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          ETH Zurich Norris教授課題組:3D納米直寫技術助力任意形貌六方氮化硼(hBN)納米3D結構的制備

          教育裝備采購網 2021-06-16 11:44 圍觀7108次

            【引言】

            六方氮化硼(hBN)單晶納米片的原子平滑表面,為光電應用領域帶來了革命性的突破。在納米光學方面,hBN的強非線性、雙曲線色散和單光子發射等特性,為相應的光學和量子光學器件帶來一些性能。在納米電子學領域,良好的物理,化學穩定性和較寬的禁帶,使hBN成為二維電子器件的關鍵材料。目前,對hBN的研究重點局限于二維扁平結構,尚未涉其3D立體結構對性能的影響。如果能根據需求對hBN納米片的高度做出相應調整,將為下一代光電器件中調節光子流,電子流和激子流等性能提供一個有效的方法。

            【成果簡介】

            近日,Norris教授課題組利用3D納米直寫技術和反應離子刻蝕的方法制備出可任意調控形貌的hBN納米3D結構。此類hBN納米3D結構在光電子器件研究領域尚屬次。得意于3D納米結構高速直寫機(NanoFrazor)在光刻膠上能實現亞納米精度的加工,Norris教授課題組運用該方法制備了光電子學相板、光柵耦合器和透鏡等元件。獲得的元件通過后續組裝過程制備成高穩定、高質量的光學微腔結構。隨后,通過縮小圖形長度比例的方法,引入電子傅里葉曲面,在hBN上實現復雜的高精度微納結構,展現了NanoFrazor在3D納米加工領域的潛力。

            【圖文導讀】

            圖1. 使用NanoFrazor制備hBN納米3D結構流程圖

          ETH Zurich Norris教授課題組:3D納米直寫技術助力任意形貌六方氮化硼(hBN)納米3D結構的制備

          (a)左圖為利用NanoFrazor在光刻膠表面上實現3D結構制備,右圖為通過反應離子刻蝕方法將光刻膠上的3D結構轉移到hBN的流程;(b)Mandelbrot分形圖案刻蝕在光刻膠上的結果。黑色代表圖形的至高處,白色為至低處;(c)光刻膠上的Mandelbrot分形圖案通過圖(a)中的過程轉移到hBN上的結果;(d)圖(c)中hBN的SEM(傾轉30o)表征結果。

            圖2. 利用NanoFrazor在hBN上制備任意形貌的納米3D結構

          ETH Zurich Norris教授課題組:3D納米直寫技術助力任意形貌六方氮化硼(hBN)納米3D結構的制備

          (a)白色中線左側為準備的高密度圖形樣圖,右側為通過NanoFrazor將高密度圖形轉移到hBN后的實際結果;(b)將圖(a)中的圖形轉移到hBN后的SEM表征結果;(c)AFM測量圖(a)中紅色虛直線所示部分的表面形貌;(d)hBN納米3D結構的高分辨成像,左下角厚度為95 nm,右上角厚度為50 nm;(e)AFM測量hBN中高密度方形結構(29 nm)周期性圖樣結果,體現了NanoFrazor對制備結構的高度可控性;右上角插圖是該周期性結構的快速傅里葉變換(FFT)結果。

            圖3. 利用NanoFrazor制備的hBN光學微納元件

          ETH Zurich Norris教授課題組:3D納米直寫技術助力任意形貌六方氮化硼(hBN)納米3D結構的制備

          (a)在130 nm厚hBN上制備螺旋相位板陣列的光學表征結果;(b)單個螺旋相位板的AFM結果;(c)具有球形輪廓的hBN微透鏡光學顯微照片;(d)微透鏡理論圖樣(左側)和實際制備結果(右側)比較;(e)光學微腔的示意圖,頂鏡、底鏡、hBN微透鏡(藍色)和帶橫向限制(黑色箭頭)的腔模式(紅色);(f)擁有hBN微透鏡的微腔角分辨光譜結果;(g)根據制備的微腔幾何結構所計算的橫向Ince-Gaussian模分布結果;(h)測量的橫向Ince-Gaussian分布結果。

            圖4. hBN上制備的電子傅里葉曲面

          ETH Zurich Norris教授課題組:3D納米直寫技術助力任意形貌六方氮化硼(hBN)納米3D結構的制備

          (a)具有六邊形晶格的電子傅里葉曲面位圖;(d)將兩個六邊形晶格與一個在平面上旋轉10°的晶格疊加而成的位圖;(g)兩個疊加的六邊形晶格的位圖,周期分別為55和47 nm,無平面內旋轉;(j)將九個位圖分別在平面內旋轉0、20、40、60、80、100、120、140和160°后的疊加效果;(b)、(e)、(h)、(k)為使用NanoFrazor在光刻膠上制備(a)、(d)、(g)、(j)中圖形時所獲得的結果;(c)、(f)、(i)、(l)、是把(b)、(e)、(h)、(k)中的圖案刻蝕在hBN上的AFM測量結果;(a)-(l)中的插圖代表著相應圖案的FFT結果。

            【小結】

            本文利用NanoFrazor的3D納米直寫技術在hBN上實現了復雜高精度納米3D結構的制備,為光電器件性能的應變調控和能帶結構調控帶來了新的研究方向。這一研究結果表明,NanoFrazor在開拓雙曲線超材料、化電子、扭轉電子、量子材料和深紫外光電器件等領域新的研究方向上有著重要的作用。 

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