領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用.pdf

1、光學(xué)天線作為微波/射頻天線在光學(xué)波段的延伸，可以在亞波長尺度上對(duì)光場進(jìn)行調(diào)控，因而得到了廣泛關(guān)注，它可以應(yīng)用于近場光刻，近場顯微，納米操縱和非線性光學(xué)等眾多領(lǐng)域。在眾多的光學(xué)天線類型中，領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線由于其超透射特性和產(chǎn)生局域增強(qiáng)光點(diǎn)的能力而格外引人注目。本文基于領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線的近場局域增強(qiáng)特性，提出了一種新的背面刻蝕的加工方法，可以得到間隙寬度小于16nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔，進(jìn)而大大提高其近場局域特性。之后將這種加工方法應(yīng)用于

2、近場掃描光刻的模板制備中，實(shí)現(xiàn)了16nm的加工分辨率。然后我們對(duì)領(lǐng)結(jié)形納米孔的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行拓展，將出射面間隙處用金屬橋相連，從而實(shí)現(xiàn)電場和磁場的同時(shí)局域增強(qiáng)。最后我們進(jìn)一步擴(kuò)展其結(jié)構(gòu)形式，通過將多個(gè)領(lǐng)結(jié)形納米孔串聯(lián)，產(chǎn)生法諾諧振，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的納米尺度選擇。本論文工作對(duì)改良光學(xué)天線的制備工藝，實(shí)現(xiàn)高分辨率，低成本的納米制造技術(shù)以及光學(xué)超材料的研究有重要意義。
　　具體研究內(nèi)容如下:
　　1.對(duì)領(lǐng)結(jié)形光學(xué)天線的光學(xué)特性進(jìn)行了研究

3、，并分析其內(nèi)在的物理機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出出射面間隙寬度作為影響近場局域增強(qiáng)特性的關(guān)鍵指標(biāo)。分析了聚焦離子束加工中的非陡直側(cè)壁產(chǎn)生的物理機(jī)理及其對(duì)出射面間隙寬度產(chǎn)生的展寬效應(yīng)。據(jù)此提出了背面刻蝕的方法，解決了非陡直側(cè)壁的影響，制備出間隙尺寸穩(wěn)定小于16nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔。用時(shí)域有限差分的仿真方法和散射式近場光學(xué)顯微鏡的實(shí)驗(yàn)方法分別研究其近場特性，并與正面刻蝕方法制備的納米孔進(jìn)行對(duì)比，表明其具有更加優(yōu)越的近場局域特性。進(jìn)一步將鄰近加工方法與

4、背面刻蝕方法相結(jié)合，制備出間隙尺度小于5nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線。
　　2.將背面刻蝕的方法應(yīng)用于近場掃描光刻的模板加工中，制備出間隙寬度穩(wěn)定小于15nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔。利用調(diào)制傳遞函數(shù)，計(jì)算和比較背面刻蝕和正面刻蝕加工出的納米孔可以實(shí)現(xiàn)的光刻分辨率。引入柔性平臺(tái)技術(shù)，控制模板與光刻膠的接觸，并搭建一套近場掃描光刻系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中比較兩種加工方法加工的領(lǐng)結(jié)形納米孔應(yīng)用于近場光刻的分辨率以及納米孔間隙尺寸對(duì)分辨率的影響，并與理論分析

5、的結(jié)果對(duì)比。最終通過優(yōu)化曝光參數(shù)和掃描速度，得到16nm的加工分辨率。
　　3.擴(kuò)展領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)形式，將出射面間隙用金屬橋相連，實(shí)現(xiàn)電場和磁場的同時(shí)局域增強(qiáng)，并用光學(xué)電路理論和虛擬電流環(huán)理論進(jìn)行解釋。研究橋的三維尺寸和金屬膜厚度對(duì)電場和磁場強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步研究其內(nèi)在的物理機(jī)理，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。得到金屬橋上表面最大電場增強(qiáng)和磁場增強(qiáng)分別為585和170，金屬橋下表面分別為5200和1439。而在x，y方向上，電

6、場的半高寬為46nm和64nm，磁場為32nm和34nm。并用背面刻蝕的方法加工出參數(shù)可調(diào)的橋連領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線，提出測量近場電場和磁場分布的實(shí)驗(yàn)方案。
　　4.進(jìn)一步擴(kuò)展領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線，將多個(gè)領(lǐng)結(jié)形納米孔串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)納米尺度的波長選擇。該結(jié)構(gòu)在垂直入射光激勵(lì)下，產(chǎn)生超輻射寬譜偶極子模式和亞輻射窄譜多極子模式，兩種模式干涉產(chǎn)生法諾諧振峰。時(shí)域有限差分仿真和散射式近場光學(xué)顯微鏡測量表明，在法諾諧振峰附近，法諾諧振情況發(fā)生明顯

7、變化，導(dǎo)致近場幅值和相位分布改變。綜合分析幅值和相位信息，可以對(duì)法諾諧振的物理機(jī)理進(jìn)行研究。這種近場分布的變化，可以應(yīng)用于納米尺度的波長選擇，不同波長的入射光選擇性通過不同通道。利用波長選擇比，對(duì)波長選擇特性進(jìn)行定量表征。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn):
　　1.提出了背面刻蝕的加工方法，制備間隙寬度小于16nm的領(lǐng)結(jié)形納米孔光學(xué)天線，并用散射式近場光學(xué)顯微鏡進(jìn)行高分辨率近場表征。并將這種背面刻蝕加工的具有優(yōu)越近場局域性能的納米孔用于