通过介电超表面实现等强度光束生成的演示

本方案提供了一种详细的制备方法，用于实现高效率超构表面，这是超构表面研究领域中最重要的问题之一。与其他用于测试原子层沉积的方法相比，该技术是一种低成本、快速制备可见光波段高效超构表面的方法。通过改变图案结构，该方案可广泛应用于制备各类通用超构表面，如透镜、全息图和光学钟等。

该技术可为利用硅微纳结构的硅基光子学研究领域提供深入见解。超表面的基底材料为熔融石英。准备一块边长为两厘米、双面抛光且洁净的方形熔融石英基底。

将基底放入PECVD系统中。在装载锁腔室内，将基底放置在夹具上。关闭腔室并准备运行系统。

在控制软件中，通过设定温度、射频功率、气体流速和工艺压力来设置沉积过程。沉积过程约需300秒，完成后取出样品。将沉积有非晶硅氢化物的样品转移至匀胶机。

将样品装载到甩胶机的样品托上。接着，取一支装有含2% anusol的PMMA的带滤器5毫升注射器，在启动旋转前将PMMA涂覆在样品表面，然后以2,000 RPM转速旋转一分钟。

完成后，将样品转移至加热板上。在180摄氏度下烘烤样品5分钟。随后，取出样品冷却1分钟，再继续后续操作。

然后将样品放回旋涂仪中。使用1 mL移液器在其表面滴加导电聚合物溶液。以2,000 RPM转速旋涂1分钟。

当镀膜完成后，将样品用于电子束光刻。将样品固定在设备的夹具上，然后将夹具放入设备的腔室中，完成装载过程。

继续操作控制台，并为实验步骤准备电子束光刻系统。系统准备就绪后，在连接至控制台的计算机上进行操作。在该系统中，使用命令行将 GDS 文件转换为 CEL 文件。

文件转换完成后，输入 job 以启动电子束光刻（EBL）软件。使用命令行检查所需图案是否已保存为当前目录下的 CEL 格式文件。输入 job 以运行该软件。

在软件中，点击芯片尺寸修改菜单。选择 600 微米 × 600 微米。接下来，选择 240,000 个点。

保存更改，然后退出此界面。现在点击图案数据创建菜单。

在命令窗口中输入 PS 以加载该模式的 CEL 文件。在命令窗口中输入 I。然后单击该模式以放大图像。

现在在命令窗口中输入 ST0，将剂量时间设置为三微秒。输入 SP11，将曝光间距设置为正常状态。通过输入 PC 命令及文件名来创建一个 CCC 文件。

完成后，单击图案中心。要应用曝光条件，请在命令窗口中输入 CP，然后单击该图案。输入 SV 及文件名以创建 CON 文件。

输入 Q 以退出此模式数据创建菜单。继续点击曝光菜单，输入 I 和选定的 CON 文件名，将剂量值设置为 2.4。

按下退出按钮以完成排程。然后输入 E 并单击曝光按钮以开始曝光过程。当曝光过程结束后，返回电子束光刻控制台。

将隔离按钮转至关闭位置。按下 EX 按钮以移动载物台，然后从腔室中取出样品。

接下来，准备去除导电聚合物。将样品浸入50毫升去离子水中，持续一分钟。然后将样品转移至由冰包围的10毫升甲基异丁基酮与异丙醇混合溶液中。

12 分钟后，取出样品并用异丙醇冲洗，然后用氮气吹干。下一步需要使用电子束蒸发仪。

将样品固定在蒸发仪的样品托上，并将样品托安装到蒸发室内。然后取出待用于蒸发仪的铬。将块状铬放入石墨坩埚中，准备将其蒸发至样品表面。

将坩埚装入腔室。接着操作电子束蒸发仪的软件，点击腔室抽气按钮，以在腔室内创建真空。

在材料部分，选择铬。然后点击材料按钮以应用所选材料。点击电子束快门按钮以打开光源快门。

接下来，点击高压。然后点击光源，使用向上箭头缓慢增加光束功率。

达到目标沉积速率后停止。要重置厚度计，请点击归零按钮。点击主快门按钮以打开该快门。

监测厚度仪。当厚度仪显示达到30纳米时，点击主快门按钮以关闭快门。点击电子束快门以关闭源快门。

使用向下箭头缓慢将光束功率降低至零。降至零后，依次点击光源和高压。让腔体冷却15分钟，然后点击放气。

将样品从腔室和样品托上取下，随后进行剥离处理。首先，将其浸入50毫升丙酮中三分钟。

随后在40千赫兹条件下超声处理一分钟。用异丙醇冲洗样品，并用氮气吹干。此时，样品已准备好进行刻蚀。

获取导热胶，并在将样品安装到刻蚀系统的夹具上之前，将其涂抹在样品背面。将夹具装入刻蚀系统中。在计算机上设置氯气和溴化氢气体的流量、源功率和偏压，然后进行100秒的刻蚀。

蚀刻完成后，取出样品。使用无尘布去除热胶。将样品浸入 20 毫升铬蚀刻液中，持续两分钟。

然后将其转移至50毫升去离子水中处理一分钟。用去离子水冲洗样品，并用氮气吹干。这是一张超表面顶部的扫描电子显微镜图像。

每个细胞的底面尺寸为 150 纳米 × 80 纳米，细胞高度为 300 纳米。该俯视图中可观察到细胞的更多细节。

当532纳米激光束入射到超表面上时，测量光束功率的实验展示了该器件的偏振无关特性。对于右旋圆偏振光束、线偏振光束和左旋圆偏振光束，在正一阶和负一阶衍射级次中的功率均相等。使用635纳米激光束进行的实验也得到类似结果。

显影步骤是最重要的一步，因为反应速度较慢，我们可以精确控制显影过程。大多数失败发生在干燥步骤中。应牢记，通常强吹气效果优于弱吹气。

该方法不仅适用于一般的介电超表面，还可用于硅基光子学和微电子机械系统。通常，我们可通过此技术制备精细的纳米结构，从而为研究光与某些波长尺度结构之间的相互作用提供途径。PMMA 和显影液蒸气均具有危害性，因此涉及这些物质的操作必须在通风橱中进行。