上,并通过衍射光对光进行耦合/退耦操作,并且对光的入射角度有特殊要求,导致这种器件结构复杂,体积较大。当使用傅里叶表面结构,能在单个界面构建三个空间分辨的频率信息,同时对光的入射角度不再有特殊要求,能够较大程度上降低器件的复杂性。

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4. 图案化表面光学应用。
 
小结
该方法能够实现重复二维莫尔纹、准晶、全息成像等多种不同结构衍射面,并且能够用于生物传感器、激光器、超表面、调制器等光学器件,拓扑结构、变换光学、谷电子学等光子学领域。
 
参考文献:
Nolan Lassaline, et al. Optical Fourier surfaces, Nature 2020
DOI:10.1038/s41586-020-2390-x
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2390-x
 
作者简介:
David J. Norris,瑞士苏黎世联邦理工学院教授,研究领域主要在于研究材料的光学性质,设计半导体、金属材料用于光学相关领域的应用,比如半导体量子点、plasmonic薄膜等。Norris教授之前是Chemistry of MaterialsAdvanced Functional Materials期刊的编委会成员,目前是ACS Photonics Nano Letters编辑顾问委员会成员。
主页:https://omel.ethz.ch/people/person-detail.html?persid=171900

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