中國粉體網(wǎng)訊 據(jù)報(bào)道，近日，一支由日本東京農(nóng)工大學(xué)（Tokyo University of Agriculture and Technology）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在IEEE Sensors Journal期刊上發(fā)表了基于單晶硅八角形納米柱的可見光波長(zhǎng)微光學(xué)線發(fā)生器超構(gòu)透鏡（metalens）的最新論文，該論文的研究結(jié)果表明，硅基超構(gòu)表面在可見光波段的光學(xué)傳感器中具有廣闊的應(yīng)用前景。
基于等離子體和介電機(jī)制，超構(gòu)表面（metasurface）已被成功應(yīng)用于太赫茲（THz）和千兆赫茲（GHz）波段的先進(jìn)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器。由于最近微加工技術(shù)的進(jìn)步，超構(gòu)表面還被用于光學(xué)波長(zhǎng)的各種應(yīng)用，包括超構(gòu)表面透鏡（超構(gòu)透鏡）、全息術(shù)、波片、光柵和功能光學(xué)器件等。
材料選擇是超構(gòu)表面設(shè)計(jì)和制造中需要考慮的一個(gè)重要方面。對(duì)于射頻應(yīng)用，金屬材料是首選，因?yàn)樗鼈兡軌蚶玫入x子體共振且具有高效率。然而，近年來，介質(zhì)材料由于其無損特性在光學(xué)頻率方面受到了越來越多的關(guān)注，而歐姆損耗已成為金屬材料的一個(gè)問題。這個(gè)問題在傳輸模式中至關(guān)重要。
硅因其高折射率和低消光系數(shù)而常被用于紅外波段。在可見光和紫外線區(qū)域，人們通常使用在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)透明的寬帶隙材料。然而，由于帶隙和折射率之間通常存在負(fù)相關(guān)，因此優(yōu)先考慮透明度會(huì)降低折射率，從而給制造工藝帶來挑戰(zhàn)。換句話說，為了獲得完整的2π相位覆蓋，超構(gòu)表面變得更厚，并且需要高縱橫比的制造工藝。這使得MEMS傳感器和超構(gòu)表面的集成變得困難。
需要注意，由于單晶硅（c-Si）是一種間接躍遷半導(dǎo)體，因此即使在波長(zhǎng)小于帶隙的情況下（直至約500 nm），它的消光系數(shù)也不會(huì)顯著增加。最近的研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸，由c-Si制成的超構(gòu)表面在可見光范圍內(nèi)具有足夠的透射率。因此，由于與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的兼容性，使用c-Si被認(rèn)為是通過集成MEMS和超構(gòu)表面來開發(fā)功能傳感器的一種實(shí)用方案。然而，c-Si超構(gòu)表面需要精確的尺寸控制，以防止由于不需要的模式而導(dǎo)致透射率的降低。典型的點(diǎn)束型電子束光刻（EBL）系統(tǒng)能夠提供足夠的尺寸精度來完成這項(xiàng)任務(wù)，盡管其工作效率很低。
圖1 本研究提出并制造的超構(gòu)透鏡的SEM圖像
本論文的研究表明，精確設(shè)計(jì)的由c-Si制成的納米柱可以應(yīng)用于超構(gòu)表面，并能取得令人滿意的結(jié)果，即使在可見光波段。作者們?cè)O(shè)計(jì)了四種線聚焦超構(gòu)表面透鏡，以驗(yàn)證可見光波段的硅納米柱超構(gòu)透鏡性能的有效性。此外，結(jié)合電子束光刻中的字符投影（CP）和可變形狀束（VSB）模式，研究人員評(píng)估了批量生產(chǎn)和精度控制之間的兼容性。他們成功地獲得了由單晶硅納米柱構(gòu)成的高效率線聚焦超構(gòu)表面透鏡。在532nm波長(zhǎng)下，提出的超構(gòu)表面透鏡的參數(shù)如下：透鏡厚度為300nm；焦距為3.91mm；方形光闌為2mm；數(shù)值孔徑為0.25；實(shí)測(cè)透射率為38.4%~46.8%；焦點(diǎn)處測(cè)得的半峰全寬（FWHM）為3.68μm。
圖2 室內(nèi)燈光下所制造超構(gòu)透鏡的線聚焦演示
圖3 遠(yuǎn)場(chǎng)激光線生成演示
圖4 超構(gòu)透鏡的焦點(diǎn)觀測(cè)的設(shè)置示意圖
圖5 四種超構(gòu)透鏡焦點(diǎn)位置的光強(qiáng)度和FWHM比較
該論文中提出的超構(gòu)透鏡既可應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng)，也可應(yīng)用于近場(chǎng)。對(duì)于線掃描光學(xué)應(yīng)用，其應(yīng)用范圍可從幾厘米到幾米。它還可應(yīng)用于將光引導(dǎo)到狹小區(qū)域，例如單色儀的狹縫�；诠璨牧系目梢姽鈪^(qū)域光學(xué)元件的小型化和多功能技術(shù)為智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備中的微型攝像頭提供了許多機(jī)會(huì)。例如，本論文研究中提出的高精度超構(gòu)表面制造方法可應(yīng)用于微型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備的開發(fā)。
論文信息：
S. Ikezawa, R. Yamada, K. Takaki, C. Ogawa and K. Iwami, "Micro-optical Line Generator Metalens for a Visible Wavelength based on Octagonal Nanopillars Made of Single-Crystalline Silicon," in IEEE Sensors Journal, 2022.
DOI: 10.1109/JSEN.2022.3186060
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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