ブロードバンドかつ高音質

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7454 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ナノ切り紙メタサーフェスは、三次元 (3D) ナノ加工の容易さ、多彩な形状変換、魅力的な操作能力、およびナノフォトニクスデバイスにおける豊富な応用可能性により、ますます注目を集めています。本研究では、ナノ切り紙法を用いて二重スプリットリング共振器（DSRR）に面外自由度を付加することで、近赤外波長帯における広帯域かつ高効率の直線偏光変換を実証します。具体的には、2 次元 DSRR プリカーサーを 3D プリカーサーに変換すると、1160 ～ 2030 nm の広いスペクトル範囲で 90% を超える偏光変換率 (PCR) が実現されます。さらに、垂直方向の変位を意図的に変形したり、構造パラメータを調整したりすることで、高性能かつ広帯域の PCR を容易に調整できることを示します。最後に、概念実証のデモンストレーションとして、ナノ切り紙作製方法を採用することで提案を検証することに成功しました。研究されたナノ切り紙ベースの多形性DSRRは、多機能を備えた一連の個別のバルク光コンポーネントを模倣するため、相互の位置合わせの必要性がなくなり、新たな可能性が開かれます。

ナノ切り紙メタサーフェス 1 は、汎用性の高い形状変換手法に基づいた多形サブ波長人工ナノ構造で構成されており、従来の 3 次元 (3D) ナノ製造に新たな自由度をもたらすだけでなく、再構成可能なホログラム 2 の分野でも並外れた可能性を示します。 3、フラクタル依存の光渦4、ファノ共鳴メタマテリアル5、6、7、円二色性の反転8、9など。特に、ナノ切り紙 1,10,11 は、二次元 (2D) 前駆体から、垂直変位や空間屈曲を伴う 3D 変形ナノ構造への高度な形状変化を可能にし、電磁波の振幅、位相、偏光を操作する新しいアプローチを提供します。マイクロスケール/ナノスケール領域の波。これに関して、ナノ切り紙構造の変形は、空気圧 12、機械的圧縮 7,13、電子バイアス 14,15、磁気作動 16、熱膨張 17 などの外部刺激によって引き起こされます。その中でも、グローバル集束イオンビーム (FIB) 照射による引張応力は、永久的な構造変化を誘発する容易な方法として承認されています。

一方、追加の面外ジオメトリにより、多用途のナノ切り紙ジオメトリによりメタサーフェスのパフォーマンスが向上する可能性があります。たとえば、偏光変換は、多くの科学研究システムにおいて偏光状態を操作する素晴らしい能力を発揮します。従来の偏光コンバータの主なカテゴリには、光学活性結晶、液晶、およびファラデー効果が含まれます18、19、20、21、22、23、24、25。それにもかかわらず、これらのデバイスは多かれ少なかれ、かさばる、低効率、狭い帯域幅、複雑な製造などの問題を抱えています。メタサーフェスは、これらの欠点を克服する理想的なプラットフォームを提供します。光の偏光は、メタ表面のサブ波長の厚さのメタ原子を操作することによって任意に制御できます。メタサーフェスの利点を活かし、極薄で広帯域かつ高効率な偏波変換器の実現が期待されています。

今回我々は、ナノ切り紙メタサーフェスを用いることにより、近赤外波長における広帯域かつ高効率な偏光変換を実現したことを報告する。局所的な浮遊ナノフィルムをエッチングすることにより、多形二重スプリットリング共振器 (DSRR) と豊かな物理特性を備えたメタ表面が実現されます。シミュレーションと実験の両方から、2D DSRR メタ表面には局在ギャッププラズモンの 2 つの狭いバンドがあり、これらが融合して 3D 上向き変形 DSRR 構造内で広帯域かつ高効率の偏光変換が形成されることが示されています。偏光変換率（PCR）の値は1160～2030nmの波長範囲で90％以上に達します。このようなナノ切り紙ベースのメタ表面で実証された広帯域かつ高効率の偏光変換は、超小型で集積化された光電子デバイスの用途に役立つ可能性がある。

私たちが提案するナノ切り紙は、図1に示すように、古典的なDSRRメタサーフェスに基づいています。異方性DSRR構造は、他の閉ループ形状と比較して比較的容易に変形できる典型的な開ループ構造です。これは、上部の厚さ 60 nm の金膜、中間の厚さ 300 nm の SiO2 立方体支持体、および下部の Si 誘電体層で構成されています。ここで、シリコン基板が十分に厚いと、近赤外波長での反射が強化されます。中央のナノスリットの円形形状の連続的な曲率変化により、安定した構造変形を引き起こすことができます。図 1 は、2D 構造からの 2 つの狭帯域の共振がマージされて、3D 変形構造の場合に広帯域偏光変換を形成する動作原理を概略的に示しています。

ナノ切り紙ベースの DSRR メタサーフェスの広帯域直線偏光変換応答の概略図。 PCR スペクトルの場合、2D 構造は 2 つの狭いバンドを示しますが、3D 変形構造は広帯域で高効率の変換を備えています。

図2aに示すように、平面DSRRメタ原子は幅60 nmの螺旋状の空気スリットを備えて設計されています。螺旋状の空気スリットの内半径（ｒ）は０．３１μｍである。角度（α）は４０°、周期（ｐ）は０．８μｍである。ここでは、ナノ構造の光学応答が有限要素ソフトウェア COMSOL によってシミュレートされています。周期的な境界条件が xy 平面に適用され、完全に一致した層の境界条件が z 軸に使用されます。図2bに示すように、x直線偏光（LP）法線入射の下では、平面DSRRは近赤外波長領域で2つの明確に定義された共偏光および交差偏光の光共振を示します。図２ｂに示すように、共偏光反射Ｒｘｘは、波長１２００〜２２００ｎｍの帯域幅において交差偏光反射Ｒｙｘよりもはるかに大きい。図2bの2つの共鳴は、図2cに示すように、らせん状の空気スリット内に閉じ込められた局在ギャッププラズモンによって引き起こされます。

(a) 2D 構造と (d) 変形された 3D DSRR メタサーフェスの単位セルの概略図。 (b) および (e) は、x 偏光垂直入射 (交差偏光反射 Ryx、共偏光反射 Rxx) での提案された 2D および 3D ナノ構造の反射スペクトルです。スペクトルの共鳴に従って、波長 1080、2020 nm での電場分布を図 (c) と (f) にプロットします。

以前に開発した二層応力分布モデル9を適用することで、設計したDSRRの応力と高さの関係を計算し、所望のナノ構造を得ることができます。 2D DSRRナノ構造に応力を加えると、図2dに示すように、ナノ構造はz方向に沿って「ドア」を開き、垂直変形を引き起こします。最大高さは 380 nm です。このような場合、構造の面外自由度が追加され、構造の光共振を調整するために使用できます。明らかに、図2eに示すように、変形した3D状態では、1200〜2200 nmの帯域幅でRxxはRyxよりもはるかに小さくなります。その結果、x 偏光の法線入射光は、反射後に交差偏光に効率的に変換されます。これは、変形した構造では鏡面対称性が破れ、その結果キラルな光学応答が生じ、光と物質の相互作用が変化するという事実によるものです。一方、3Dナノ構造は元の局在プラズモン共鳴モードを破壊し、図2bの2つの狭帯域共鳴の共鳴波長が重なり、スペクトル線が広がります。図2fは、局在表面プラズモンモードが消失しているステレオナノ構造の電場分布を示しています。ここで、ナノスリットに入射する斜めの光は、異なる回折角の反射光を生成します。 10度未満の斜め入射角の入射光の場合、構造のPCRスペクトルはわずかに変化しますが、大きすぎる入射角は結果に深刻な影響を与えます（補足図S1に示すように）。

偏光変換の原理を物理的に理解するために、図2dに示すように、x-LP垂直入射光Eiをu方向とv方向の2つの成分EiuとEivに分解します。

反射波の電気成分は次のように書かれます。

ここで、ru = rueiφpu および rv = rveiφv は、それぞれ u 方向と v 方向の反射係数です。 DSRR メタ面の異方性特性により、Δφ =|φu − φv| のように、偏光の u 方向と v 方向の成分の伝播位相に差が生じます。反射係数の大きさと位相が条件 ru = rv および Δφ = 180°を満たす場合、式 (1) は次のようになります。 (2)は

私たちの場合、効率的な偏光変換を得る条件は、構造の面外変形によって得ることができます。

PCR は、提案された DSRR のパフォーマンスを評価するために使用されます。DSRR は次のように定義されます。

図 3a は、2D DSRR ナノ構造と 3D ナノ構造の PCR をプロットしています。 2D の場合、共鳴波長 1080 nm および 2020 nm で PCR ピーク値がそれぞれ 0.67 および 0.75 である 2 つの狭い帯域があることが明らかです。一方、2D 状態の PCR は、1250 ～ 1750 nm の波長では非常に低くなります。非常に興味深いことに、3D 変形 DSRR ナノ構造の場合、PCR は 1200 ～ 2200 nm の広い波長範囲で 0.9 より大きくなります。

(a) PCR スペクトル、および (b) 提案された 2D および 3D メタ表面の 1500 nm における xy 平面内の対応する Ey 分布。 (c) 予荷重応力と 3D DSRR ナノ構造の垂直高さとの間の計算された関係。最適化されたパフォーマンスを取得するために、(d) 垂直高さ、(e) 半径 (r)、(f) 中間ラジアン角 (α) の変化に関する 3D ナノ切り紙メタサーフェスの PCR 応答を調査します。

PCRは、図3bに示すように、xy平面内のy成分電場Eyの分布からも理解できます。２ＤＤＳＲＲナノ構造の場合、Ｅｙは、１５００ｎｍの波長で対角線のｖ軸およびｕ軸に関してそれぞれ奇数対称および偶数対称を示すことが分かる。このような場合、遠方界の Ey は非常に小さいため、PCR は非常に低くなります。ただし、3D ナノ構造の場合、Ey は 1500 nm の波長で xy 平面の座標原点に関して対称さえ示します。したがって、遠方界のＥｙは非常に大きく、それによりＰＣＲは非常に高くなる。

3D DSRR のパフォーマンスは、パラメーターとジオメトリ形状にも影響されます。図 3c は、予荷重応力と 3D DSRR ナノ構造の垂直高さの関係を示しています。図 3d の結果は、PCR の値と帯域幅が身長とともに増加することを明確に示しています。これは、光学応答を調整する際の面外自由度の重要性を直接的に強調しています。高さを380 nmに固定したまま、さまざまなrおよびαパラメータをスイープすることに基づいて、対応する反射PCR振幅と帯域幅のシミュレーション結果を図3e、fにプロットします。 3D 変形 DSRR の場合、ナノ構造のデューティ比を増加するか、中間ラジアン角 α を減少させることが、PCR を改善し帯域幅を拡大するのに役立つ方法です。 2D DSRRの場合、補足情報の図S2にプロットされているように、異なる構造パラメータrとαは、偏光変換の小さな帯域幅の摂動で動作波長をシフトします。これらの研究に基づいて、実験準備のために r = 310 nm および α = 40° の構造パラメータを選択しました。

実験的な実証では、図4aに示すように、高線量の集束イオンビーム（FIB）照射を使用して、個々のDSRRメタ原子を直接形成できます。ウェットエッチングプロセスの後、中央の SiO2 層がエッチングされて除去され、局所的に吊り下げられた 2D DSRR アレイが形成されます。図4bは、0°と45°の視野角での2D DSRRアレイのSEM画像を示しています。作製したメタサーフェスの全体サイズは 25 μm × 25 μm です。続いて、全体的な低線量 FIB 照射を使用して、ナノ切り紙原理によって 2D パターンを 3D メタサーフェスに変形します 1,9,10。図 4c、d は、さまざまな状況における変形した DSRR の個別表面とメタ表面を示しています。実験的に作製されたナノ構造は、理論的に設計された構造とよく一致していることがわかります。

シミュレートされた DSRR ナノ構造の実験的デモンストレーション。 (a) および (c) それぞれ 0° および 45° の透視角で見た、(a) 2D および (c) 3D DSRR の単位セルの概略図および SEM 画像。 (b) および (d) 異なる透視視野角での、対応する 2D および 3D 変形ナノ切り紙メタサーフェスの SEM 画像。スケールバー: 1 μm。

測定用のLP光は、補足情報の図S3に示すように、光源の後ろとサンプルの前に直線偏光子を追加することで得られます。光源の入射偏光は x 方向に沿って設定されます。別の直線偏光子が x (y) 方向に沿った検出光路に配置され、共偏光 (交差偏光) の反射信号 Rxx (Ryx) が測定されます。 2Dメタサーフェスについて、実験的測定と理論的シミュレーションの結果をそれぞれ図5a、bに示します。実験的に測定されたスペクトルは、理論上のシミュレーションと基本的に一致しています。図5aは、実験的に測定されたRxxがスペクトル範囲全体にわたってRyxよりも大きいことを示しています。図 5a に示すように、Ryx は 0 に近いです。したがって、2D メタサーフェスの PCR は非常に低いと結論付けることができます。図 5c、d は 3D DSRR の結果です。実験的に測定された Ryx は、スペクトル範囲全体にわたって Rxx よりも大きいことがわかります。広帯域交差偏波反射は、1000 ～ 2200 nm の波長で発生します。この場合、DSRRの面外変形により、近赤外波長領域において広帯域かつ高効率な偏波変換が実現されます。測定（図5c）とシミュレーション（図5d）の間のわずかな違いは、主にGa+イオンの注入下で誘発される可能性のある材料損失によって引き起こされます。 FIB 照射後、照射領域は表面粗さと屈折率に関してわずかに変更され、シミュレーションにおける理想的な材料パラメータと比較して光学特性に影響を与えます28。広帯域偏光変換を備えたこのようなメタサーフェスは、多層ナノ加工の複雑な製造プロセスを回避し、偏光制御デバイスに大きな価値を提供します29、30、31、32、33、34、35。

実験結果と理論結果の比較。 x 偏光励起下で、それぞれ挿入図の 2D および 3D DSRR メタサーフェスの (a)、(c) 測定スペクトル、(b)、(d) シミュレーションされたスペクトル。

本研究では、DSRRメタ原子を活用し、ナノ切り紙原理に基づく近赤外波長帯における高効率かつ広帯域の直線偏光変換を実現しました。作製された 2D メタ表面は、ギャップ内の局在表面プラズモンによって引き起こされる、入射偏光方向と直交する反射偏光を持つ 2 つの共鳴バンドを示します。ナノ切り紙後の 3D DSRR の面外変形により、局在表面プラズモンの応答が調整されます。その結果、動作帯域は交差偏波反射の広帯域に変換され、LP入射時の近赤外波長領域で高い効率が得られます。 3D 構造の場合、PCR は 1160 ～ 2030 nm (147 ～ 256 THz) の波長範囲で 90% 以上であり、これは 36、37、38、39、40 で報告されている他の広帯域偏波コンバータと比較して有利です (補足情報の表 1)。ナノ切り紙の作製方法を採用することで、実証実験が成功していることは明らかです。多形性 DSRR ナノ構造は、バルク光学コンポーネントを超小型で統合されたオプトエレクトロニクス構成に置き換えることができる新しいメタ表面を導き出します。たとえば、再構成可能なメタサーフェスは、上部の金属と下部の導電性基板の間にバイアス電圧を導入することで容易に実現でき、これにより静電力を生成して下方への変形の高さを動的に調整できます（補足情報の図S4を参照）。外部バイアス電圧の増加に伴い、共振モードの波長を調整することができ、その場合、動作波長と偏光変換の PCR を動的に設計することができます。

この研究の結果を裏付けるすべてのデータは、論文内で、または合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

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中国国立自然科学財団からの助成金 (61975016、12204041)。広東省科学技術プロジェクト (2020B010190001); 北京市自然科学財団 (1212013 および Z190006)。中国ポスドク科学財団の助成金 (2021M700436)。著者らは、FIB 施設への支援と有益な議論について北京工業大学分析試験センターに感謝します。

先端光電子量子アーキテクチャおよび測定の主要研究室 (教育省)、北京工業大学物理学部、ナノフォトニクスおよび超微細光電子システムの主要研究室、北京、100081、中国

Xing Liu、Xiaochen Zhang、Weikang Dong、Qinghua Liang、Chang-In Ji、Jiafang Li

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XL が実験を考案して原案を書き、XL、XZ、WD、QL が実験を実施して結果を分析し、CJ と JL が原稿を修正しました。著者全員が原稿をレビューしました。

Chang-In Ji または Jiafang Li との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Liu, X.、Zhang, X.、Dong, W. 他ナノ切り紙ベースのメタサーフェスによる広帯域かつ高効率の偏波変換。 Sci Rep 13、7454 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34590-1

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受信日: 2023 年 3 月 28 日

受理日: 2023 年 5 月 4 日

公開日: 2023 年 5 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34590-1

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