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3D納米直寫技術(shù)助力任意形貌六方氮化硼(hBN)納米3D結(jié)構(gòu)的制備

時(shí)間:2021-6-16閱讀:1710

【引言】

 

六方氮化硼(hBN)單晶納米片的原子平滑表面,為光電應(yīng)用域帶來(lái)了革命性的突破。在納米光學(xué)方面,hBN的強(qiáng)非線性、雙曲線色散和單光子發(fā)射等性,為相應(yīng)的光學(xué)和量子光學(xué)器件帶來(lái)些有性能。在納米電子學(xué)域,良好的物理,化學(xué)穩(wěn)定性和較寬的禁帶,使hBN成為二維電子器件的關(guān)鍵材料。目前,對(duì)hBN的研究重點(diǎn)局限于二維扁平結(jié)構(gòu),尚未涉其3D立體結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。如果能根據(jù)需求對(duì)hBN納米片的高度做出相應(yīng)調(diào)整,將為下代光電器件中調(diào)節(jié)光子流,電子流和激子流等性能提供個(gè)有效的方法。

 

【成果簡(jiǎn)介】

 

近日,Norris教授課題組用3D納米直寫技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕的方法制備出可任意調(diào)控形貌的hBN納米3D結(jié)構(gòu)。此類hBN納米3D結(jié)構(gòu)在光電子器件研究域尚屬次。得意于3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)(NanoFrazor)在光刻膠上能實(shí)現(xiàn)亞納米精度的精確加工,Norris教授課題組運(yùn)用該方法制備了光電子學(xué)相板、光柵耦合器和透鏡等元件。獲得的元件通過(guò)后續(xù)組裝過(guò)程制備成高穩(wěn)定、高質(zhì)量的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。隨后,通過(guò)縮小圖形長(zhǎng)度比例的方法,引入電子傅里葉曲面,在hBN上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高精度微納結(jié)構(gòu),展現(xiàn)了NanoFrazor在3D納米加工域的潛力。

 

【圖文導(dǎo)讀】

 

圖1. 使用NanoFrazor制備hBN納米3D結(jié)構(gòu)流程圖

(a)左圖為用NanoFrazor在光刻膠表面上實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)制備,右圖為通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕方法將光刻膠上的3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到hBN的流程;(b)Mandelbrot分形圖案刻蝕在光刻膠上的結(jié)果。黑色代表圖形的高處,白色為至低處;(c)光刻膠上的Mandelbrot分形圖案通過(guò)圖(a)中的過(guò)程轉(zhuǎn)移到hBN上的結(jié)果;(d)圖(c)中hBN的SEM(傾轉(zhuǎn)30o)表征結(jié)果。

 

圖2. 用NanoFrazor在hBN上制備任意形貌的納米3D結(jié)構(gòu)

(a)白色中線左側(cè)為準(zhǔn)備的高密度圖形樣圖,右側(cè)為通過(guò)NanoFrazor將高密度圖形轉(zhuǎn)移到hBN后的實(shí)際結(jié)果;(b)將圖(a)中的圖形轉(zhuǎn)移到hBN后的SEM表征結(jié)果;(c)AFM測(cè)量圖(a)中紅色虛直線所示部分的表面形貌;(d)hBN納米3D結(jié)構(gòu)的高分辨成像,左下角厚度為95 nm,右上角厚度為50 nm;(e)AFM測(cè)量hBN中高密度方形結(jié)構(gòu)(29 nm)周期性圖樣結(jié)果,體現(xiàn)了NanoFrazor對(duì)制備結(jié)構(gòu)的高度可控性;右上角插圖是該周期性結(jié)構(gòu)的快速傅里葉變換(FFT)結(jié)果。

 

圖3. 用NanoFrazor制備的hBN光學(xué)微納元件

(a)在130 nm厚hBN上制備螺旋相位板陣列的光學(xué)表征結(jié)果;(b)單個(gè)螺旋相位板的AFM結(jié)果;(c)具有球形輪廓的hBN微透鏡光學(xué)顯微照片;(d)微透鏡理論圖樣(左側(cè))和實(shí)際制備結(jié)果(右側(cè))比較;(e)光學(xué)微腔的示意圖,頂鏡、底鏡、hBN微透鏡(藍(lán)色)和帶橫向限制(黑色箭頭)的腔模式(紅色);(f)擁有hBN微透鏡的微腔角分辨光譜結(jié)果;(g)根據(jù)制備的微腔幾何結(jié)構(gòu)所計(jì)算的橫向Ince-Gaussian模分布結(jié)果;(h)測(cè)量的橫向Ince-Gaussian分布結(jié)果。

 

圖4. hBN上制備的電子傅里葉曲面

(a)具有六邊形晶格的電子傅里葉曲面位圖;(d)將兩個(gè)六邊形晶格與個(gè)在平面上旋轉(zhuǎn)10°的晶格疊加而成的位圖;(g)兩個(gè)疊加的六邊形晶格的位圖,周期分別為55和47 nm,無(wú)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn);(j)將九個(gè)位圖分別在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0、20、40、60、80、100、120、140和160°后的疊加效果;(b)、(e)、(h)、(k)為使用NanoFrazor在光刻膠上制備(a)、(d)、(g)、(j)中圖形時(shí)所獲得的結(jié)果;(c)、(f)、(i)、(l)、是把(b)、(e)、(h)、(k)中的圖案刻蝕在hBN上的AFM測(cè)量結(jié)果;(a)-(l)中的插圖代表著相應(yīng)圖案的FFT結(jié)果。

 

【小結(jié)】

本文用NanoFrazor有的3D納米直寫技術(shù)在hBN上實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜高精度納米3D結(jié)構(gòu)的制備,為光電器件性能的應(yīng)變調(diào)控和能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控帶來(lái)了新的研究方向。這研究結(jié)果表明,NanoFrazor在開(kāi)拓雙曲線超材料、化電子、扭轉(zhuǎn)電子、量子材料和深紫外光電器件等域新的研究方向上有著重要的作用。 

 

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