Американский коллектив ученых предлагает печатный метод изготовления трехмерных структур «nanotransfer printing». Статья, посвященная этой теме, опубликована в свежем выпуске журнала Nature Nanotechnology.

Электромагнитная волна, распространяющаяся в метаматериале, имеет противоположно направленные вектор Пойнтинга (связывается с переносом энергии) и волновой вектор (связывается с направлением распространения электромагнитной волны). Диэлектрическая и магнитная проницаемости в определенном частотном диапазоне принимают отрицательные значения.

Метаматериалы представляют собой композиционные периодические структуры, свойства которых определяются не столько свойствами входящих в состав компонентов, сколько самой микроструктурой. Такую структуру можно рассматривать как сплошную для длин волн, заметно превосходящих размер составляющих ее элементов и расстояние между ними.

Примером материала с отрицательным показателем преломления в ближнем ИК диапазоне являются чередующиеся слои «металл-диэлектрик-металл» общей толщиной порядка 100 нм со сквозными отверстиями размерами от 100 до 500 нм и периодом порядка 500 нм, изготовленные методом ионно-лучевой литографии. Достоинством метода является его прекрасная разрешающая способность в микрометровом диапазоне вплоть до 0.01–0.02 мкм, что хорошо согласуется с параметрами рельефа структуры. Однако медленная скорость формирования рельефа и сложность технологического процесса, который необходимо повторять каждый раз для получения нового образца, затрудняют производство таких структур, в особенности, если их размеры достаточно велики.

Американский коллектив ученых предлагает печатный метод изготовления трехмерных структур «nanotransfer printing». Статья, посвященная этой теме, опубликована в свежем выпуске журнала Nature Nanotechnology. В работе была получена 11-ти слойная структура площадью 6,5 см² со сквозными отверстиями, эффективный показатель преломления Re(n)=-7 на длине волны излучения 2,4 мкм (рис.1).

Рис. 1а. Этапы изготовления шаблона.

На рис.1а схематически показаны основные этапы предложенной технологии. Сначала необходимо изготовить шаблон-печать, который в дальнейшем может быть многократно использован для нанесения (печати) желаемой структуры на подложку. Для изготовления шаблона используется метод литографии (soft nanoimprint lithography), с помощью которого формируют рельеф на кремниевой заготовке (рис.1b слева).

Рис. 1b. СЭМ изображение шаблона (слева), СЭМ изображение шаблона с нанесенной 11-ти слойной структурой (по центру), внешний вид полученной структуры (справа).

Глубина протравленных в кремниевой заготовке отверстий – 1 мкм, период структуры 850 нм. Когда шаблон готов, на него методом электронно-лучевого напыления из газовой фазы (electron beam evaporation, physical vapor deposition) наносятся слои Ag (30 нм) и MgF₂ (50 нм), в общей сложности 11 чередующихся слоев толщиной 430 нм (рис.1b по центру).

Рис. 1с. СЭМ изображения шаблона с нанесенной 11-слойной структурой (слева и по центру), нанесенная на подложку структура (справа).

Толщина наносимого слоя из Ag и MgF₂ меньше глубины отверстий в шаблоне и напыляемые материалы оседают преимущественно на верхней плоской поверхности шаблона, хотя небольшая часть может осесть на стенках отверстий. Для облегчения процесса печати к напыленной структуре прикладывается слой папиросной бумаги, которая пропитывается 5% раствором плавиковой кислоты HF (рис.2).

Рис. 2. Процесс печати.

Затем на шаблон прикладывается подложка из полидиметилсилоксана (polydimethylsiloxane, PDMS): на подложке делается «оттиск» чередующихся «продырявленных» слоев серебра и фторида магния – структуры с отрицательным показателем преломления (рис.1b справа). При необходимости напечатанную структуру можно перенести на другую подложку. Остатки материала удаляются из шаблона, чтобы подготовить его к очередному кругу печати. В отличие от литографии, достоинством предложенной технологии являются низкие рабочие температуры и отсутствие тепловой и химической деградации материала, а также возможность печати на подложках большой площади.

Рис. 3. © – образцы, полученные с помощью одного и того же шаблона, (d) – СЭМ изображения образцов.

На рис. 3 показаны три копии многослойной структуры, сделанные с использованием одного и того же шаблона, и СЭМ изображения этих образцов, свидетельствующие об однородности структуры материала и практическом отсутствии дефектов. На рис.4 показаны экспериментальные графики зависимости коэффициентов пропускания и отражения от длины волны излучения для структуры, состоящей из 3-х слоев (рис.4a) и 11-ти слоев соответственно (рис.4b).

Рис. 4. Зависимость коэффициента пропускания (отражения) от длины волны для 3-х слойной (а) и 11-ти слойной структуры (b).

Как считают исследователи, полученные результаты свидетельствуют о перспективе применения данной технологии для изготовления трехмерных структур с отрицательным показателем преломления. Исследователи не исключают возможности комбинирования этой технологии с уже существующими (например, литографией).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Debashis Chanda, Kazuki Shigeta, Sidhartha Gupta, Tyler Cain, Andrew Carlson, Agustin Mihi, Alfred J. Baca, Gregory R. Bogart, Paul Braun & John A. Rogers Large-area flexible 3D optical negative index metamaterial formed by nanotransfer printing. – Nature Nanotechnology. – 6. – 402–407 (2011); doi:10.1038/nnano.2011.82; Published online 05 June 2011.