Формирование и исследование трёхмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов инфракрасного диапазона

Автор: Дьяченко Павел Николаевич, Карпеев Сергей Владимирович, Павельев Владимир Сергеевич

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 4 т.34, 2010 года.

Бесплатный доступ

Разработан способ формирования трёхмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе изготовления полимерных структур методом интерференционной литографии c последующим нанесением нанослоя золота методом магнетронного напыления. Запись полимерной матрицы осуществлялась излучением гелий-кадмиевого лазера на длине волны 442 нм в фоторезисте SU-8. Исследованы спектры отражения полученных фотонных кристаллов в инфракрасном диапазоне. На основе данных спектрометрии сделан вывод о появлении фотонной запрещённой зоны с центром на длине волны 2,6-2,8 мкм.

Фотонные кристаллы, интерференционная литография

Короткий адрес: https://sciup.org/14058968

IDR: 14058968

Текст научной статьи Формирование и исследование трёхмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов инфракрасного диапазона

Фотонными крист аллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света [1]. Фотонные кристаллы могут быть использованы для создания устройств при кладной оптики, таких как оптические фильтры, демультиплексоры, волноводы, лазеры и т. д. [1, 2].

Синтез трёхмерных фотонных кристаллов представляет собой сложную технологическую задачу, что связано с малым размером деталей, их большим количеством и трёхмерным характером расположения, а также с ограниченностью выбора материала. На сегодняшний день известно несколько способов решения данной задачи, каждый из которых обладает существенными недостатками для успешной реализации концепции фотонных кристаллов на практике. Один из способов – многократное повторение хорошо отработанных методов традиционной (двумерной) литографии [3]. С помощью электронной литографии, например, сначала формируются двумерные периодические структуры путём селективного травления с использованием шаблонов, затем новые слои последовательно наносятся поверх существующих. Недостатком таких структур является высокая трудоёмкость и сложность изготовления большого числа слоёв (периодов).

Трёхмерно-периодическая структура может быть получена сверлением материала в трёх направлениях. В частности, так может быть получена структура, известная как «яблоновит» (“yablonovite”), предложенная Е. Яблоновичем и имеющая симметрию, аналогичную симметрии решётки алмаза и структуре «поленицы» [4]. Для оптического диапазона длин волн структура яблоновита была реализована при помощи сверления материала сфокусированным ионным пучком [5].

Другим методом является использование двухфотонной стереолитографии. При помощи этого метода в объёме фоторезиста последовательной, «поточечной», записью сфокусированным излучением фемтосекундного лазера могут формироваться произвольные трёхмерные структуры с разрешением около 100 нм [6, 7]. Поглощение света фоторезистом на определённой длине волны приводит к реакции полимеризации. Двухфотонный характер поглощения излучения позволяет добиться того, что этот процесс локализован трёхмерно только областью перетяжки пучка, а не распределён вдоль оси пучка, что обеспечивает возможность формирования трёхмерных структур.

Одним из перспективных методов в настоящее время является метод интерференционной литографии, состоящий в экспонировании фоторезиста трёхмерной интерференционной карт иной [8]. В результате, при такой записи решётки можно обеспечить почти идеальную периодичность структуры . Данный метод отличает также высокая скорость изготовления – весь объём решетки экспонируется одновременно, низкая стоимость (для реализации не треб уется систем точного позиционирования) и возможность получения достаточно больших образцов. К недостаткам метода след ует отнести невысокое разрешение, которое ограничено длиной волны излучения, используемого для экспонирования фотоматериала, а также отсутствием гибкости при выборе формы узла решётки.

Полимерные матрицы фотонных кристаллов не могут иметь полные запрещённые зоны в силу недостаточного значения показателя преломления полимера. Для того, чтобы обойти данную проблему, в ряде работ предложено наносить нанослой металла на полимерную матрицу [9-12]. В работе [11] был нанесён слой меди на полимерную матрицу фотонного кристалла, полученную методом двухфотонной полимеризации. В работе [10] методом электроосаждения на полимерную матрицу, полученную методом двухфотонной полимеризации, был нанесён слой никеля толщиной 300 нм. Авторами работы [10] были измерены коэффициенты отражения таких фотонных кристаллов; было экспериментально обнаружено, что на длине волны, равной примерно периоду решётки, у фотонного кристалла возникает запрещённая зона.

Таким образом, неисследованными являются задачи разработки методов синтеза и исследования трёхмерных м еталлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе комбинации методов интерференционной литографии и магнетронного напыления отражающего металлического слоя.

Результаты

Для формирования трёхмерной решётки из фоторезиста методом интерференционной литографии использовалось трёхкратное экспонирование плёнки фоторезиста картиной интерференции двух волн аналогично тому, как это было сделано в работе [13].

На рис. 1 представлены электронные фотографии полученного фотонного кристалла. Период решётки составил 2,5 мкм. Представленные на рис. 1 решётки не позволяют существовать фотонной запрещённой зоне, поэтому в дальнейшем производилось нанесение нанослоя золота на сформированную полимерную решётку. Полученные полимерны е матрицы фотонных кристаллов не могут иметь полные запрещённые зоны в силу недостаточного значения показателя преломления полимера. Для того чтобы обойти проблему недостаточного значения показателя преломления полимера, необходимо нанести на поверхность полимера другой материал, обладающий высоким показателем преломления. В качестве такого материала было выбрано золото по причине того, что оно имеет небольшое поглощение в видимой и инфракрасной областях сп ектра.

Методом магнетронного распыления (SPI-Mo-dule Sputter Coater (США)) на фотонные кристаллы был нанесён слой золота толщиной 50 нм. Толщина слоя определялась при помощи кварцевого датчика толщины (SPI Quartz Crystal Thickness Monitor Model 12161). Электронные фотографии полученных образцов представлены на рис. 2.

Рис. 1. Электронные фотографии поверхности полимерной трёхмерной решётки (а) и её среза (б)

б)

а)

б)

Рис. 2. Электронные фотографии фотонного кристалла c напылённым на него слоем золота толщиной 50 нм

Изображение, полученное при наклоне подложки на 60 о , представлено на рис. 3.

Для исследования оптических свойств фотонных кристаллов использовался инфракрасный микроскоп Hyperion 1000 (Bruker Optics (Германия)) с фурье- спектрометром Tensor 27 (Bruker Optics (Герм ания)), при помощи которого измерялись коэффициенты отражения структур. Коэффициенты отражения фотонных кристаллов получались путём нормирования полученных сп ектров структур к спектрам золотого зеркала. Полученные спектры отражения представлены на рис. 4. Кривой 1 обозначен спектр отражения фотонного кристалла, полученный при помощи объектива скользящего падения 15×. Данный объек- тив позволяет получать интегральные спектры отражения для пучка, сходящегося под углами от 52° до 84° к нормали.

Рис. 3. Электр онная фотография фотонного кристалла c напылённым на него слоем золота 50 нм.

Изображение получено под углом 60o

Козффициент отраження

Рис. 4. Спектры отражения фотонного кристалла с периодом 2,6 мкм. Кривая 1 – спектр от объектива скользящего падения 15×, кривая 2 – спектр от ИК-объектива Schwarzschild 15×, кривая 3 – спектр отражения плёнки золота на фотополимере SU-8, кривая 4 – спектр отражения фотонного кристалла без нанесённого слоя золота

Кривой 2 обозначен спектр отражения фотонного кристалла, полученный при помощи ИК-объектива Schwarzschild 15×. Данный объектив позволяет получать интегральные спектры отражения для пучка, сходящегося под углами от 15° до 30° к нормали. Кривой 3 отмечен спектр отражения плёнки золота на фотополимере SU-8, полученный от объектива Schwarzschild 15×. Кривой 4 отмечен спектр отражения фотонного кристалла без нанесённого слоя золота, полученный от объектива Schwarzschild 15×. Как можно заметить из кривых 1 и 2 на рис. 4 , в спектре отражения фотонного кристалла присутствует пик на длине волны 2,6-2,8 мкм, что соответствует периоду решётки фотонного кристалла. Данный пик в спектре отражения указывает на появление фотонной запрещённой зоны с центром на длине волны 2,6-2,8 мкм. Кроме того, можно заметить разницу в величине пика на кривых 1 и 2, что объясняется различием в углах падения пучка и неоднородностью напыления слоя золота по глубине. Относительно небольшая интенсивность пика может объясняться неоднородностью слоя золота или недостаточным числом периодов фотонного кристалла. Данные результаты спектрометрии хорошо согласуются с результатами работы [10], в которой методом конечных разностей было показано появление фотонной запрещённой зоны у трёхмерного фотонного кристалла с периодом решётки 3 мкм, покрытого слоем никеля. Положение запрещенной зоны примерно соответствовало периоду фотонного кристалла [10].

Заключение

Разработан и исследован способ формирования металлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе применения метода интерференционной литографии c последующим нан есением нанослоя золота. Исследованы спектры отражения полученных фотонных кристаллов в инфракрасном диапазоне. На основе данных спектрометрии сделан вывод о появлении фотонной запрещённой зоны с центром на длине волны 2,6-2,8 мкм.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракты № 14.740.11.0016 и № 14.740.11.0041), российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (грант CRDF PG08-014-1), грантов Президента РФ поддержки вед ущих научных школ (НШ-7414.2010.9), фонда некоммерческих программ «Династия» и РФФИ 10-07-00438.

Статья научная