日期：
来源：科学百晓生收集编辑：Simpson
▲第一作者：Joohoon Kim, Junhwa Seong, Wonjoong Kim
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01485-5
超透镜由于其优越的光调制性能和亚微米级的厚度，是传统笨重的折射透镜的有吸引力的替代品；然而，现有的制造技术的局限性，包括成本高、产量低和图案面积小，阻碍了其大规模生产。本研究展示了使用深紫外氟化氩浸渍光刻技术和晶圆级纳米压印光刻技术，低成本和高产量地大规模生产大孔径可见光超透镜。一旦印上12英寸的母印，就可以使用薄涂层的高折射率薄膜制造出数百个厘米级的超透镜，以加强光的限制，从而使转换效率大幅提高。作为一个概念验证，本研究一个用印刷的超透镜制作的超薄虚拟现实设备展示了其在元光子设备的可扩展制造方面的潜力。1、本研究介绍了一种高折射率原子层-聚合物混合元表面，作为一种低成本、高产量的方法来制造可见的超透镜，一旦印上一个母版，就可以按比例制造出数百个厘米级的超透镜（图1）。一个带有ArF准分子激光器的浸入式扫描仪被用来制造12英寸的主印章，其分辨率为40纳米，这足以制造出可见的超透镜。纳米压印光刻技术被用来以极低的成本大规模复制晶圆级主印章的图案，从而克服了传统的ArF浸入式扫描仪的成本限制。高折射率原子层-聚合物混合元表面，在印刷的树脂上薄薄地涂上一层高折射率的二氧化钛（TiO2）薄膜，可以实现强大的光限制，从而使转换效率从10%大幅提高到90%。2、通过这种简单而强大的方法，完全克服了现有技术中阻碍超透镜商业化的图案和材料限制。本研究的制造方法得益于成熟和著名的纳米压印光刻工艺，因此不需要任何额外的技术。由于标线、主印章和复制品模具都是可重复使用的，因此超透镜可以快速复制，具有很高的可持续性。作为一个概念验证，本研究展示了一个金属片集成的VR设备的原型，能够显示每种颜色（红色（R）、绿色（G）和蓝色（B））的虚拟图像。1、任何用于高性能元表面的元原子的材料的折射率（n）必须足够高以限制光线。本研究的主要目的是通过使用压印树脂本身作为元原子来简化制造过程；然而，树脂的折射率（~1.5）太低，无法有效地限制光线。因此，本研究在印刷的树脂结构上涂上一层高折射率的薄膜，形成一个高折射率的原子层-聚合物混合元原子，从而增加元表面的有效折射率（图2a）。由于TiO2的高折射率和在可见区的低消光系数，它被用作涂层材料。2、在这项研究中，全相位调制是利用具有各向异性的元原子的几何相位实现的。元原子应作为半波板运行以确保高转换效率。考虑到制造的可行性，本研究通过改变宽度从70到200纳米，长度从260到400纳米，高度从500到900纳米和厚度从0到40纳米来模拟元原子的转换效率。由于高度和厚度对转换效率的影响至关重要，因此计算并绘制了每个高度和厚度下的最大效率（图2b）。3、结果表明，在波长为532纳米时，高度为900纳米、厚度为23纳米、长度为380纳米、宽度为70纳米的元原子达到了最高的转换效率，即89.6%（图2c）。此外，设计的元原子具有宽带特性，在532和450纳米（68.2%）以及635纳米（79.7%）表现出很高的效率。正如预期的那样，在所有三个波长（即450、532和635纳米）的最大转换效率随着厚度的增加而明显提高，这证实了高折射率涂层增强了有效折射率（图2d）。最后，本研究通过实验证实，设计的元原子在532、635和450纳米的转换效率分别为77.8%、64.8%和60.9%。▲图3|使用ArF浸入式扫描仪大规模生产高效可见超透镜图3a中显示了制造过程的示意图。本研究使用电子束光刻技术为ArF浸入式扫描仪编写了一个4X的光标。使用分辨率为40纳米的ArF浸入式扫描仪，669个直径为1厘米的金属片的模具在12英寸的硅片上被连续曝光。然后通过连续的沉积和蚀刻过程将曝光的光刻胶的图案转移到硅片上，形成一个主模（图3b-d）。一个坚硬的聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）溶液被涂在母模上并固化，以复制元表面。其具有高模量（约10 N mm-2）和70 nm的高分辨率。然后将由PDMS组成的柔性缓冲层涂在h-PDMS层上，形成复制品模具（图3e）。压印树脂被滴在复制的模具上，并覆盖在玻璃基材上。MINS-311RM因其低表面能、低收缩率（<5%）和相对较高的折射率而被用作紫外线固化的压印树脂。压印树脂在压力和紫外光的照射下完全固化。释放复制的模具在玻璃基底上形成树脂纳米结构。由于压印树脂的表面能量较低，树脂纳米结构可以很容易地从复制的模具中分离出来，而不需要进行任何表面处理。然后通过ALD在打印的树脂纳米结构上涂上一层薄薄的TiO2（图3f,g），这样就可以从4英寸到12英寸的玻璃片上可伸缩地压印超透镜（图1）。1、使用定制的测量仪器，本研究通过对聚焦性能的表征来评估制造的超透镜的性能。本研究在不同的波长下，测量了x-z平面上焦点的强度曲线（图4a）。RGB波长下的焦距和相应的NA与模拟结果一致，观察到的变化可以忽略不计。衍射效率可与转换效率直接相关，在450、532和635纳米处的衍射效率也被描述为40.9%、55.6%和44.6%。 2、模拟的转换效率和测量的衍射效率之间的差异可以通过改进和优化设计和制造工艺来解决。焦平面上的归一化强度分布与相应的斯特勒比（SR）一起展示在图4b，c中。在不同的波长下，每个SR值都接近统一（在450、532和635纳米时分别为0.81、0.90和0.86），表明该透镜作为一个理想的衍射受限的成像系统。3、本研究在设计波长下对理想的衍射受限成像系统和实验的金属恩斯成像系统的MTF曲线进行了比较（图4d）。空间频率使用2×NA/λ的截止频率进行归一化，这表示NA值和波长限制了空间分辨率。在所有三个波长下，测量的超透镜的MTF曲线与理想的衍射限制超透镜的曲线相似。在过去的20年里，人们对替代衍射光学的超透镜进行了深入研究；然而，由于现有商业制造工艺的限制，它们的商业化尚未实现。本研究通过引入一种简单而强大的方法来实现厘米级超透镜的低成本和高通量的大规模生产，充分解决了这一长期存在的挑战。本研究的方法依赖于ArF浸入式扫描仪、纳米压印光刻技术和ALD，这得益于成熟和著名的半导体制造方法。一个分辨率为40纳米的ArF浸入式扫描仪被用来制造一个12英寸的主印章，用于生产厘米级的可见超透镜。使用纳米压印光刻技术，以极低的成本将母版图案复制到衬底上。最后，通过ALD沉积一层高折射率材料的薄涂层，以增加有效折射率。这种薄涂层明显提高了印刷的超透镜在所有三个波长的转换效率：450纳米（68.2%），532纳米（89.6%）和635纳米（79.7%）。大量生产的超透镜在450、532和635纳米的衍射效率分别为40.9%、55.6%和44.6%。这种方法在实验室环境中可靠而有效地大量生产了数百个厘米级的超透镜。本研究的可扩展的制造方法在所有的主要评价指标上都显示出优于传统的制造方法，并在材料方面保持高度的自由度。作为概念验证，本研究展示了一个金属丝集成的VR设备的原型。这个轻量级、小尺寸的VR设备可以显示RGB颜色的虚拟信息。本研究的方法也可以应用于各种元表面的大规模生产，包括连续体中的束缚状态、生物传感器、彩色印刷和全息图。本研究相信，这项工作将使超表面的工业生产成为可能。https://www.nature.com/articles/s41563-023-01485-5