| ▌ARMS 在納米光刻及結(jié)構(gòu)色研究中的應用 對電子束納米光刻技術(shù)形成的 3D 片層結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)色的角分辨光譜表征
電子束光刻 蝴蝶翅膀 光子晶體 角分辨光譜
【概述】納米光刻技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，包括極紫外光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)、納米壓印光刻技術(shù)等等，是納米光子晶體、超材料、結(jié)構(gòu)色、納米器件等應用領(lǐng)域研究的前提。一篇發(fā)表于 Nanoscale，題為《Lithographically generated 3D Lamella layers and its structural color》的文章，報道了一種利用自上而下的電子束光刻技術(shù)加工的 3D 片層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了類似于 蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)及顏色 的模擬。
圖1，大閃蝶蝴蝶翅膀 SEM 圖、本文所加工的 3D 片層結(jié)構(gòu) SEM 圖及設(shè)計圖
| 本文作者復旦大學陳宜方教授通過電子束刻蝕與交替顯影/溶解 （development/dissolution） 加工過程打破了電子束光刻技術(shù)難以實現(xiàn) 3D 納米結(jié)構(gòu)的這一缺陷，成功的實現(xiàn)人造蝴蝶翅膀及其絢麗的色彩效應。本文描述了作者近期在 3D 納米片層制造過程中所取得的進展，利用上述方法將 PMMA/LOR 結(jié)構(gòu)加工成 PMMA/Air 多層結(jié)構(gòu)（圖1），并通過角分辨光譜測量手段研究其顏色特性及技術(shù)細節(jié)。
【樣品 & 測試】人們普遍認為大閃蝶翅膀的藍色顏色顯示來自于圣誕樹狀的多層膜結(jié)構(gòu)的多重反射（圖1a）。為了模擬蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)，作者采用了電子束曝光的方式（electron beam lithography，EBL），對 PMMA/LOR 多層結(jié)構(gòu)進行交替顯影/溶解加工，終形成 PMMA/Air 結(jié)構(gòu)（圖2）。PMMA/LOR 與 PMMA/Air 結(jié)構(gòu)折射率的差異，是成功模擬蝴蝶翅膀顏色顯示的關(guān)鍵因素。
圖2，自上而下的電子束光刻技術(shù)及交替顯影/溶解加工過程及工藝參數(shù)優(yōu)化
| 樣品加工過程及相關(guān)參數(shù)如 圖2 所示。首先，將 80nm 厚的 PMMA 及 120nm 后的 LOR 旋涂到硅基底上并進行烘烤，形成一個超晶格狀的 PMMA/LOR 多層結(jié)構(gòu)（圖2a）。第二，通過一個電子束微影系統(tǒng)來完成電子束曝光。第三，在 22℃ 下進行交替顯影/溶解過程（圖2b-c）。圖2d 為獲得了經(jīng)過加工過的光柵狀 PMMA/LOR 多層結(jié)構(gòu)。第四，利用 60% 的 CD-26 溶液溶解 PMMA 之間的 LOR 層（圖2d-e），創(chuàng)建所需要的 PMMA/Air 多層結(jié)構(gòu)。在 PMMA/LOR 的初階段，PMMA 在 MIBK:IPA（1:3）中顯影處理60s，然后 LOR 在 40% 的 CD-26 溶液中溶解相同的時間。
圖3，3D 片層結(jié)構(gòu)所形成結(jié)構(gòu)色的光譜特性及光學成像
| PMMA/Air 結(jié)構(gòu)的光學特性通過光譜測量手段來表征。用于模擬蝴蝶翅膀藍色的 PMMA/Air 結(jié)構(gòu)(11層)形成的可見光譜如 圖3a-b 所示，在 0~30° 入射光的情況下，樣品的藍色波段有明顯的強反射峰。藍色的反射峰在正負 ±10° 范圍內(nèi)保持不變，相比于蝴蝶翅膀具有更好的角度獨立性，這一情況是因為人造的片層結(jié)構(gòu)有很強的規(guī)律性引起的。通過調(diào)整 PMMA/Air 的厚度（15層）還可以產(chǎn)生綠色（圖3c-d）。綠色樣品與藍色樣品相比，綠色在更寬的角度上保持顏色不變。圖3e 為白平衡嚴格矯正后的顯微鏡觀察到的樣品表面的顏色特性。上述成果證明了角分辨光譜在片層材料對結(jié)構(gòu)色調(diào)制中的應用價值。
圖4，文章中作者對復享光學（ideaoptics）參與光學實驗測試工作的致謝
| 文章中作者對于樣品光學特性的實驗研究，尤其是其中的顏色對角度依賴性（angle-resolved）的測試工作，均由復享光學（ideaoptics）提供的 角分辨光譜測量系統(tǒng) 來完成的。作者在文章中對復享光學參與實驗設(shè)計與角分辨光譜測量工作進行了致謝。 【總結(jié)】本文詳細的描述了作者近在 3D 納米片層制造過程中所取得的進展。作者采用了一種標準的自上而下的電子束光刻技術(shù)對 PMMA/LOR 多層結(jié)構(gòu)進行交替顯影/溶解加工，形成 PMMA/Air 多層結(jié)構(gòu)，成功的模擬蝴蝶翅膀顏色的顯示。優(yōu)化工藝參數(shù)，為重復制造蝴蝶翅膀的片層結(jié)構(gòu)提供了可能。文中可見光范圍內(nèi)的角分辨光譜表征為結(jié)構(gòu)色的應用研究提供了有效技術(shù)手段。▌
【參考文獻】
? Zhang, S, et al. "Lithographically-generated 3D lamella layers and their structural color." Nanoscale 8.17(2016):9118. Link | 
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