关于超表面设计和加工过程中折射率的界定

玻色子

本人刚接触超表面，最近在整理文献的时候，发现我们超透镜设计中经常提到：“高折射率材料和高深宽比有助于积累相位。”但是似乎并没有找到对这个“高”有界限的描述，所以有两点疑惑的地方，烦请各位大佬不吝赐教。
1. 到底多高的折射率材料算高折射率？

2. 多高的深宽比算高深宽比？
3. 另外，如果这个问题没有统一答案的话（没有界定，可能有种单谈毒性不谈剂量的感觉），那对于纳米压印的加工方式而言，上述两个问题会有答案吗？

菠萝籽

大概是在21年的文章中看到的“在 550 nm 以下的短波长，可以选用 TiO2 ，其折射率可达 到 2.5；而在 550 nm 以上的光波段，可以采用 a-Si， 其折射率高达 3.0”。应该要考虑特定波段的材料介电常数。也刚刚接触超表面，但是现在看来确实是材料折射率越高越好，高折射率意味着在小尺寸就可以实现2pi的相位变化了。但是受到波长，材料，加工手段等的影响，限制了实际应用。纳米压印了解很少，好像还没看到过做超表面的。

玻色子

菠萝籽 发表于 2024-6-20 15:27
大概是在21年的文章中看到的“在 550 nm 以下的短波长，可以选用 TiO2 ，其折射率可达 到 2.5；而在 550 nm ...

感谢大佬回复，确实受制于材料折射率和深宽比限制，目前是为了降低成本想尝试看看纳米压印方案能不能走。我也是对纳米压印能在这方面达到的程度知之甚少，目前国内市面上的相关纳米压印设备，声称深宽比能达到10：1，只公布了几个材料，也没有查到能加工的材料折射率范围是多少，网上的信息获取难度还是比较大orz。我感觉目前是不是纳米压印就算能用也只能在几何相位上做一些应用，传输相位对材料折射率和深宽比要求还是要更高一些？

菠萝籽

玻色子 发表于 2024-6-25 10:54
感谢大佬回复，确实受制于材料折射率和深宽比限制，目前是为了降低成本想尝试看看纳米压印方案能不能走。 ...

对纳米压印了解很少，但是现在大多数会把传输相位和几何相位叠加在一起吧？

Lambda

纳米压印完全可以啊，纳米压印的前提是得先把母版加工出来，只要不是搞得什么拓扑优化超透镜，一般周期结构都能压印出来，不过具体特征尺寸还得看你压印设备的精度。另外，得明确一点，纳米压印和光刻其实还不太一样，压印胶体只是中间材料，找到符合你设计折射率的胶体还是比较难的，所以你得通过后续的各向异性刻蚀将胶体转移到诸如TiO2一类的材料上，例如使用ICP刻蚀等。通过NIR去降低制备加工成本，理论上可行，但是得考虑 你加工规模有多大，能不能稀释母版制造的成本以及图形保真的接受程度

Lambda

个人理解，折射率也好，深宽比也罢。以你提到的传输相位为例，nanopillar的phase shift 由 k*(neff)*h所提供，对于同一工作波长下的目标相位分布，你通过调节材料本身折射率 或者说调节pillar的宽度得到的neff越高，深宽比就越小，反之亦然。
所以你想要通过NIL进行批量制造，你可以用逆向设计，先看刻蚀的可选择材料，再看纳米压印机器的最大深宽比，然后再进行设计相关的相位调制工作。

Lambda

8″ wafer-scale, centimeter-sized, high-efficiency metalenses in the ultraviolet，可以看一下这篇文章 团队，他们还做了NIR VISIBLE的metalens纳米压印

玻色子

菠萝籽 发表于 2024-7-6 14:26
对纳米压印了解很少，但是现在大多数会把传输相位和几何相位叠加在一起吧？
...

您有看到相关的文献吗？可以麻烦您发一下名字吗？

玻色子

Lambda 发表于 2024-7-9 15:17
纳米压印完全可以啊，纳米压印的前提是得先把母版加工出来，只要不是搞得什么拓扑优化超透镜，一般周期结构 ...

"压印胶体只是中间材料，找到符合你设计折射率的胶体还是比较难的，所以你得通过后续的各向异性刻蚀将胶体转移到诸如TiO2一类的材料上，例如使用ICP刻蚀等"，请问这句话指的是加工母版吗？

Lambda

玻色子 发表于 2024-7-10 10:57
"压印胶体只是中间材料，找到符合你设计折射率的胶体还是比较难的，所以你得通过后续的各向异性刻蚀将胶 ...

复制件。打个比方，你设计的metalens，纳米柱为TiO2材料（n~=2.5）的时候能够满足相位调控，而且已经制备出了母版。你想要做纳米压印，但是纳米压印胶的折射率只有1.9，那怎么办？先在硅片上镀一层TiO2的衬底（厚度一般为纳米柱的最大高度），然后在上面甩纳米压印胶，这样一共就三层（基底-TiO2沉底-纳米压印胶）。对于你的母版，通过翻模制备成PDMS反模具，然后在纳米压印胶上压出图案，这个图案就是和你的设计结构1:1的。最后，使用RIE ICP等干法刻蚀进行图案转移，假设你的胶体和TiO2的刻蚀选择比是1:1，当你的胶体刻完的时候，就能在TiO2衬底上完成图案的转移。 不知道你能不能理解这个思想，这样你就可以不用很困难地去选匹配折射率的纳米压印胶体（前提是衬底材料能够被刻蚀）。