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▌ARMS 在纳米光刻及结构色研究中的应用
对电子束纳米光刻技术形成的 3D 片层结构及其结构色的角分辨光谱表征


   电子束光刻      结构色      蝴蝶翅膀      光子晶体      角分辨光谱   

【概述】纳米光刻技术是制作纳米结构的基础,包括极紫外光刻技术、电子束光刻技术、纳米压印光刻技术等等,是纳米光子晶体、超材料、结构色、纳米器件等应用领域研究的前提。一篇发表于 Nanoscale,题为《Lithographically generated 3D Lamella layers and its structural color》的文章,报道了一种利用自上而下的电子束光刻技术加工的 3D 片层结构,实现了类似于 蝴蝶翅膀的结构及颜色 的模拟。
      
大闪蝶蝴蝶翅膀 SEM 图、本文所加工的 3D 片层结构 SEM 图及设计图
图1,大闪蝶蝴蝶翅膀 SEM 图、本文所加工的 3D 片层结构 SEM 图及设计图

本文作者复旦大学陈宜方教授通过电子束刻蚀与交替显影/溶解 (development/dissolution) 加工过程打破了电子束光刻技术难以实现 3D 纳米结构的这一缺陷,成功的实现人造蝴蝶翅膀及其绚丽的色彩效应。本文描述了作者近期在 3D 纳米片层制造过程中所取得的进展,利用上述方法将 PMMA/LOR 结构加工成 PMMA/Air 多层结构(图1),并通过角分辨光谱测量手段研究其颜色特性及技术细节。
      
      【样品 & 测试】人们普遍认为大闪蝶翅膀的蓝色颜色显示来自于圣诞树状的多层膜结构的多重反射(图1a)。为了模拟蝴蝶翅膀的结构,作者采用了电子束曝光的方式(electron beam lithography,EBL),对 PMMA/LOR 多层结构进行交替显影/溶解加工,最终形成 PMMA/Air 结构(图2)。PMMA/LOR 与 PMMA/Air 结构折射率的差异,是成功模拟蝴蝶翅膀颜色显示的关键因素。
      
自上而下的电子束光刻技术及交替显影/溶解加工过程及工艺参数优化
图2,自上而下的电子束光刻技术及交替显影/溶解加工过程及工艺参数优化

样品加工过程及相关参数如 图2 所示。首先,将 80nm 厚的 PMMA 及 120nm 后的 LOR 旋涂到硅基底上并进行烘烤,形成一个超晶格状的 PMMA/LOR 多层结构(图2a)。第二,通过一个电子束微影系统来完成电子束曝光。第三,在 22℃ 下进行交替显影/溶解过程(图2b-c)。图2d 为获得了经过加工过的光栅状 PMMA/LOR 多层结构。第四,利用 60% 的 CD-26 溶液溶解 PMMA 之间的 LOR 层(图2d-e),创建所需要的 PMMA/Air 多层结构。在 PMMA/LOR 的最初阶段,PMMA 在 MIBK:IPA(1:3)中显影处理60s,然后 LOR 在 40% 的 CD-26 溶液中溶解相同的时间。
      
3D 片层结构所形成结构色的光谱特性及光学成像
图3,3D 片层结构所形成结构色的光谱特性及光学成像

PMMA/Air 结构的光学特性通过光谱测量手段来表征。用于模拟蝴蝶翅膀蓝色的 PMMA/Air 结构(11层)形成的可见光谱如 图3a-b 所示,在 0~30° 入射光的情况下,样品的蓝色波段有明显的强反射峰。蓝色的反射峰在正负 ±10° 范围内保持不变,相比于蝴蝶翅膀具有更好的角度独立性,这一情况是因为人造的片层结构有很强的规律性引起的。通过调整 PMMA/Air 的厚度(15层)还可以产生绿色(图3c-d)。绿色样品与蓝色样品相比,绿色在更宽的角度上保持颜色不变。图3e 为白平衡严格矫正后的显微镜观察到的样品表面的颜色特性。上述成果证明了角分辨光谱在片层材料对结构色调制中的应用价值。
      
文章中作者对复享光学(ideaoptics)参与光学实验测试工作的致谢
图4,文章中作者对复享光学(ideaoptics)参与光学实验测试工作的致谢

文章中作者对于样品光学特性的实验研究,尤其是其中的颜色对角度依赖性(angle-resolved)的测试工作,均由复享光学(ideaoptics)提供的 角分辨光谱测量系统 来完成的。作者在文章中对复享光学参与实验设计与角分辨光谱测量工作进行了致谢。
【总结】本文详细的描述了作者最近在 3D 纳米片层制造过程中所取得的进展。作者采用了一种标准的自上而下的电子束光刻技术对 PMMA/LOR 多层结构进行交替显影/溶解加工,形成 PMMA/Air 多层结构,成功的模拟蝴蝶翅膀颜色的显示。优化工艺参数,为重复制造蝴蝶翅膀的片层结构提供了可能。文中可见光范围内的角分辨光谱表征为结构色的应用研究提供了有效技术手段。
      
      【参考文献】
       Zhang, S, et al. "Lithographically-generated 3D lamella layers and their structural color." Nanoscale 8.17(2016):9118.  Link 
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