中國粉體網訊 據報道，近日，一支由日本東京農工大學（Tokyo University of Agriculture and Technology）的研究人員組成的團隊在IEEE Sensors Journal期刊上發(fā)表了基于單晶硅八角形納米柱的可見光波長微光學線發(fā)生器超構透鏡（metalens）的最新論文，該論文的研究結果表明，硅基超構表面在可見光波段的光學傳感器中具有廣闊的應用前景。
基于等離子體和介電機制，超構表面（metasurface）已被成功應用于太赫茲（THz）和千兆赫茲（GHz）波段的先進微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器。由于最近微加工技術的進步，超構表面還被用于光學波長的各種應用，包括超構表面透鏡（超構透鏡）、全息術、波片、光柵和功能光學器件等。
材料選擇是超構表面設計和制造中需要考慮的一個重要方面。對于射頻應用，金屬材料是首選，因為它們能夠利用等離子體共振且具有高效率。然而，近年來，介質材料由于其無損特性在光學頻率方面受到了越來越多的關注，而歐姆損耗已成為金屬材料的一個問題。這個問題在傳輸模式中至關重要。
硅因其高折射率和低消光系數(shù)而常被用于紅外波段。在可見光和紫外線區(qū)域，人們通常使用在該波長范圍內透明的寬帶隙材料。然而，由于帶隙和折射率之間通常存在負相關，因此優(yōu)先考慮透明度會降低折射率，從而給制造工藝帶來挑戰(zhàn)。換句話說，為了獲得完整的2π相位覆蓋，超構表面變得更厚，并且需要高縱橫比的制造工藝。這使得MEMS傳感器和超構表面的集成變得困難。
需要注意，由于單晶硅（c-Si）是一種間接躍遷半導體，因此即使在波長小于帶隙的情況下（直至約500 nm），它的消光系數(shù)也不會顯著增加。最近的研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化設計尺寸，由c-Si制成的超構表面在可見光范圍內具有足夠的透射率。因此，由于與互補金屬氧化物半導體（CMOS）的兼容性，使用c-Si被認為是通過集成MEMS和超構表面來開發(fā)功能傳感器的一種實用方案。然而，c-Si超構表面需要精確的尺寸控制，以防止由于不需要的模式而導致透射率的降低。典型的點束型電子束光刻（EBL）系統(tǒng)能夠提供足夠的尺寸精度來完成這項任務，盡管其工作效率很低。
圖1 本研究提出并制造的超構透鏡的SEM圖像
本論文的研究表明，精確設計的由c-Si制成的納米柱可以應用于超構表面，并能取得令人滿意的結果，即使在可見光波段。作者們設計了四種線聚焦超構表面透鏡，以驗證可見光波段的硅納米柱超構透鏡性能的有效性。此外，結合電子束光刻中的字符投影（CP）和可變形狀束（VSB）模式，研究人員評估了批量生產和精度控制之間的兼容性。他們成功地獲得了由單晶硅納米柱構成的高效率線聚焦超構表面透鏡。在532nm波長下，提出的超構表面透鏡的參數(shù)如下：透鏡厚度為300nm；焦距為3.91mm；方形光闌為2mm；數(shù)值孔徑為0.25；實測透射率為38.4%~46.8%；焦點處測得的半峰全寬（FWHM）為3.68μm。
圖2 室內燈光下所制造超構透鏡的線聚焦演示
圖3 遠場激光線生成演示
圖4 超構透鏡的焦點觀測的設置示意圖
圖5 四種超構透鏡焦點位置的光強度和FWHM比較
該論文中提出的超構透鏡既可應用于遠場，也可應用于近場。對于線掃描光學應用，其應用范圍可從幾厘米到幾米。它還可應用于將光引導到狹小區(qū)域，例如單色儀的狹縫�；诠璨牧系目梢姽鈪^(qū)域光學元件的小型化和多功能技術為智能手機和可穿戴設備中的微型攝像頭提供了許多機會。例如，本論文研究中提出的高精度超構表面制造方法可應用于微型增強現(xiàn)實（AR）設備的開發(fā)。
論文信息：
S. Ikezawa, R. Yamada, K. Takaki, C. Ogawa and K. Iwami, "Micro-optical Line Generator Metalens for a Visible Wavelength based on Octagonal Nanopillars Made of Single-Crystalline Silicon," in IEEE Sensors Journal, 2022.
DOI: 10.1109/JSEN.2022.3186060
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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