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3D纳米直写技术助力任意形貌六方氮化硼(hBN)纳米3D结构的制备

发布时间: 2021-06-16  点击次数: 557次

【引言】

 

六方氮化硼(hBN)单晶纳米片的原子平滑表面,为光电应用域带来了革命性的突破。在纳米光学方面,hBN的强非线性、双曲线色散和单光子发射等性,为相应的光学和量子光学器件带来些有性能。在纳米电子学域,良好的物理,化学稳定性和较宽的禁带,使hBN成为二维电子器件的关键材料。目前,对hBN的研究重点局限于二维扁平结构,尚未涉其3D立体结构对性能的影响。如果能根据需求对hBN纳米片的高度做出相应调整,将为下代光电器件中调节光子流,电子流和激子流等性能提供个有效的方法。

 

【成果简介】

 

近日,Norris教授课题组用3D纳米直写技术和反应离子刻蚀的方法制备出可任意调控形貌的hBN纳米3D结构。此类hBN纳米3D结构在光电子器件研究域尚属次。得意于3D纳米结构高速直写机(NanoFrazor)在光刻胶上能实现亚纳米精度的精确加工,Norris教授课题组运用该方法制备了光电子学相板、光栅耦合器和透镜等元件。获得的元件通过后续组装过程制备成高稳定、高质量的光学微腔结构。随后,通过缩小图形长度比例的方法,引入电子傅里叶曲面,在hBN上实现复杂的高精度微纳结构,展现了NanoFrazor在3D纳米加工域的潜力。

 

【图文导读】

 

图1. 使用NanoFrazor制备hBN纳米3D结构流程图

(a)左图为用NanoFrazor在光刻胶表面上实现3D结构制备,右图为通过反应离子刻蚀方法将光刻胶上的3D结构转移到hBN的流程;(b)Mandelbrot分形图案刻蚀在光刻胶上的结果。黑色代表图形的高处,白色为至低处;(c)光刻胶上的Mandelbrot分形图案通过图(a)中的过程转移到hBN上的结果;(d)图(c)中hBN的SEM(倾转30o)表征结果。

 

图2. 用NanoFrazor在hBN上制备任意形貌的纳米3D结构

(a)白色中线左侧为准备的高密度图形样图,右侧为通过NanoFrazor将高密度图形转移到hBN后的实际结果;(b)将图(a)中的图形转移到hBN后的SEM表征结果;(c)AFM测量图(a)中红色虚直线所示部分的表面形貌;(d)hBN纳米3D结构的高分辨成像,左下角厚度为95 nm,右上角厚度为50 nm;(e)AFM测量hBN中高密度方形结构(29 nm)周期性图样结果,体现了NanoFrazor对制备结构的高度可控性;右上角插图是该周期性结构的快速傅里叶变换(FFT)结果。

 

图3. 用NanoFrazor制备的hBN光学微纳元件

(a)在130 nm厚hBN上制备螺旋相位板阵列的光学表征结果;(b)单个螺旋相位板的AFM结果;(c)具有球形轮廓的hBN微透镜光学显微照片;(d)微透镜理论图样(左侧)和实际制备结果(右侧)比较;(e)光学微腔的示意图,顶镜、底镜、hBN微透镜(蓝色)和带横向限制(黑色箭头)的腔模式(红色);(f)拥有hBN微透镜的微腔角分辨光谱结果;(g)根据制备的微腔几何结构所计算的横向Ince-Gaussian模分布结果;(h)测量的横向Ince-Gaussian分布结果。

 

图4. hBN上制备的电子傅里叶曲面

(a)具有六边形晶格的电子傅里叶曲面位图;(d)将两个六边形晶格与个在平面上旋转10°的晶格叠加而成的位图;(g)两个叠加的六边形晶格的位图,周期分别为55和47 nm,无平面内旋转;(j)将九个位图分别在平面内旋转0、20、40、60、80、100、120、140和160°后的叠加效果;(b)、(e)、(h)、(k)为使用NanoFrazor在光刻胶上制备(a)、(d)、(g)、(j)中图形时所获得的结果;(c)、(f)、(i)、(l)、是把(b)、(e)、(h)、(k)中的图案刻蚀在hBN上的AFM测量结果;(a)-(l)中的插图代表着相应图案的FFT结果。

 

【小结】

本文用NanoFrazor有的3D纳米直写技术在hBN上实现了复杂高精度纳米3D结构的制备,为光电器件性能的应变调控和能带结构调控带来了新的研究方向。这研究结果表明,NanoFrazor在开拓双曲线超材料、化电子、扭转电子、量子材料和深紫外光电器件等域新的研究方向上有着重要的作用。 

 

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