專利名稱：一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超衍射材料加工及測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法。
背景技術(shù)：
由于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)無法傳輸倏逝波，因此其分辨力受限于衍射極限，只能達到入/2。具有光波超衍射傳輸和調(diào)控能力的人工結(jié)構(gòu)超材料是構(gòu)建超分辨成像的前提。而金屬介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)形式的超材料是超分辨成像重要組成材料。該材料可通過相鄰界面表面等離激元(SPs)的耦合放大，實現(xiàn)對攜帶高頻空間信息的倏逝波的定向耦合傳輸。目前，從國內(nèi)外該領(lǐng)域研究報道來看，在理論上已經(jīng)對超材料的對倏逝波的定向耦合傳輸現(xiàn)象進行 了系統(tǒng)分析，而現(xiàn)有的超材料實驗表征多集中在等效折射率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、透射/反射譜等方面，缺乏超材料超衍射光學(xué)特性(比如傳輸方向角度)量化表征方法和實驗驗證結(jié)果。例如，2009年美國加州大學(xué)研究小組利用納米線陣列構(gòu)成的超材料，采用掃描近場光學(xué)顯微鏡(SNOM)測試了其負折射聚焦效果，但是其焦斑尺寸約一倍波長左右，無法揭示材料的超衍射光學(xué)特性。超衍射材料光學(xué)特性表征的重要難點在于，倏逝波被束縛在材料內(nèi)部，傳統(tǒng)光學(xué)材料透射率測試等手段無法應(yīng)用，而近場掃描光學(xué)技術(shù)則面臨效率低、干擾大、操作困難等實際難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，通過納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離子體并耦合注入超材料，利用粗糙化超衍射材料表面將高頻倏逝波能量轉(zhuǎn)化到遠場進行測試分析。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，該方法的步驟如下步驟(I)、在透明基底上通過納米加工方法得到納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模。步驟(2)、通過平坦化工藝實現(xiàn)納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模的平坦化。步驟(3)、在已平坦化的納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模上沉積金屬介質(zhì)交替多層膜結(jié)構(gòu)材料。步驟(4)、通過刻蝕或研磨的方法實現(xiàn)表層薄膜材料的粗糙化，完成結(jié)構(gòu)制備。步驟(5)、通過光源照明狹縫或小孔，激發(fā)表面等離子體倏逝波光場，并交替耦合
到多層金屬介質(zhì)薄膜材料中，表面等離子體光場在金屬介質(zhì)膜層材料最外層形成特定分
布，并被粗糙化表面散射到遠場，通過物鏡和CCD觀測記錄。
A/2步驟(6)、最后根據(jù)公式計算得出超衍射材料的定向傳輸角度θ。
η
公式中d為峰值間距，h為金屬介質(zhì)交替多層膜結(jié)構(gòu)材料總厚度。所述步驟(I)中的掩模材料為不透光材料；所述的納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)的特征尺寸為 20nm 300nm。所述步驟(2)中平坦化工藝為化學(xué)機械拋光或旋涂聚合物等方法；所述平坦化層厚度為lnm 50nm 。所述步驟(3)中的多層膜材料為金屬和介質(zhì)交替薄膜；所述多層膜材料的每層厚度為Inm 30nm。所述步驟(4)中刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕或離子束刻蝕；所述表層薄膜材料的粗糙度(均方根值)為3 10nm。所述步驟(5)中測試光路的光源為白光或激光。所述光源照明可采用平行光或聚焦的光束照明。本發(fā)明的原理在于
本發(fā)明公開了一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，該方法首先
是在透明基底上通過納米加工方法得到納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模；通過平坦化工藝實現(xiàn)納米
狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模的平坦化；然后在已平坦化的納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模上沉積金屬介質(zhì)交
替多層膜結(jié)構(gòu)材料；通過刻蝕或研磨的方法實現(xiàn)表層薄膜材料的粗糙化，完成結(jié)構(gòu)制備；
然后通過光源照明狹縫或小孔，激發(fā)表面等離子體倏逝波光場，并交替耦合到多層金屬介
質(zhì)薄膜材料中，表面等離子體光場在金屬介質(zhì)膜層材料最外層形成特定分布，并被粗糙化
A12
表面散射到遠場，通過物鏡和CXD觀測記錄；最后根據(jù)公式4=arc電7，計算得出超衍射
h
材料的定向傳輸角度Θ。公式中d為峰值間距，h為膜層總厚度厚度。本發(fā)明將高頻倏逝波能量轉(zhuǎn)化到遠場進行探測和分析，可滿足超衍射材料光學(xué)特性在遠場范圍的量化分析及表征需求。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下優(yōu)點( I)、現(xiàn)有針對超材料超衍射光學(xué)特性表征的方法都集中在近場范圍內(nèi)，測試手段較為單一。為了解決上述問題，本發(fā)明通過納米單縫結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離子體并耦合注入超材料，利用粗糙化超材料表面將高頻倏逝波能量轉(zhuǎn)化到遠場進行測試分析。(2)、本發(fā)明測試分析方法簡單，不需要復(fù)雜的測試分析設(shè)備，外界干擾小。


圖I是超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是超衍射定向傳輸材料的測試光路示意圖；圖3是實施例I中CXD采集獲得的實驗結(jié)果圖片；圖中1、透明基底；2、納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模；3、平坦化層；4、金屬薄膜層；5、介質(zhì)薄膜層；6、光源；7、可調(diào)衰減片；8、聚焦透鏡；9、超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)；10、物鏡；11、成像透鏡；12、CCD。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于以下實例，應(yīng)包含權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。實施例1，利用本發(fā)明實現(xiàn)Ag/Si02超衍射材料定向傳輸角度為70. 2。的結(jié)構(gòu)制備及測試分析。(I)選擇直徑為25. 4mm雙面精拋光的石英玻璃作為透明基底，在此透明基底上利用納米加工方法得到縫寬為80nm的單縫結(jié)構(gòu)Cr掩模，Cr掩模厚度為40nm ；(2)通過旋涂PMMA實現(xiàn)納米單縫結(jié)構(gòu)掩模的平坦化，并通過反應(yīng)離子刻蝕方法將PMMA平坦化層厚度控制在20nm，刻蝕功率為5W，刻蝕氣體為O2，刻蝕氣體流量為10SCCM ；(3)然后在已平坦化的納米單縫結(jié)構(gòu)掩模上通過表面電子束蒸發(fā)沉積方法沉積Ag/Si02超衍射多層膜材料，Ag層 層數(shù)為8層，SiO2層層數(shù)為7層，且每層膜厚均為20nm ；(4)通過反應(yīng)離子刻蝕的方法實現(xiàn)表層超衍射材料的粗糙化，刻蝕功率為100W，刻蝕氣體為CHF3，刻蝕氣體流量為10SCCM，粗糙化后粗糙度(均方根值)為3. Inm ；(5)將加工得到的上述結(jié)構(gòu)放置于測試光路(如圖2所示)中，光源為532nm激光器；通過CXD采集獲得器件表面的光場信息，如圖3所示，兩根亮線峰值間距d為I. 78 μ m ;(6)最后根據(jù)公式冶得出超衍射傳輸方向角度為70. 2°，公式中Θ為
h
超衍射材料的定向傳輸角度，d為峰值間距，h為膜層總厚度。
權(quán)利要求
1.一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于該方法的步驟如下 步驟(I)、在透明基底上通過納米加工方法得到納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模； 步驟(2)、通過平坦化工藝實現(xiàn)納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模的平坦化； 步驟(3)、在已平坦化的納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模上沉積金屬介質(zhì)交替多層膜結(jié)構(gòu)材料； 步驟(4)、通過刻蝕或研磨的方法實現(xiàn)表層薄膜材料的粗糙化，完成結(jié)構(gòu)制備； 步驟(5)、通過光源照明狹縫或小孔，激發(fā)表面等離子體倏逝波光場，并交替耦合到多層金屬介質(zhì)薄膜材料中，表面等離子體光場在金屬介質(zhì)膜層材料最外層形成特定分布，并被粗糙化表面散射到遠場，通過物鏡和CCD觀測記錄； 步驟(6)、最后根據(jù)公式計算得出超衍射材料的定向傳輸角度Θ，公式 h中d為峰值間距，h為金屬介質(zhì)交替多層膜結(jié)構(gòu)材料總厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于所述步驟(I)中的掩模材料為不透光材料；所述的納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)的特征尺寸為 20nm 300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于所述步驟(2)中平坦化工藝為化學(xué)機械拋光或旋涂聚合物等方法；所述平坦化層厚度為lnm 50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于所述步驟(3)中的多層膜材料為金屬和介質(zhì)交替薄膜；所述多層膜材料的每層厚度為Inm 30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于所述步驟(4)中刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕或離子束刻蝕；所述表層薄膜材料的粗糙度均方根值為3 10nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于所述步驟(5)中測試光路的光源為白光或激光。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，其特征在于所述光源照明可采用平行光或聚焦的光束照明。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超衍射定向傳輸材料結(jié)構(gòu)制備后的測試分析方法，在透明基底上通過納米加工方法得到納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模；在已平坦化的納米狹縫或孔結(jié)構(gòu)掩模上沉積金屬介質(zhì)交替多層膜結(jié)構(gòu)材料；通過刻蝕或研磨的方法實現(xiàn)表層薄膜材料的粗糙化，完成結(jié)構(gòu)制備；然后通過光源照明狹縫或小孔，激發(fā)表面等離子體倏逝波光場，并交替耦合到多層金屬介質(zhì)薄膜材料中，表面等離子體光場在金屬介質(zhì)膜層材料最外層形成特定分布，并被粗糙化表面散射到遠場，通過物鏡和CCD觀測記錄；最后計算得出超衍射材料的定向傳輸角度θ。本發(fā)明將高頻倏逝波能量轉(zhuǎn)化到遠場進行探測和分析，可滿足超衍射材料光學(xué)特性在遠場范圍的量化分析及表征需求。
文檔編號G01N1/28GK102879360SQ20121032552
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者羅先剛, 王長濤, 趙澤宇, 高平, 胡承剛, 黃成 , 楊歡, 蒲明薄, 陶興, 姚納 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所