| ▌ARMS 在納米光刻及結(jié)構(gòu)色研究中的應(yīng)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(yīng)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(shí)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(jì)圖
| 本文作者復(fù)旦大學(xué)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(shí)現(xiàn) 3D 納米結(jié)構(gòu)的這一缺陷，成功的實(shí)現(xiàn)人造蝴蝶翅膀及其絢麗的色彩效應(yīng)。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(jìn)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(xì)節(jié)。
【樣品 & 測試】人們普遍認(rèn)為大閃蝶翅膀的藍(lán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)成像
| PMMA/Air 結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性通過光譜測量手段來表征。用于模擬蝴蝶翅膀藍(lán)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(lán)色波段有明顯的強(qiáng)反射峰。藍(lán)色的反射峰在正負(fù) ±10° 范圍內(nèi)保持不變，相比于蝴蝶翅膀具有更好的角度獨(dú)立性，這一情況是因?yàn)槿嗽斓钠瑢咏Y(jié)構(gòu)有很強(qiáng)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(lán)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(yán)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(yīng)用價值。
圖4，文章中作者對復(fù)享光學(xué)（ideaoptics）參與光學(xué)實(shí)驗(yàn)測試工作的致謝
| 文章中作者對于樣品光學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)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(fù)享光學(xué)（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(fù)享光學(xué)參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與角分辨光譜測量工作進(jìn)行了致謝。 【總結(jié)】本文詳細(xì)的描述了作者近在 3D 納米片層制造過程中所取得的進(jìn)展。作者采用了一種標(biāo)準(zhǔn)的自上而下的電子束光刻技術(shù)對 PMMA/LOR 多層結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fù)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(yīng)用研究提供了有效技術(shù)手段。▌
【參考文獻(xiàn)】
? Zhang, S, et al. "Lithographically-generated 3D lamella layers and their structural color." Nanoscale 8.17(2016):9118. Link | 
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