Design eines optischen Infrarotabsorbers unter Verwendung einer Silber-Nanoring-Anordnung, die von einer Oberseite hergestellt wird

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7770 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird die numerische Simulation und Herstellung einer Metaoberfläche aus Silbernanoringen mit einer Spaltringlücke vorgestellt. Diese Nanostrukturen können optisch induzierte magnetische Reaktionen mit einzigartigen Möglichkeiten zur Steuerung der Absorption bei optischen Frequenzen zeigen. Der Absorptionskoeffizient des Silbernanorings wurde durch die Durchführung einer parametrischen Studie mit FDTD-Simulationen (Finite Difference Time Domain) optimiert. Die Absorptions- und Streuquerschnitte der Nanostrukturen werden numerisch berechnet, um den Einfluss der Innen- und Außenradien, der Dicke und der Spaltringlücke eines Nanorings sowie des Periodizitätsfaktors für eine Gruppe von vier Nanoringen zu bewerten. Dies zeigte die vollständige Kontrolle der Resonanzspitzen und der Absorptionsverstärkung im nahen Infrarot-Spektralbereich. Die experimentelle Herstellung dieser Metaoberfläche aus einer Reihe von Silbernanoringen wird durch Elektronenstrahllithographie und Metallisierung erreicht. Anschließend werden optische Charakterisierungen durchgeführt und mit den numerischen Simulationen verglichen. Im Gegensatz zu üblichen Mikrowellen-Split-Ring-Resonator-Metaoberflächen, über die in der Literatur berichtet wird, zeigt die vorliegende Studie sowohl die Realisierung durch einen Top-Down-Prozess als auch die Modellierung im Infrarot-Frequenzbereich.

Das Design absorbierender Metaoberflächen im sichtbaren und infraroten Bereich ist in verschiedenen Bereichen wie Solarthermie und Photovoltaik, Optoelektronik (Fotodetektoren, Sensoren usw.) oder sogar für Funktionsmaterialien, die selektive Absorber erfordern, von entscheidender Bedeutung1,2,3,4,5,6 ,7. Die Möglichkeit, Nanostrukturen unterhalb der Wellenlänge zur Abstimmung der Licht-Materie-Wechselwirkung einzusetzen, hat im letzten Jahrzehnt großes Interesse geweckt, dank der Fülle einzigartiger optischer Eigenschaften, die mit Metamaterialien oder Metaoberflächen erreicht werden können, die per Definition in der Natur nicht vorkommen8,9 ,10,11,12,13,14. Unter diesen Möglichkeiten sind metallische Spaltringresonatoren bekannte Metamaterialien, die einzigartige Möglichkeiten zur Steuerung der Reaktion auf die elektrischen und magnetischen Komponenten von Licht im sichtbaren15,16,17 und Infrarotbereich [nahes Infrarot (NIR) und kurzwelliges Infrarot ( SWIR)]18,19,20. Zusätzlich zu Resonanzen mit elektrischem Charakter unterstützen metallische Spaltringresonatoren aufgrund ihrer Kreisform optisch induzierte Magnetresonanzen21,22,23,24,25,26. Elektrische und magnetische Felder können verstärkt werden und folglich eine Verbesserung der Absorptionseigenschaften bei der Resonanzwellenlänge bewirken19,27,28. Darüber hinaus bieten Split-Ring-Resonatoren einzigartige Möglichkeiten zur präzisen Steuerung der Lichtreaktion in Abhängigkeit ihrer geometrischen Parameter. Das Nanoring-Design bietet eine hervorragende Plattform zur einfachen Abstimmung der plasmonischen Resonanzeigenschaften dank eines präzisen Satzes von Parametern: dem Innen- und Außenradius, dem Spaltringspalt und der Strukturdicke29,30. Für die Realisierung solcher Split-Ring-Resonatoren wurden mehrere technologische Ansätze untersucht17,31,32,33. Beispielsweise haben wir kürzlich einen innovativen Bottom-up-Ansatz34 für die Herstellung nanophotonischer Oberflächen aus kolloidalen Nanowürfel-Bausteinen vorgeschlagen, der das Potenzial zeigt, die kostengünstige Herstellung von Metaoberflächen grundlegend zu verändern35,36. Diese frühere Studie ermöglichte es uns, Einschränkungen für das Metaoberflächendesign zu definieren, die in früheren Berichten nicht berücksichtigt wurden37,38. Diese technologischen Einschränkungen wurden in dieser Studie berücksichtigt, die dieses Mal einen Top-Down-Prozess verwendet. Hier erfolgt die Herstellung des Silber-Nanoring-Arrays durch Elektronenstrahllithographie und Metallisierung. Ziel ist es, das Metaoberflächendesign mithilfe von FDTD-Simulationen zu optimieren und das Modell mithilfe einer bekannten zuverlässigen Herstellungsmethode zu validieren. Folglich erfolgen sowohl die FDTD-Simulation als auch die Top-Down-Fertigung unter Berücksichtigung von Designbeschränkungen. Wir schlagen eine Reihe realistischer Parameter von Nanoring-Arrays vor, um eine Absorptionsverbesserung im Nahinfrarotbereich (λ = 1000–2000 nm) zu erreichen, die für eine große Anzahl optoelektronischer Anwendungen attraktiv sein kann 39, 40, 41. Aufgrund seiner hervorragenden optischen und elektronischen Eigenschaften wurde Silber als Ausgangsmaterial gewählt42.

Zunächst stellen wir verschiedene optimale Designs vor, die das Absorptionsvermögen der Split-Ring-Arrays bei verschiedenen Infrarotfrequenzen maximieren, und vergleichen die Reaktion einzelner Resonatoren mit der von Arrays. Als nächstes fertigen wir die Metaoberflächen im Standard-Top-Down-Verfahren auf einem transparenten Substrat. Abschließend charakterisieren wir die optischen Eigenschaften der Metaoberflächen und vergleichen sie mit numerischen Simulationen, um die Designs zu validieren. Diese Studie zeigt die Simulation und die Top-Down-Herstellung einer optimierten Metaoberfläche aus Silbernanoringen, die unter Berücksichtigung der technologischen Einschränkungen eine deutliche Verbesserung ihrer Absorptionseigenschaften bei einer spezifischen Wellenlänge von 1500 nm aufweist.

Der Einfluss der geometrischen Eigenschaften auf die optische Reaktion wird durch die Durchführung einer parametrischen Studie mittels FDTD-Simulationen (Finite Difference Time Domain) untersucht (weitere Einzelheiten finden Sie in den Abbildungen S1, S2 und im Abschnitt „Methoden“)43,44,45,46,47 ,48. Der Absorptions- und Streuquerschnitt für einen einzelnen Spaltring wird als Funktion des Innenradius (h1) und des Außenradius (h2), der Dicke (z) und des Spaltringspalts (g) berechnet, wie in Abb. 1 beschrieben Dabei wird jeweils ein Parameter variiert. Die Fertigungsbeschränkungen werden durch die Festlegung eines quadratischen Querschnitts (z = h2 − h1) umgesetzt. Die Extinktionseffizienz wird aus den Streu- und Absorptionsquerschnitten berechnet. Die Maximierung des Absorptionsquerschnitts bei 1500 nm wird als Gütefaktor für die Auswahl der optimalen Geometrie des Spaltrings verwendet. Dieser wird dann als fester Parameter verwendet, um den Absorptionsquerschnitt von 4 gekoppelten Split-Ringen als Funktion des Abstands zu optimieren.

(a) Schematische Darstellung der Silber-Nanoring-Struktur. Der Innenradius des Rings ist mit h1, der Außenradius mit h2, die Dicke mit z und der Ringspalt mit g bezeichnet. (b) Querschnittsansicht des Nanorings.

Abbildung 2 veranschaulicht den Einfluss geometrischer Parameter auf den Querschnitt. Es werden mehrere Peaks beobachtet, die plasmonischen Resonanzmoden höherer Ordnung entsprechen, wie in der Literatur berichtet19. Eine Vergrößerung des Innenradius h1 führt zu einer Rotverschiebung der Extinktionseffizienz Qext und einer Erhöhung der Streu- und Absorptionseffizienz. Umgekehrt führt die Zunahme der Dicke z und des Spaltringspalts g zu einem kleineren Qext und einer Blauverschiebung34. Abbildung 2 konzentriert sich auf die wellenlängenabhängige Absorptionseffizienz Qabs der Struktur. Qabs ist der normalisierte Absorptionsquerschnitt (dh σabs/A), wobei A die projizierte Querschnittsfläche des Nanorings in der x-y-Ebene ist. Eine Vorstudie ermöglichte es, die festen Parameter zu definieren, um Wellenlängenresonanzen zwischen 1000 und 2000 nm zu erreichen. Dennoch wurde nur die Variation von z untersucht, mit einem Innenradius h1 von 250 nm, einem Außenradius h2 von 305 nm und einem Spalt g von 20°. In Abb. 2a ist zu erkennen, dass die Absorptionseffizienz umso höher ist, je geringer die Dicke des Rings z variiert, hier von 120 bis 30 nm. Wenn der z-Parameter von 40 auf 70 nm variiert wird, wird h1 unter Berücksichtigung der Herstellungsbeschränkungen, d. h. der Variation von z und (h2 − h1), konstant bei 250 nm gehalten, wie in Abb. 2b dargestellt. Es zeigt sich, dass die Absorptionseffizienz umso stärker abnimmt, je mehr sie zunimmt, zusätzlich zu einem Blauverschiebungstrend für die Resonanzwellenlänge aufgrund des z-Parameters sowie einer Verbreiterung des Qabs-Peaks aufgrund der h2-Variation. Der z-Parameter kann daher als alternativer Parameter zur Abstimmung der Werte der optischen Eigenschaften und der Resonanzwellenlängen verwendet werden. Darüber hinaus zeigen diese ersten beiden Abbildungen eine bessere Absorption im Fall von z unabhängig vom (h2 − h1)-Wert. Daher erlauben es die Herstellungsbeschränkungen nicht, den Absorptionswert mit der besten Leistung für die interessierende Wellenlänge von 1500 nm zu wählen, sondern das Design wird entsprechend den für die Herstellung geeigneten geometrischen Parametern optimiert.

Wellenlängenabhängige Absorptionseffizienz der links in jedem Diagramm dargestellten Struktur. (a) Die Dicke wird nur variiert. (b) Die Dicke, die der Breite des Nanorings entspricht, wird variiert. (c) Die Spaltringlücke wird variiert und die wellenlängenabhängigen Extinktions- und Absorptionseffizienzen der dargestellten Struktur werden dargestellt.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist g. Abbildung 2c zeigt links die Extinktionseffizienz und rechts die Absorptionseffizienz eines einzelnen Nanorings durch Variation des Winkels g von 45° auf 10°. Es ist zu beobachten, dass je mehr g abnimmt, desto mehr steigt die Extinktionseffizienz und damit die Streueffizienz, vor allem aber steigt in gewissem Maße auch die Absorptionseffizienz für die hier berechneten Lückenwinkel. Tatsächlich steigt Qabs für die berechnete Struktur h1 = 250 nm, h2 = 305 nm und z = 55 nm bis zu einem ag-Wert von 20° an, bevor es gleich bleibt, während g auf 10° abnimmt. Ein Spaltwinkel von 10° entspricht ungefähr einem Abstand von 50 nm, was einem experimentellen Grenzwert entspricht, der festgelegt wurde, um eine gute Realisierung sicherzustellen, wie im Abschnitt „Ergebnisse“ bei der Herstellung von Silber-Nanoringen gezeigt. Die Entwicklung sowohl der Resonanzfrequenz als auch der Absorptionseffizienz als Funktion all dieser geometrischen Parameter ist mit polynomialer Regressionsanpassung in Abbildung S3 der Ergänzenden Anmerkung zusammengefasst.

Unter Berücksichtigung aller experimentellen Einschränkungen ermöglichten die Ergebnisse dieser parametrischen Studie die Definition einer Reihe von Parametern eines einzelnen Silber-Nanorings, der für die Herstellung geeignet ist und eine Verbesserung der Absorptionseigenschaften bei einer Wellenlänge von 1500 nm zeigt. Das Muster, das daher die experimentelle Metaoberfläche bilden wird und dessen Periodizität im Folgenden untersucht wird, hat die folgende Geometrie: h1 = 250 nm, h2 = 305 nm und z = 55 nm und g = 20°.

Sobald die Parameter des einzelnen Rings definiert sind, die eine Absorption bei der interessierenden Wellenlänge von 1500 nm ermöglichen, wird der Einfluss des Freiraumabstands zwischen den Nanoringen untersucht. Die Streu- und Absorptionsquerschnitte wurden mit einem x-polarisierten elektrischen Feld für die oben genannten geometrischen Parameter simuliert. Wie in Abb. 3 dargestellt, werden dabei die optischen Eigenschaften von vier Nanoringen untersucht, um den Einfluss des Freiraumabstands auf der x-Achse d, aber auch auf der y-Achse p zu bewerten. Die in Abb. 3a dargestellte Struktur besteht aus vier Nanoringen mit der oben definierten Geometrie. Sowohl d als auch p variieren, indem sie einander gleich sind, von 50 bis 390 nm. Je mehr d = p zunimmt, desto größer wird der absorbierende Querschnitt (Abb. 3b). Tatsächlich zeigt Abb. 3b eine starke Vergrößerung des Absorptionsquerschnitts (mehr als dreimal größer) bei der Wellenlänge von 1500 nm für vier Silber-Nanoringe mit einem Abstand von 390 nm (in Rosa) auf der x- und y-Achse im Vergleich zu vier Nanoringen im Abstand von 50 nm (in Schwarz). Obwohl die Kopplung zwischen den Nanoringen (Abb. 3c) wichtiger zu sein scheint, wenn d niedrig ist, zeigt die Abbildung trotz des Abstands bei d = 390 nm eine stärkere Feldkonzentration an der Spaltringlücke g. Interessanterweise scheint es, dass die Ringe in dieser Periodizität mitschwingen, was zu einer Verstärkung der Absorptionsreaktion führt.

(a) Struktur der untersuchten Nanoringe mit d und p den Freiraumabständen in der x- und y-Achse. (b) Wellenlängenabhängige Absorptionsquerschnitte von vier Silber-Nanoringen mit den Freiraumabständen, wobei d auf der x-Achse und p auf der y-Achse variiert wird, jeweils von 50 bis 390 nm, und (c) Kartierung des elektrischen Feldes Intensität bei der Resonanzwellenlänge jeder Gruppe von vier untersuchten Nanoringen.

Dank der Parameterstudie und der Auswirkungsstudie des Freiraumabstands für vier Nanoringe konnte folglich die Wahl des herzustellenden Musters getroffen werden. Die herzustellende Metaoberfläche besteht aus einer Reihe von Silbernanoringen mit jeweils einem Innenradius h1 von 250 nm, einem Außenradius h2 von 305 nm, einer Dicke z von 55 nm, einem Split-Ring-Lücke g von 20° und 390 nm voneinander entfernt sind. Der Vergleich des Absorptionsquerschnitts eines einzelnen (in Schwarz) und von vier (in Blau) Nanoringen in Abb. 4 zeigt eine deutliche Steigerung der Absorptionseffizienz um das Dreifache für vier Nanoringe im Vergleich zu einem einzelnen Nanoring. Diese Ergebnisse bestätigten die Wahl der Struktur, da sie tatsächlich noch bessere Absorptionseigenschaften mit einer geordneten Anordnung von Nanoringen nahelegen und das Interesse an der Realisierung dieses Metaoberflächenmusters rechtfertigen. Abschließend untersuchen wir die Lichtpolarisationsabhängigkeit des gewählten Musters. Der Effekt der elektrischen Feldpolarisation ist in Abbildung S4 der Ergänzenden Anmerkung dargestellt. Die Absorptions- und Streuquerschnitte (Abb. S4a,b) wurden mit einem elektrischen Feld simuliert, das parallel (in Schwarz) und senkrecht (in Rot) zur x-Achse E// bzw. E_|_ ausgerichtet ist. Wenn das elektrische Feld von der parallelen zur senkrechten Polarisation gekippt wird, wird eine Vergrößerung des Extinktionsquerschnitts sowie eine Blauverschiebung der Resonanzwellenlänge beobachtet. Tatsächlich nimmt der Streuquerschnitt zu, wenn der Absorptionsquerschnitt abnimmt. Eine starke Verstärkung des elektrischen Feldes wird an der Nanoringlücke g für die parallele Polarisation beobachtet, im Gegensatz zur senkrechten Polarisation, wie in der Abbildung der elektrischen Feldintensität gezeigt (Abb. S4c, d).

Wellenlängenabhängiger Absorptionsquerschnitt eines einzelnen Nanorings in Schwarz und von vier Nanoringen mit einem Freiraumabstand von 390 nm in der x- und y-Achse in Blau. Die Parameter des einzelnen verwendeten Nanorings sind in Abb. 1 dargestellt.

Die Fertigung erfolgt hier im klassischen Top-Down-Verfahren. Tatsächlich sind seit dem Nanotechnologie-Boom der letzten Jahrzehnte verschiedene Techniken der Nanofabrikation entstanden49,50,51. Unter diesen zahlreichen entwickelten Prozessen ist die Nanolithographie und insbesondere die Elektronenstrahllithographie eine Top-Down-Methode, die am weitesten zur Herstellung von Strukturen im Submikrometerbereich eingesetzt wird49,52,53,54,55,56,57. Es handelt sich mittlerweile um eine bekannte Technik, die häufig zur Entwicklung verschiedener Metaoberflächen eingesetzt wird. Um die in Abb. 5 dargestellten Muster herzustellen, verwendeten wir daher den Elektronenstrahl-Lithographieprozess, gefolgt von der Verdampfung des Silbermaterials. Diese unterschiedlichen Muster entsprechen der Größenskala der optimierten Struktur und ermöglichen eine Absorption im nahen IR-Band.

REM-Draufsichten der Silber-Nanoring-Arrays zeigen verschiedene Parameter für hergestellte Designs in den verschiedenen Bereichen.

Sechs verschiedene Silber-Nanoring-Arrays von jeweils 2 mm2 mit verschiedenen Parametern (N1–N6) sind auf einem einzigen transparenten Substrat mit 2 Zoll Durchmesser angeordnet. Ihre spezifischen Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Gemäß der oben dargestellten Modellierung wurden verschiedene Konfigurationen getestet, um die Gültigkeit der Studie zu bewerten. Daher wurden die Breite (h2 − h1) und der Split-Ring-Lücke g sowie die Periodizität (l = 2 × h2 + d) des Arrays variiert. Die Hauptschritte der Herstellungsmethode sind in den Abbildungen S5 und S6 zusammengefasst (weitere Einzelheiten finden Sie auch im experimentellen Abschnitt).

Die REM-Bilder in Abb. 5 zeigen die erfolgreichen Ergebnisse der Metaoberflächenherstellung mit sechs Bereichen aus Silber-Nanoring-Arrays, die aus mehreren unterschiedlichen geometrischen Parametern bestehen. Anhand des N5-Bereichs, der Ringen mit einem Abstand von jeweils 100 nm entspricht, lässt sich erkennen, dass trotz des geringen Abstands die Qualität der Ringe unter Einhaltung der Geometrieparameter sehr gut ist. Allerdings zeigt die N6-Zone, die kleineren Ringen mit einer Periodizität von 50 nm entspricht, dass die Grenzen dieses Herstellungsverfahrens mittels Elektronenstrahllithographie erreicht sind. Zusätzlich zu den SEM-Bildern wurde die Dicke der Nanoringe durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) überprüft, wie in Abbildung S7 dargestellt. Die gemessene Dicke beträgt etwa 39 nm, was ungefähr den auf dem Substrat abgeschiedenen Dicken entspricht, nämlich 35 nm Silber und 3 nm Chrom. Das Herstellungsverfahren wird daher als zufriedenstellend angesehen.

Sobald die Nanoring-Arrays erhalten waren, wurden die verschiedenen Zonen optisch mit einem Spektrophotometer charakterisiert. Abbildung S8 zeigt ein Beispiel einer großen Oberfläche, die auf dem N5-Array von mehr als 26 × 20 µm2 ohne Periodizitätsfehler erhalten wurde und für die Durchführung der Messungen erforderlich war. Wir konzentrieren unsere experimentelle Arbeit der durchgeführten Messungen auf zwei verschiedene Zonen, N3 und N5, wie anhand der in Abb. 6 gemessenen normalisierten Absorption gezeigt. Zwischen den beiden Bereichen ändert sich nur die Periodizität, da die Nanoringe der Zone N3 einen Abstand von 250 nm haben wohingegen im Bereich N5 ein Abstand von 100 nm besteht. Die größten Resonanzpeaks scheinen gleich zu bleiben, während sich der kleine um weniger als 100 nm von 1230 nm für N5 (d = p = 100 nm) auf 1315 nm für N3 (d = p = 250 nm) verschiebt. Wichtig ist, dass im Vergleich zu den oben durchgeführten Simulationsstudien eine große Rotverschiebung der Resonanzwellenlänge festgestellt wird. Dies ist auf das Vorhandensein des Substrats zurückzuführen, das in den Simulationen nicht berücksichtigt wurde. Diese Rotverschiebung wird tatsächlich bestätigt, wie in Abbildung S9 gezeigt, wo die optischen Eigenschaften von vier Nanoringen im Vakuum mit denen von vier Nanoringen mit einer dünnen Chromschicht, die auf einem Glassubstrat abgeschieden sind, verglichen werden.

(a) Wellenlängenabhängige normalisierte Absorption, gemessen für die Zonen N3 und N5. REM-Bilder der Arrays N3 (b) und N5 (c).

Laut Literatur58 wurde eine dünne Schicht Aluminiumoxid (Al2O3) abgeschieden, um die verdampften Silberproben vor Luftverschmutzung zu schützen. Um den Einfluss auf den Absorptionspeak zu sehen, wurde eine 3 nm dicke Schicht durch Atomlagenabscheidung abgeschieden und mit einer Schichtdicke von 10 nm verglichen. Die normalisierten Absorptionen wurden mit einem Spektrophotometer für die beiden Bereiche N3 und N5 in Abbildung S10 gemessen, ohne Aluminiumoxidschicht und mit einer Schicht von 3 nm bzw. 10 nm. Es zeigt eine Verschiebung des Absorptionspeaks von etwa 50 nm nach jeder Abscheidung. Für N3 beobachten wir einen Verschiebungspeak von 58 nm nach der Abscheidung von 3 nm Al2O3 und insgesamt 112 nm nach einer 10 nm dicken Schicht. Für N5 wird ein Verschiebungspeak von 32 nm nach einer Abscheidung von 3 nm Al2O3 und insgesamt 120 nm nach einer 10 nm dicken Schicht gefunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Abscheidung einer dünnen Aluminiumoxidschicht den Schutz der Metaoberfläche ermöglicht und gleichzeitig einen sehr geringen Einfluss auf die optische Reaktion hat.

Um die Simulationsergebnisse mit experimentellen Charakterisierungen zu vergleichen und somit das Simulationsmodell zu validieren, wurden die optischen Reaktionen der verschiedenen Zonen der Metaoberfläche mithilfe der im ersten Abschnitt vorgestellten und in Abbildung S2 schematisch dargestellten Berechnungskonfiguration simuliert. Abbildung 7 konzentriert sich auf die N3-Zone in Blau und die N5-Zone in Gelb. Das Reflexionsspektrum wurde numerisch berechnet und mit der mit einem Spektrophotometer gemessenen Reflexion für die N3- und N5-Zonen verglichen, wobei beide Spektren normalisiert und in Abb. 7 dargestellt sind. Die Reflexionsspektren zeigen die gleiche optische Signatur mit Resonanzpeaks bei im Wesentlichen den gleichen Wellenlängen Die Herstellung erlaubt einige Ungenauigkeiten hinsichtlich der gewünschten geometrischen Parameter. Wichtig ist, dass diese Ergebnisse die Validierung des im ersten Teil vorgestellten Simulationsmodells ermöglichen und eine gute Genauigkeit der spezifischen geometrischen Parameter gewährleisten.

Normalisierte Reflexionsspektren der N3- und N5-Zonen, gemessen mit einem Spektrophotometer für das gefertigte Design (in durchgezogener Linie) und die entsprechenden numerisch simulierten Spektren (in gepunkteter Linie).

Abschließend haben wir mehrere entworfene Silber-Nanoring-Metaoberflächen simuliert, hergestellt und optisch charakterisiert, die eine Absorption im nahen Infrarotbereich ermöglichen. Zunächst wurde durch numerische Simulation eine Reihe geometrischer Parameter für eine Verbesserung der Absorption bei optischen Frequenzen vorhergesagt. Es wurden die parametrische Untersuchung eines Nanorings, aber auch Periodizitätsstudien durchgeführt. Nachdem dieser erste Schritt abgeschlossen war, wurde die technische Machbarkeit seiner Herstellung getestet. Eine erfolgreiche Entwurfsherstellung unterschiedlicher Nanoring-Arrays mit mehreren geometrischen Parametern und Periodizitätsparametern wurde mithilfe einer Top-Down-Prozessmethode durchgeführt, die bis zu dem Punkt reichte, an dem die Grenzen der Herstellung mit der Elektronenstrahl-Lithographiemethode aufgezeigt wurden. Abschließend haben wir das FDTD-Modell validiert, indem wir die Ergebnisse der optischen Charakterisierung und der numerischen Simulation der Metaoberfläche verglichen haben. Ziel war es, die Absorptionsmöglichkeiten dieser Struktur zu perfektionieren und ihre zukünftige Gestaltung durch eine neue Bottom-up-Technik zu erleichtern. Darüber hinaus ermöglichte die mittels numerischer FDTD-Simulation durchgeführte Studie die Optimierung der Metaoberfläche bei sichtbaren Frequenzen und zeigte ein besonderes Interesse für Biosensorik und therapeutische Anwendungen59 dank der einzigartigen Eigenschaften der Metaoberfläche von Split-Ring-Resonatoren. Tatsächlich erfreuen sich diese Strukturen großer Beliebtheit bei der biochemischen und biologischen Detektionsforschung und wurden beispielsweise als dichroitische Sensoren für die molekulare Spektroskopie im sichtbaren Wellenlängenbereich15 oder für DNA-Sensoren60 verwendet. Was die optische Reaktion bei 1500 nm betrifft, stehen die Anwendungen von Interesse im Zusammenhang mit der Photodetektion mit Detektoren im SWIR-Band. Weitere Arbeiten werden sich auch auf antisymmetrische Strukturen konzentrieren, um den Einfluss des Designs zu bewerten, aber auch aus charakterisierender Sicht Streumessungen durchzuführen. Bei nicht symmetrischen Strukturen hängt die Diffusion tatsächlich vom Winkel der einfallenden Welle ab und eröffnet daher neue Möglichkeiten für optische Komponenten, die eine große Winkelakzeptanz erfordern. Diese Forschung ist tatsächlich der erste Schritt einer zukünftigen Arbeit über eine neue Bottom-up-Methode zur Herstellung von Nanoring-Metaoberflächen, die durch eine selbstorganisierte Technik von Silbernanowürfeln zu flexiblen PDMS-Vorlagen hergestellt werden34.

Die 3D-Simulation wurde mit der kommerziellen Software FDTD LUMERICAL durchgeführt.

Für die in den FDTD-Simulationsabschnitten berichteten Ergebnisse wurden die Simulationsbedingungen wie folgt gewählt. Eine ebene Lichtwelle fällt normalerweise entlang der z-Achse ein und das elektrische Feld ist x-polarisiert. Symmetrische und Perfect Match Layer (PML)-Randbedingungen werden in x- und y-Richtung verwendet. PML-Randbedingungen werden in z-Richtung gewählt. Die optischen Konstanten für Silber werden aus den experimentellen Daten von Johnson & Christie extrahiert61. Es wird ein ungleichmäßiges Netz verwendet.

Für die in Abb. 7 dargestellten Simulationsergebnisse wurden die Simulationsbedingungen wie folgt gewählt. Eine ebene Lichtwelle fällt normalerweise entlang der z-Achse ein und das elektrische Feld ist x-polarisiert. PML-Randbedingungen werden oben und unten im Rechenbereich (in Z-Richtung) festgelegt und simulieren ein stark absorbierendes Material. Periodische Bedingungen werden verwendet, um das definierte Muster entlang der x- und y-Achse periodisch zu wiederholen und so die Interaktionen mit benachbarten Strukturen zu simulieren. Somit würde in diesem Bereich nur eine vernachlässigbare Energie zurückreflektiert werden. Die optischen Konstanten für Silber stammen aus experimentellen Daten von Johnson & Christie61, für Chrom von Palik43 und für Borosilikatglas62 von Ohara. Es wird ein ungleichmäßiges Netz verwendet. Der T-Detektor, der die Messung der von der ebenen Wellenquelle emittierten Sendeleistung ermöglicht, ist 6500 nm unter dem Nanoring aus Chrom und Silber platziert.

Das Glassubstrat wird nacheinander in Aceton und Isopropylalkohol (IPA) unter Ultraschallbewegung gereinigt, unter sauberem Stickstoffstrom getrocknet und dann in einem Barril-Reaktor (Nanoplas France) 10 Minuten lang bei 150 °C Sauerstoffplasma ausgesetzt.

Die erste Schicht besteht aus dem hochempfindlichen Positiv-Elektronenstrahlresist ARP 617.02 (Allresist, Deutschland), der eine Mischung aus Copolymer auf der Basis von Poly(methylmethacrylat) PMMA und Methacrylsäure MMA, sichereres Lösungsmittel 1-Methoxy-2-propanol, enthält 1 Minute lang bei 6000 U/min aufgeschleudert, gefolgt von einem 20-minütigen Glühen bei 200 °C auf einer Heizplatte.

Anschließend wird die zweite Schicht des Elektronenstrahlresists ARP 679.02 (Lösung von 2 % PMMA in Ethyllactat) 1 Minute lang bei 6000 U/min schleuderbeschichtet und anschließend 10 Minuten lang bei 170 °C getempert.

Anschließend wird eine leitfähige Resistschicht ARPC 5090.02 (Allresist, Deutschland) 1 Minute lang bei 4000 U/min schleuderbeschichtet und anschließend 2 Minuten lang bei 90 °C geglüht.

Die E-Beam-Lithographie wird von einem Elektronenstrahl-Lithographiesystem (PIONEER, Raith, Deutschland) durchgeführt, um das Motiv von Nanoring-Arrays mit den folgenden Belichtungsparametern zu erzeugen: Beschleunigungsspannung: 20 kV, Strahlstrom: 0,018 nA, Arbeitsabstand : 8 mm, Nenndosis: 100 µC/cm2 und Faktordosis: von 1 bis 1,2.

Nach der Belichtung mittels Elektronenstrahllithographie wird der leitfähige Lack 30 s lang durch ein Bad aus entionisiertem Wasser entfernt. Anschließend wird die Entwicklung des Resists 60 s lang in einer kommerziellen Lösung AR 600–55 durchgeführt, bevor sie 55 s lang in einem IPA-Bad gestoppt wird.

Anschließend wird eine dünne Keimschicht (3 nm) aus Chrom auf das Substrat aufgedampft, bevor unter Vakuumbedingungen eine Silberschicht von 30 nm aufgedampft wird (Auto 306, Edwards, UK).

Abschließend werden durch einen Lift-Off-Prozess die E-Beam-Resists und der Überschuss an Silber einige Stunden lang in Aceton entfernt.

Der Al2O3-Dünnfilm wurde durch ALD in einem Fiji 200-Reaktor (Veeco/Cambridge Nanotech) unter Verwendung von Trimethylaluminium (Strem Chemicals, 98 %) und entionisiertem Wasser gezüchtet. Die Ablagerungsbedingungen wurden gemäß einer früheren Arbeit63 festgelegt. Der ALD-Zyklus bestand aus einem aufeinanderfolgenden Pulsieren und Spülen von TMA und H2O in der auf 150 °C gehaltenen Reaktionskammer. Die Impuls- und Spüldauer betrug für beide Vorläufer 0,06:10 s. Zur Einstellung der Filmdicke wurde In-situ-spektroskopische Ellipsometrie verwendet.

Die Daten, die die Darstellungen in diesem Artikel und andere Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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IB führte die numerischen Berechnungen, die Probenherstellung, die Gerätecharakterisierung durch und redigierte das Manuskript. FB und IO haben die Musterfertigung abgeschlossen. LS führte die Al2O3-Abscheidung durch. GB, LE, JLR und OM haben die Idee initiiert und das Projekt betreut. GB finanzierte die Forschung durch THALES LAS Grant. IB verfasste das Manuskript unter Mitwirkung aller Autoren, die wissenschaftliche Unterstützung leisteten.

Korrespondenz mit I. Bouanane.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bouanane, I., Bedu, F., Ozerov, I. et al. Design eines optischen Infrarotabsorbers unter Verwendung einer Silber-Nanoring-Anordnung, die durch einen Top-Down-Prozess hergestellt wurde. Sci Rep 13, 7770 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34579-w

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Eingegangen: 17. Februar 2023

Angenommen: 02. Mai 2023

Veröffentlicht: 12. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34579-w

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Design eines optischen Infrarotabsorbers unter Verwendung einer Silber-Nanoring-Anordnung, die von einer Oberseite hergestellt wird