Massefremstilling af metasurfaces

Masseproduktionen af ​​flade optiske enheder med sub-bølgelængde strukturer kan snart være en realitet, takket være en metasurface-fremstillingsteknik udviklet af forskere ved A*STAR.

Metasflader er syntetiske, todimensionelle materialer dækket i bittesmå individuelle former med størrelser og mellemrum mindre end bølgelængderne af synligt lys. Disse 'sub-bølgelængde' strukturer gør det muligt for videnskabsmænd præcist at kontrollere udbredelsesformen, eller bølgefront, af lysstråler. Som sådan, metasurfaces viser lovende for mange applikationer fra højopløselig billedbehandling og farveprint til styring af lyspolarisering. Masseproduktion af metasurflader, imidlertid, har vist sig udfordrende, begrænset af kompleksiteten i at realisere sådanne præcise mønstre.

Nu, Ting Hu og hans kolleger ved A*STAR's Institute of Microelectronics (IME) har udviklet en metode til at bygge silicium-baserede metasurfaces ved at introducere eksisterende teknikker fra halvlederfremstilling. Deres nye metasurface-design kan producere rød-grøn-blå (RGB) farveskærme i høj opløsning.

Indtil nu, metaoverflader er hovedsageligt blevet fremstillet via elektronstrålelitografi (EBL), som ikke gælder for masseproduktion, som Hu forklarer:

"Med EBL, den fokuserede elektronstråle bevæger sig langsomt, trin for trin, på tværs af metaoverfladesubstratet. Metaoverflader med millioner - muligvis milliarder - af elementer kræver meget lang tid at blive mønstret via EBL. Vi ønskede en hurtigere og mere effektiv måde at mønstre på."

Hu og holdet baserede deres teknik på 'immersionslitografi', som længe har været brugt til at ætse mønstre på elektroniske komponenter. Med flere eksponeringer, komplekse mønstre kan opbygges. Forskerne brugte ultraviolet-baseret (UV) litografi til indledende mønstre på siliciumsubstrater, efterfulgt af plasmaætsning for at danne designs i små pixelblokke, der blev samlet til en 12-tommer skærmoverflade (se billede).

"Vores UV-litografiværktøj er en scanner, som kan mønstre en hel 12 tommer wafer med designet enheder inden for en halv time, " siger Hu. "Vi designede de fysiske dimensioner af nano-søjle-arrays af metaoverfladen til nøjagtigt at vise farver, med fantastiske resultater, for eksempel at vise bogstaverne I, M og E i rødt, henholdsvis grøn og blå."

Hu og teamet håber at optimere deres design og forbedre ætsningsprocessen for at minimere tab induceret af lysspredning og defekter i nanostruktur-arrays. De gør også en indsats for at realisere flade, lette 'meta-linser' og prikprojektorer med potentielle anvendelser i ansigtsgenkendelsesteknologier.