纳米光波导的光学特性及其在近场光刻中的应用

发布时间：2018-10-19 09:03

【摘要】：表面等离子体是入射的电磁波与金属表面的自由电子相互耦合形成的表面电磁模,一般来说,它可分为局域表面等离子体和传播型表面等离子体。本论文的工作集中在探索局域表面等离子体和传播型表面等离子体的应用,数值模拟并实验研究了脊形纳米小孔的近场光刻和等离子体波导的传输特性。我们的研究展现了脊形纳米小孔在低成本、高分辨率近场光刻中优异性能,拓展了表面等离子体在微纳光学领域的应用。本论文取得的主要成果如下：1、论文数值计算了金属银膜中蝴蝶结形纳米小孔的透射光谱,并指出透射谱中多个谐振峰具有不同的共振特性：法布里帕罗(F-P)共振和等离子体共振,其中F-P共振由金属膜厚主导而等离子体共振则对小孔的间隙尺寸更敏感。这些现象揭示了谐振效应背后的物理机制也提供了有效的调谐蝴蝶结形纳米小孔的方法。我们还制备样品进行实验验证,实验结果与模拟结果高度吻合,这证实了模拟结果的正确性也佐证了我们对于小孔谐振特性的理解。2、利用数值模拟和实验测试系统对比了用于近场接触光刻的C形纳米小孔和常规形状小孔的光斑对比度和场强分布,结果表明C形纳米小孔在保证高传输效率和高光斑对比度的情况下获得纳米级精度上具有非常显著地优势。除此之外,我们模拟了不同金属材料中不同脊长的C形纳米小孔在近场光刻中的表现以对小孔参数进行优化。3、采用背加工方法,制备了间隙仅为10.12纳米的蝴蝶结形纳米小孔并进行了静态曝光实验和动态扫描曝光实验,静态光刻时得到了精度为21纳米的单点,动态扫描光刻时得到了精度高达18纳米的线,这是小孔近场光刻所能达到的非常的精度。另外,数值仿真了不同轮廓尺寸和间隙大小的蝴蝶结形纳米小孔在近场光刻中的场强分布和光斑对比度。模拟结果显示轮廓尺寸对于光斑对比度影响甚微但对透射光强度作用明显,轮廓尺寸越小光强越强。小孔的间隙越小光强越强,但对光斑对比度的影响较复杂。我们的数值和实验结果清晰地展示了蝴蝶结形纳米小孔在高精度近场扫描光刻中的应用潜力。4、提出了一种新型的混合等离子体波导的设计方案,它由介质纳米管和金属楔角组成。我们进行了非常全面的数值模拟分析,相应的计算结果表明新型波导具有较低的传输损耗和极强的光场约束能力。我们还给出了制备该波导的具体工艺流程。除此之外,我们还分析了可能出现的工艺误差如不准确的楔角圆弧半径和纳米管与金属楔的水平对齐误差对波导中混合等离子体模式特性的影响。讨论结果显示新型波导结构对这些误差的容忍度非常高,基本不影响最后的传输模式。这种新型的波导在许多功能型纳米光子器件如无源器件、等离子体激光器和等离子体谐振器中具有非常巨大的应用前景。5、改进了金属楔形波导结构制备工艺,相比之前的方法,新流程具有较高的加工精度和成功率。数值模拟分析了不同楔角的楔形等离子体波导的传输特性,我们发现楔形等离子体在楔形侧边表面传输并呈多峰瓣分布,而且楔角越大,波导的最佳激发波长越大、耦合效率越高、传输损耗也越低。我们研究了将楔形尖角变为圆弧的情况,发现表面等离子体的场强有所降低。为了提高波导的激发效率,我们还提出了在波导中加入激发端,设计了光栅和三角形的激发结构并模拟仿真进行了对比。最后我们讨论了结构缺陷对楔形等离子体波导的传输特性的影响,计算结果显示楔形两边的传输模互相独立,缺陷结构会导致楔形等离子体模式的不对称分布。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN252

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本文编号：2280696