Un moulage de nanoréplication programmable pour la fabrication de dispositifs nanophotoniques

May 27, 2023

Rapports scientifiques volume 6, Numéro d'article : 22445 (2016) Citer cet article

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La capacité de fabriquer des structures périodiques avec des caractéristiques de sous-longueur d'onde a un grand potentiel d'impact sur l'optique intégrée, les capteurs optiques et les dispositifs photovoltaïques. Ici, nous rapportons un processus de moulage nanoreplica programmable pour fabriquer une variété de motifs périodiques sous-micrométriques à l'aide d'un seul moule. Le procédé utilise un moule étirable pour produire la structure périodique souhaitée dans un photopolymère sur des substrats en verre ou en plastique. Au cours du processus de moulage de la réplique, une force uniaxiale est appliquée au moule et entraîne des modifications de la structure périodique, qui réside à la surface du moule. La direction et l'amplitude de la force déterminent la géométrie du réseau, y compris la constante de réseau et la disposition. En étirant le moule, des matrices 2D avec des structures en treillis carrées, rectangulaires et triangulaires peuvent être fabriquées. A titre d'exemple, nous présentons un dispositif à cristal plasmonique avec des résonances plasmoniques de surface déterminées par la force appliquée lors du moulage. De plus, des dalles de cristal photonique avec différents modèles de réseau sont fabriquées et caractérisées. Ce processus unique offre la capacité de générer diverses nanostructures périodiques rapidement et à peu de frais.

Les nanostructures périodiques, telles que les réseaux de sous-longueur d'onde 1D et 2D, sont essentielles pour un large éventail d'applications optiques car elles contrôlent la propagation de la lumière et peuvent améliorer les interactions lumière-matière1. Ils sont exploités dans divers dispositifs photoniques, y compris les réseaux de diffraction, les polariseurs à grille métallique, les coupleurs de réseau, les lasers à rétroaction distribuée et les cristaux photoniques2,3,4,5. La fabrication de nanostructures périodiques a été limitée par la nécessité de travailler à une échelle sub-micrométrique ; les méthodes de lithographie conventionnelles, telles que l'utilisation du faisceau d'électrons et de l'ultraviolet profond, sont soit trop coûteuses, soit ont un débit insuffisant pour les fabrications à l'échelle de la plaquette. Pour résoudre ce problème, la lithographie interférentielle et la lithographie douce ont été appliquées avec succès6,7,8,9,10,11. La lithographie douce offre la possibilité de fabriquer des nanostructures périodiques peu coûteuses au rouleau à rouleau, par exemple, le motif d'un moule peut être transféré sur un matériau polymère photodurcissable à température ambiante par le processus de moulage de nanoréplication, sans avoir besoin de forces mécaniques importantes12,13,14.

Bien que la lithographie douce ait été couronnée de succès, un inconvénient est le coût élevé des moules. Pour introduire ou modifier une fonctionnalité, un nouveau moule doit être fabriqué. Pour faciliter la réalisation de différents motifs, et notamment de structures périodiques, des approches programmables ont été développées. Par exemple, le réglage thermique d'un substrat thermoplastique portant un nanomotif peut générer une variété de motifs à partir d'un seul moule15. Alternativement, Pokroy et al. ont profité de moules élastomères et flexibles pour générer des réseaux de nanopostes avec une variété de périodes à l'échelle du micromètre16.

Dans cet article, nous présentons divers cristaux plasmoniques et dalles de cristaux photoniques fabriqués par un procédé de moulage de nanoréplication programmable qui utilise un seul moule. Cette technique utilise l'étirement mécanique d'un moule élastique en polydiméthylsiloxane (PDMS) pour créer des structures périodiques avec différentes périodes et arrangements de réseau. Dans le même temps, il conserve les caractéristiques à haut débit et à faible coût de l'approche conventionnelle de moulage de nanoréplique. Lorsqu'une force est appliquée, la surface du moule PDMS s'ajuste à un profil de volume négatif de la structure périodique souhaitée. La reproduction de la forme du moule étiré dans un polymère durcissable aux UV (UVCP) donne des nanostructures programmables dans un processus peu coûteux et susceptible d'être mis à l'échelle. Suite au moulage des répliques, les structures périodiques réalisées peuvent être revêtues d'un diélectrique ou d'un film métallique fin ; quelques exemples sont le dioxyde de titane (TiO2), l'or et l'argent. Avec un revêtement d'argent de 100 nm d'épaisseur, les cristaux plasmoniques 2D fabriqués présentent des résonances plasmoniques de surface (SPR) dans la gamme spectrale de 410 nm à 570 nm. En utilisant le même moule PDMS, nous avons fabriqué des dalles de cristal photonique avec trois arrangements de réseau différents, à savoir des structures carrées, rectangulaires et triangulaires. Les dalles de cristal photonique utilisent un film de TiO2 de 160 nm d'épaisseur comme couche de confinement de la lumière. Enfin, les diagrammes de bande des dalles de cristal photonique fabriquées sont déterminés expérimentalement et comparés aux simulations de la théorie électromagnétique.

La figure 1 résume les principales étapes du processus de moulage de nanoréplique programmable. Les principales procédures de fabrication comprennent la préparation du moule, l'étirement du moule, le transfert de modèle et le démoulage. Dans un premier temps, un moule PDMS est reproduit à partir d'un tampon de verre rigide portant un réseau 2D de nanopostes avec un agencement de réseau carré et des périodes Λx = Λy = 300 nm. Le tampon de verre a été produit à l'aide d'un procédé d'impression thermique sur verre, rapporté précédemment17,18. Ensuite, le moule PDMS est étiré avec précision pour obtenir un motif en treillis pour un appareil particulier. Une force uniaxiale est appliquée au moule PDMS dans le plan parallèle à sa surface. Le long de la direction de la force (axe y), le réseau est étiré et sa période augmente. Par conséquent, le réseau est également compressé dans la direction x perpendiculaire et la période du réseau est réduite. De même, l'étirement du moule PDMS dans d'autres directions nous permet également de programmer la disposition du réseau. Comme le montre la figure 1, le moule PDMS peut être tiré le long d'une direction diagonale pour convertir le réseau carré d'origine en un réseau triangulaire. À partir d'un moule PDMS étiré, le motif périodique modifié est reproduit sur un substrat en verre ou en plastique par le processus de moulage par nanoréplication. Les détails du processus sont décrits ci-dessous dans la section expérimentale. En bref, une couche de matériau UVCP liquide est pressée entre le moule PDMS étiré et un substrat en verre ou en plastique. Lors de l'exposition à l'éclairage UV, l'UVCP se solidifie et se libère ensuite du moule PDMS.

Schéma du processus de moulage de nanoréplique programmable.

La figure 2(a) illustre schématiquement comment la géométrie de la nanostructure périodique est réglée pour produire différents types de réseaux. Les points bleus représentent les nanoposts du réseau carré non étiré avec une période de 300 nm. Lorsqu'une force uniaxiale est appliquée le long de l'axe des x, le réseau carré est remplacé par un réseau rectangulaire, comme le montre le réseau de points de couleur cerise. Les figures 2 (b – d) sont les images de microscopie électronique à balayage (SEM) de matrices triangulaires, carrées et rectangulaires répliquées, respectivement. Le réseau rectangulaire illustré à la figure 2 (d) a été fabriqué lorsque le moule PDMS était soumis à une contrainte de 40 %. La période du réseau augmente jusqu'à Λx = 420 nm le long de la direction de la force appliquée. Le réseau montre un léger retrait dans la direction perpendiculaire à la force, avec une période de Λy = 258 nm. Pendant ce temps, la section transversale des nanopostes passe de circulaire à elliptique ; cependant, les cycles d'utilisation de la structure périodique (taille de poste/période) restent inchangés. Lorsque le moule PDMS est étiré le long de la direction diagonale, il est possible de produire des réseaux périodiques avec un réseau triangulaire, illustré par le réseau de points orange sur la figure 2 (b). La figure 2 (b) montre la réplique fabriquée lorsque le moule PDMS était sous un étirement de 40 % le long de la direction de 45 ° par rapport à l'axe x. Avec un contrôle précis du degré et de la direction de l'étirement, le réseau triangulaire pourrait être réglé en un réseau hexagonal.

Schéma du processus de programmation du moule, en commençant par le troisième chiffre à partir de la gauche (a). Images SEM de réseaux nanopost avec réseau triangulaire (b), réseau carré (c) et réseau rectangulaire (d).

La capacité de programmer le réseau du réseau est particulièrement utile pour certains dispositifs nanophotoniques. A titre d'exemple, nous avons étudié des cristaux plasmoniques avec différents réseaux périodiques fabriqués en utilisant le procédé décrit ci-dessus. En raison des différentes géométries, ces réseaux présentent des résonances plasmoniques distinctes. La structure cristalline plasmonique, illustrée à la figure 3 (a), consiste en un réseau 2D répliqué de nanopostes avec un revêtement d'argent de 100 nm d'épaisseur et prend en charge les modes de résonance plasmonique de surface (SPR) couplés au réseau. La lumière d'excitation qui satisfait à la condition de résonance peut être couplée dans un mode SPR et peut être fortement absorbée. En conséquence, le spectre de réflexion présente un creux avec la réflectance minimale à la longueur d'onde SPR (λSP). La longueur d'onde de résonance peut être estimée à l'aide de l'équation :

(a) Schéma d'une dalle plasmonique recouverte d'argent. (b) Simulations pour 0 % et 25 % de déformation, par rapport aux données expérimentales. Les lignes continues noires représentent les résultats de mesure et les lignes pointillées rouges représentent les simulations.

où Λ est la période du réseau, (i, j) représentent les ordres de résonance de Bragg, et εm et εd sont les constantes diélectriques du métal et du milieu environnant, respectivement19,20. Étant donné que les SPR des cristaux plasmoniques sont déterminés par la période de réseau indiquée dans l'équation. 1, le processus de moulage de réplique programmable peut être utilisé pour régler finement le réseau périodique et obtenir la longueur d'onde souhaitée en mode SPR.

En fait, la longueur d'onde de résonance varie proportionnellement à la contrainte (∈) générée dans le moule PDMS par l'étirement uniaxial. Afin d'étudier expérimentalement la corrélation entre λSP et ϵ, nous avons répliqué 10 tableaux différents de nanoposts en plaçant le moule PDMS sous une gamme de contraintes (∈ = 0 %, 2,5 %, 5 %, 7,5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % et 35 %). Les réseaux 2D répliqués ont ensuite été recouverts d'un film d'argent de 100 nm d'épaisseur pour former les cristaux plasmoniques. Le même moule PDMS a été réutilisé 10 fois pour produire les dispositifs plasmoniques. Les spectres de réflexion des cristaux plasmoniques ont été mesurés pour identifier leurs longueurs d'onde de résonance. Une analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA) a été utilisée pour simuler ces spectres de réflexion. Les détails de la simulation et de la mesure sont discutés dans la section expérimentale. La figure 3(b) compare les spectres de réflexion mesurés et simulés de dispositifs fabriqués avec une déformation de 0 % et 25 %. Avec une contrainte de 0 %, le dispositif présente un creux de réflexion à λSP = 456 nm ; les modes SPR polarisés x et y coïncident en longueur d'onde car la structure du réseau est symétrique. Comme le montre la figure 4 (a), l'étirement appliqué pendant le moulage divise les modes de résonance polarisés différemment. Le mode SPR avec le champ électrique polarisé le long de l'axe x passe à des longueurs d'onde plus longues avec un étirement accru; le décalage est proportionnel au degré d'étirement. La compression correspondante le long de l'axe y amène le mode SPR polarisé y à se déplacer vers des longueurs d'onde plus courtes. Pour ϵ = 35%, les résonances plasmoniques sont décalées de 111 nm et -41 nm pour les polarisations x et y, respectivement. La figure 4(b) résume λSP en fonction de la contrainte pour les deux polarisations. Les longueurs d'onde de résonance mesurées sont ajustées par des lignes droites avec des pentes de λSP/ϵ = 3,13 et -1,14 nm/(% de déformation) pour les polarisations x et y, respectivement.

(a) Les creux de réflexion SPR pour les dalles plasmoniques fabriquées avec une contrainte de 0 %, 2,5 %, 5 %, 7,5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % et 35 %. La répartition entre les creux pour les polarisations x et y suit les écarts de période de réseau dans la direction x (allongement) et la direction y (compression). (b) Longueur d'onde de résonance plasmonique par rapport à la contrainte appliquée. Les creux SPR dans les directions étirées et compressées à partir des données expérimentales en (a) sont représentés par les points rouges et les carrés bleus, respectivement ; ajustements linéaires aux longueurs d'onde de résonance, par les lignes rouges continues et bleues en pointillés. Les barres d'erreur représentent l'écart type de 10 mesures prises à différents endroits sur l'échantillon.

Le contrôle du réseau dans le procédé de moulage de nanorépliques peut également être utilisé pour examiner et modifier le diagramme de bande photonique des dalles de cristal photonique. Dans cette étude, la dalle de cristal photonique est basée sur un guide d'ondes couplé à un réseau, également connu sous le nom de guide d'ondes à fuite. Le phénomène de résonance en mode guidé (GMR) pris en charge par cette structure fournit des résonances optiques à bande étroite3,21,22. Comme le montre la figure 5 (a), la dalle de cristal photonique consiste en un réseau 2D répliqué sur un substrat en verre, qui peut coupler la lumière dans et hors d'un guide d'ondes diélectrique à couche mince revêtu sur la surface du réseau. À une combinaison spécifique de longueur d'onde et d'angle d'incidence, le mode GMR peut être excité avec une réflectance de près de 100 %. Sur la base de l'équation du réseau de diffraction, la longueur d'onde GMR et l'angle de résonance peuvent être calculés à partir des équations : Enfin, n1, n2 et n3 représentent les indices de réfraction du superstrat, du matériau de la couche de réseau et du substrat, respectivement23,24. Comme les cristaux plasmoniques, les caractéristiques de résonance d'une dalle de cristal photonique dépendent également de la géométrie du réseau.

(a) Schéma de principe d'une dalle de cristal photonique avec un réseau rectangulaire. Spectres de transmission expérimentaux et simulés de dalles de cristaux photoniques lorsque les modes de résonance sont excités à partir de la direction normale, pour un réseau carré (b), rectangulaire (c) et triangulaire (d).

Ici, nous démontrons des dalles de cristal photonique avec trois arrangements de réseau différents, à savoir le réseau carré, rectangulaire et triangulaire. Les dalles de cristal photonique ont été fabriquées en utilisant l'approche de moulage de réplique programmable, suivie d'un revêtement avec une couche de TiO2 de 160 nm d'épaisseur (indice de réfraction n = 2,0). Les spectres de transmission ont été mesurés en utilisant une lumière à large bande dans la direction normale à la surface de l'échantillon. Comme le montre la figure 5 (b), la plaque de cristal photonique avec un réseau carré (Λx = Λy = 300 nm) montre deux modes GMR à 560,2 nm et 591,6 nm, représentant respectivement les modes polarisé TM et polarisé TE. Pour les modes polarisés TM, les composantes du champ électrique sont perpendiculaires à la modulation périodique, tandis que pour les modes polarisés TE, elles sont parallèles à la modulation. Du fait de la symétrie du réseau carré, la mesure de réflexion est indépendante de la polarisation de la lumière d'excitation. La figure 5(b) compare également la mesure à la simulation RCWA. L'écart entre les caractéristiques de résonance mesurées et simulées survient probablement parce que la simulation ne prend pas en compte la légère divergence de la lumière incidente.

Pour générer un réseau rectangulaire, le moule PDMS a été étiré avec une force uniaxiale le long de l'axe des x pour générer une déformation de 25 %. La structure de matrice répliquée montre deux périodes distinctes (Λx = 375 nm et Λy = 280 nm) le long de l'axe des x et de l'axe des y, respectivement. Comme le montre la figure 5 (c), la dalle de réseau rectangulaire présente deux modes polarisés TM à 634, 5 nm et 510, 1 nm correspondant aux périodes de matrice modifiées. Dans le même temps, il existe également deux modes polarisés TE situés à 677,2 nm et 535,5 nm. Ensuite, pour fabriquer une dalle de cristal photonique avec un réseau triangulaire (Fig. 2 (d)), le moule PDMS a été étiré le long de sa direction diagonale pour obtenir une déformation de 35 %. La transmission mesurée du cristal photonique à réseau triangulaire est illustrée à la figure 5 (d). À titre de comparaison, les courbes rouges de la Fig. 5 (c, d) représentent les spectres de transmission calculés à l'aide d'une simulation RCWA.

Pour étudier plus avant l'effet de l'arrangement du réseau, la dispersion des modes GMR en fonction de l'angle d'incidence a été étudiée. Les spectres de transmission ont été enregistrés lorsque l'angle d'incidence a été balayé le long des directions de haute symétrie, comme décrit dans la section expérimentale. Pour la dalle PC à réseau carré, les structures de bande photonique mesurées et simulées sont illustrées à la Fig. 6 (a). Lorsque l'angle d'incidence (θx) augmente du point Γ vers le point X, les modes polarisés TE et TM forment trois bandes. La bande "plate" centrale représente le GMR couplé à la lumière d'excitation à travers la modulation du réseau le long de la direction y. En revanche, les modes GMR couplés via la modulation de réseau le long de la direction x se divisent en deux bandes, une bande supérieure et une bande inférieure par rapport à leur longueur d'onde de résonance. La bande inférieure polarisée TE et la bande supérieure polarisée TM se croisent à θx = 15°. Lorsque l'angle d'incidence change le long de Γ-M, les modes GMR polarisés TE forment une bande supérieure et une bande inférieure. Les modes polarisés TM se ramifient en deux bandes supérieures et deux bandes inférieures.

( a, b ) Diagrammes de bandes photoniques simulés et mesurés pour la structure en réseau carré. ( c, d ) Diagrammes de bandes photoniques simulés et mesurés pour la structure en réseau rectangulaire. ( e, f ) Diagrammes de bandes photoniques simulés et mesurés pour la structure de réseau triangulaire.

La figure 6 (b) montre les structures de bande mesurées et simulées pour la dalle de cristal photonique rectangulaire avec l'angle d'incidence balayé du point Γ aux points X et M, respectivement. Lorsque l'angle d'incidence augmente du point Γ vers le point X, on observe deux bandes plates (une pour une bande TE et une pour une TM). Les bandes plates sont les modes GMR couplés via la modulation de réseau le long de la direction y. Les modes GMR couplés via la modulation dans la direction x sont situés dans une région de longueur d'onde plus longue car le réseau rectangulaire n'est pas symétrique et Λx est supérieur à Λy. Pour les polarisations TE et TM, les modes GMR se divisent en une bande supérieure et une bande inférieure. Du point Γ au point M, les quatre modes GMR forment deux bandes, résultant en huit bandes différentes. De même, la figure 6 (c) montre les diagrammes de bande photonique expérimentaux et calculés pour le dispositif avec un réseau triangulaire, où l'angle d'incidence est balayé du point Γ aux points X et M.

En résumé, cet article rapporte une méthode de moulage de nanoreplica programmable qui facilite la fabrication de dispositifs nanophotoniques à base de réseaux. À l'aide d'un seul moule PDMS, cette méthode de fabrication peut produire des structures de sous-longueur d'onde avec différents réseaux. Nous avons adopté le moule PDMS extensible, qui a été reproduit à partir d'un tampon de verre, pour fabriquer des nanostructures périodiques à l'aide d'un matériau UVCP sur un substrat en verre ou en plastique. Lors du moulage de la nanoréplication, le moule PDMS a été étiré avec précision pour produire la géométrie de réseau souhaitée. Des dispositifs nanophotoniques, y compris des cristaux plasmoniques et photoniques, ont été formés en enduisant des films minces métalliques ou diélectriques sur l'UVCP répliqué. Les résonances optiques de ces dispositifs ont été caractérisées expérimentalement et comparées aux résultats de simulation. Pour les cristaux plasmoniques, une longueur d'onde SPR de 456 nm a augmenté à 566 nm avec l'application d'une contrainte uniaxiale de 35 % pendant le moulage. La gamme des longueurs d'onde de résonance pourrait être encore plus grande avec un étirement accru, puisque le PDMS peut supporter jusqu'à 100 % de déformation25,26. Pour les dalles de cristal photonique, des filtres de réflexion avec trois géométries de réseau différentes ont été fabriqués. Des réseaux rectangulaires et triangulaires ont été obtenus avec succès à partir du réseau carré d'origine. Les diagrammes de bande photonique des trois dispositifs ont été mesurés et ont montré un bon accord avec les simulations.

Le tampon maître avec un réseau carré 2D (Λ = 300 nm) de poteaux de 150 nm de diamètre et une dimension globale de 50 mm × 50 mm a été fabriqué en utilisant la méthode d'impression thermique sur verre avec un moule vitreux préparé par carbonisation de précurseur de furane répliqué17,18. Le tampon maître verrier a été nettoyé et traité à l'aide d'un silane anti-adhérent (Repel Silane, GE Healthercare) afin de faciliter les réplications. Le moule PDMS a été fabriqué à partir du tampon maître par le durcissement thermique d'un mélange d'élastomère PDMS et d'agent de durcissement (dans un rapport volumique de 1:10) sur le tampon maître. L'épaisseur des moules en PDMS a été contrôlée à 2 mm. Après durcissement à 100 ° C pendant 4 heures, le PDMS solidifié a été décollé du tampon maître. Ensuite, le moule PDMS a été découpé en un rectangle d'une longueur de 50 mm et d'une largeur de 15 mm. L'orientation du réseau sur le moule PDMS a été identifiée et marquée. Au cours du processus de moulage de la réplique à base d'UV, le moule PDMS a été placé entre deux poignées séparées de L ~ 45 mm sur une scène personnalisée. L'une des poignées était fixe et l'autre était tirée horizontalement (le long de la direction x) par une étape de translation linéaire. Les valeurs de déformation induites par l'étape de translation, εx = Δx/L, où Δx est la quantité d'étirement. Le moule PDMS a été maintenu à la longueur souhaitée pendant le processus de moulage de la réplique. Une couche d'UVCP liquide (NOA 88, Norland Product Inc.) a été pressée entre le moule PDMS et une lamelle de verre. Le processus de durcissement aux UV a eu lieu en exposant la pile UVCP/PDMS lamelle/liquide à une illumination UV pendant 300 s. Après durcissement, la réplique d'un réseau 2D de nanoposts et le moule PDMS ont été séparés en décollant la lamelle du moule PDMS. Le polymère entièrement durci adhère préférentiellement au substrat en verre sans laisser de résidu sur le moule PDMS. Après le moulage de la réplique, une couche de film mince diélectrique (TiO2) ou d'argent a été déposée sur le réseau 2D en relief de surface par évaporation par faisceau d'électrons pour terminer la fabrication du dispositif.

Les spectres de réflexion des cristaux plasmoniques ont été mesurés à l'aide d'une configuration de réflexion de lumière blanche. Une lampe halogène a été utilisée comme source d'excitation à large bande et a été couplée dans une fibre bifurquée (BFY50HS02, Thorlabs), avec un collimateur de pointe de fibre à la sortie. Un iris et un polariseur linéaire ont été placés devant le collimateur pour contrôler la taille du spot et la polarisation du faisceau incident. L'ensemble d'éclairage était fixé à un support cinématique pour un réglage précis de l'angle d'incidence. La lumière réfléchie a été couplée à un spectromètre (USB2000, OceanOptics) à travers la même fibre bifurquée. Pour la mesure de son spectre de réflexion, un échantillon de cristal plasmonique a été monté sur une platine de translation xy motorisée et immergé dans de l'eau déminéralisée. Un miroir argenté a été utilisé comme référence pour la réflectance. Un logiciel développé à l'aide de C # a été utilisé pour contrôler le mouvement de l'étape de traduction et collecter les spectres du spectromètre pour des emplacements d'échantillonnage choisis sur les cristaux plasmoniques. Les spectres mesurés ont été ajustés à l'aide d'une fonction polynomiale du second ordre pour trouver la longueur d'onde de résonance des modes plasmoniques.

Les diagrammes de bande de dispersion des dalles de cristal photonique ont été mesurés en enregistrant les spectres de transmission pour plusieurs angles d'incidence. La configuration expérimentale pour la mesure de la transmission comprend trois parties principales : une lampe halogène pour un éclairage blanc à large bande, une monture d'échantillon et un spectromètre. La lumière blanche a été collimatée avant de sortir de la fibre de couplage. Le faisceau lumineux traversait la dalle de cristal photonique et la lumière transmise était collectée à l'aide d'un collecteur à fibre multimode, qui était connecté au spectromètre. Les instruments ont été alignés horizontalement et le plan d'incidence a été choisi pour être le plan horizontal. La monture d'échantillon a été soigneusement conçue, avec deux étages de rotation perpendiculaire et une monture cinématique, offrant suffisamment de degrés de liberté pour des ajustements d'angle compliqués et précis. Au début de chaque mesure, un échantillon a été monté avec sa face supérieure perpendiculaire à la lumière entrante (au point Γ). Ensuite, en fonction de la direction à mesurer, c'est-à-dire Γ-X ou Γ-M, l'échantillon a été tourné verticalement de sorte que la direction mesurée soit parallèle au plan horizontal. Ensuite, l'échantillon a été tourné horizontalement de sorte que l'angle d'incidence θ a été balayé en conséquence de 0° à 15° par incréments de 0,5°. Pour chaque θ, le spectre de transmission a été enregistré, pour les directions Γ-X et Γ-M, pour former un cube de données. Le diagramme de bande photonique a été tracé en utilisant θ et λ comme axe x et axe y, respectivement.

Les simulations RCWA ont été réalisées pour modéliser les spectres de réflexion et de transmission des cristaux plasmoniques et des dalles de cristaux photoniques. La région de simulation a été configurée au volume unitaire des structures périodiques. Des conditions aux limites périodiques ont été appliquées pour tronquer le domaine de calcul dans le plan xy. Dix harmoniques spatiales ont été utilisées dans les directions x et y. Pour les cristaux plasmoniques, les dispositifs étaient éclairés depuis la direction normale à la surface par une onde plane. L'onde incidente était polarisée linéairement avec le champ électrique orienté à 45° par rapport à l'axe x dans le plan xy. Les propriétés matérielles de l'argent ont été tirées du manuel de Palik, puis ajustées par le modèle multi-coefficient dans la gamme de longueurs d'onde de 300 nm à 1000 nm. Les spectres de réflexion des cristaux plasmoniques ont été calculés dans la gamme de longueurs d'onde de 375 nm à 775 nm. La simulation de dalles de cristaux photoniques a généré leurs diagrammes de dispersion. Les spectres de transmission d'une dalle de cristal photonique ont été enregistrés lorsque l'angle d'incidence (θ) a été balayé de 0° à 15° avec un incrément de 0,5°. Les diagrammes de dispersion pour les directions Γ-X ont été représentés en traçant les spectres de transmission en fonction de θ lorsque φ = 0°. Les diagrammes de dispersion pour les directions Γ-M ont été tracés lorsque φ = 45°, 37,12° et 90°, pour les réseaux carré, rectangulaire et triangulaire, respectivement.

Comment citer cet article : Liu, L. et al. Un moulage de nanoréplique programmable pour la fabrication de dispositifs nanophotoniques. Sci. Rep. 6, 22445; doi : 10.1038/srep22445 (2016).

Busch, K. et al. Nanostructures périodiques pour la photonique. Phys. Rep. 444, 101–202 (2007).

Annonces d'article Google Scholar

Collin, S. Réseaux de nanostructures en espace libre : propriétés optiques et applications. Rép. Prog. Phys. 77, 126402 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Johnson, SG, Fan, SH, Villeneuve, PR, Joannopoulos, JD & Kolodziejski, LA Modes guidés dans des plaques de cristal photonique. Phys. Rev. B 60, 5751–5758 (1999).

Article CAS ADS Google Scholar

Carroll, JE, Whiteaway, J. & Plumb, D. Lasers à semi-conducteurs à rétroaction distribuée. (Institution of Electrical Engineers : SPIE Optical Engineering Press, 1998).

Taillaert, D. et al. Coupleurs de réseau pour couplage entre fibres optiques et guides d'ondes nanophotoniques. Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6071–6077 (2006).

Article CAS ADS Google Scholar

Chou, SY, Krauss, PR & Renstrom, PJ Nanoimprint lithographie. J.Vac. Sci. Technol. B 14, 4129-4133 (1996).

Article CAS Google Scholar

Zhao, XM, Xia, YN & Whitesides, GM Méthodes lithographiques douces pour la nano-fabrication. J. Mater. Chim. 7, 1069-1074 (1997).

Article CAS Google Scholar

George, MC, Liu, JN, Farhang, A., Williamson, B., Black, M., Wangensteen, T., Fraser, J., Petrova, R. & Cunningham, BT Wafer-scale plasmonic and photonic crystal sensors, In SPIE Nanoscience + Engineering, 95471F, doi : 10.1117/12.2188631 (2015).

Lu, C. & Lipson, RH Lithographie interférentielle : un outil puissant pour la fabrication de structures périodiques. Laser Photonics Rev. 4, 568–580 (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Pokhriyal, A. et al. Fluorescence améliorée par cristal photonique à l'aide d'un substrat de quartz pour réduire les limites de détection. Opter. Express 18, 24793–24808 (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Lu, M., Choi, SS, Irfan, U. & Cunningham, BT Biocapteur laser à rétroaction distribuée en plastique. Appl. Phys. Lett. 93, 111113 (2008).

Annonces d'article Google Scholar

Lee, HS, Kim, DS & Kwon, TH Nano gaufrage UV pour nano structures polymères avec insert de moule non transparent. Microsystème. Technol. 13, 593–599 (2007).

Article CAS Google Scholar

Kooy, N., Mohamed, K., Pin, LT & Guan, OS Un examen de la lithographie par nanoimpression rouleau à rouleau. Nanoscale Res. Lett. 9, 320 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Ahn, SH & Guo, LJ Lithographie par nanoimpression rouleau à rouleau et rouleau à plaque de grande surface : un pas vers l'application à haut débit de la nanoimpression continue. Acs Nano 3, 2304–2310 (2009).

Article CAS Google Scholar

Lee, MH, Huntington, MD, Zhou, W., Yang, JC & Odom, TW Lithographie douce programmable : gaufrage à l'échelle nanométrique assisté par solvant. Nano. Lett. 11, 311–315 (2011).

Article CAS ADS Google Scholar

Pokroy, B., Epstein, AK, Persson-Gulda, MCM et Aizenberg, J. Fabrication de nanostructures actionnées bioinspirées avec une géométrie et une rigidité arbitraires. Adv. Mater. 21, 463–469 (2009).

Article CAS Google Scholar

Ju, J., Han, Y., Seok, J. & Kim, SM Développement d'un tampon de carbone vitrifié à faible coût et à grande surface pour la nanoréplication du verre. 2012 12e Conférence IEEE sur les nanotechnologies, Birmingham, Royaume-Uni. (doi : 10.1109/NANO.2012.6322076) (2012, août).

Ju, J., Lim, S., Seok, J. & Kim, SM Une méthode pour fabriquer un moule en carbone vitreux à faible coût et à grande surface pour les microstructures moulées en verre. Int. J. Précis. Ing. Homme. 16, 287-291 (2015).

Article Google Scholar

Ghaemi, HF, Thio, T., Grupp, DE, Ebbesen, TW & Lezec, HJ Les plasmons de surface améliorent la transmission optique à travers les trous de sous-longueur d'onde. Phys. Rév. B 58, 6779–6782 (1998).

Article CAS ADS Google Scholar

Chang, SH, Gray, SK & Schatz, GC Génération de plasmons de surface et transmission de la lumière par des nanotrous isolés et des réseaux de nanotrous dans des films métalliques minces. Opter. Express 13, 3150–3165 (2005).

Annonces d'article Google Scholar

Wang, SS, Magnusson, R., Bagby, JS & Moharam, MG Résonances en mode guidé dans les réseaux de diffraction à couche diélectrique planaire. JOSA A 7, 1470–1474 (1990).

Annonces d'article Google Scholar

Magnusson, R. & Shokooh-Saremi, M. Pixels RVB nanoélectromécaniques à résonance en mode guidé largement réglables. Opter. Express 15, 10903–10910 (2007).

Article CAS ADS Google Scholar

Liu, JN, Schulmerich, MV, Bhargava, R. & Cunningham, BT Sculpter les résonances Fano à bande étroite inhérentes aux microrésonateurs à cristal photonique infrarouge moyen à grande surface pour l'imagerie spectroscopique. Opter. Express 22, 18142–18158 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Ondic, L., Babchenko1, O., Varga, M., Kromka, A., Ctyroky, J. & Pelant, I. Dalle de cristal photonique en diamant : modes de fuite et émission de photoluminescence modifiée de points quantiques déposés en surface. Sci. Rep. 2, 00914 (2012).

Annonces d'article Google Scholar

Zhao, S., Xia, H., Wu, D., Lv, C., Chen, QD, Ariga, K., Liu, LQ & Sun, HB Étirement mécanique pour un mouillage réglable à partir d'un film PDMS topologique. Matière molle 9, 4236–4240 (2013).

Article CAS ADS Google Scholar

Lin, PC, Vajpayee, S., Jagota, A., Hui, CY & Yang, S. Adhésif sec accordable mécaniquement à partir d'élastomères froissés. Matière molle 4, 1830–1835 (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

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La recherche a été soutenue par le fonds de démarrage de l'Iowa State University, le prix 3M Non-Tenured Faculty Award et le programme de recherche scientifique fondamentale par l'intermédiaire de la National Research Foundation of Korea (NRF) financé par le ministère des Sciences, des TIC et de la planification future (NRF-2013R1A2A2A01068561). JL reconnaît le soutien de la National Science Foundation par le biais de la subvention CMMI-1363468. LD reconnaît le soutien de la National Science Foundation par le biais de la subvention ECCS-0954765.

Département de génie électrique et informatique, Iowa State University, Ames, 50011, Iowa, États-Unis

Longju Liu, Jingxiang Zhang, Liang Dong et Meng Lu

École de génie mécanique, Université Chung-Ang, Séoul, 156-756, République de Corée

Mohsin Ali Badshah & Seok-min Kim

Département de génie mécanique, Université d'Hawaï, Honolulu, 96822, Hawaï, États-Unis

Jingjing Li

Département de génie mécanique, Iowa State University, Ames, 50011, Iowa, États-Unis

Meng Lu

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LL, ML et SK ont rédigé le texte principal du manuscrit. LL, JZ et MAB ont mené les expériences. ML, LL, LD et JL ont conçu l'idée. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Seok-min Kim ou Meng Lu.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Liu, L., Zhang, J., Badshah, M. et al. Un moulage de nanoréplique programmable pour la fabrication de dispositifs nanophotoniques. Sci Rep 6, 22445 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22445

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Reçu : 11 décembre 2015

Accepté : 15 février 2016

Publié: 01 mars 2016

DOI : https://doi.org/10.1038/srep22445

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