Uno stampaggio di nanorepliche programmabili per la fabbricazione di dispositivi nanofotonici

May 27, 2023

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 22445 (2016) Citare questo articolo

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La capacità di fabbricare strutture periodiche con caratteristiche sub-lunghezza d'onda ha un grande potenziale di impatto sull'ottica integrata, sui sensori ottici e sui dispositivi fotovoltaici. Qui riportiamo un processo di stampaggio di nanoreplica programmabile per fabbricare una varietà di modelli periodici submicrometrici utilizzando un unico stampo. Il processo utilizza uno stampo estensibile per produrre la struttura periodica desiderata in un fotopolimero su substrati di vetro o plastica. Durante il processo di stampaggio della replica, allo stampo viene applicata una forza uniassiale che determina cambiamenti nella struttura periodica che risiede sulla superficie dello stampo. La direzione e l'entità della forza determinano la geometria dell'array, inclusa la costante reticolare e la disposizione. Allungando lo stampo, è possibile fabbricare matrici 2D con strutture reticolari quadrate, rettangolari e triangolari. Come esempio, presentiamo un dispositivo a cristallo plasmonico con risonanze plasmoniche superficiali determinate dalla forza applicata durante lo stampaggio. Inoltre, vengono fabbricate e caratterizzate lastre di cristallo fotonico con diversi modelli di array. Questo processo unico offre la capacità di generare varie nanostrutture periodiche in modo rapido ed economico.

Le nanostrutture periodiche, come i reticoli sub-lunghezza d'onda 1D e 2D, sono fondamentali per un'ampia gamma di applicazioni ottiche poiché controllano la propagazione della luce e possono migliorare le interazioni luce-materia1. Sono sfruttati in vari dispositivi fotonici, inclusi reticoli di diffrazione, polarizzatori a griglia metallica, accoppiatori a reticolo, laser a feedback distribuito e cristalli fotonici2,3,4,5. La fabbricazione di nanostrutture periodiche è stata limitata dalla necessità di lavorare su scala submicrometrica; I metodi di litografia convenzionali, come l'utilizzo del fascio elettronico e dell'ultravioletto profondo, sono troppo costosi o hanno una produttività insufficiente per la fabbricazione su scala wafer. Per risolvere questo problema, sono state applicate con successo la litografia interferenziale e la litografia soft6,7,8,9,10,11. La litografia morbida offre la possibilità di una fabbricazione economica, roll-to-roll, di nanostrutture periodiche, ad esempio, il modello di uno stampo può essere trasferito su un materiale polimerico fotoindurente a temperatura ambiente mediante il processo di stampaggio di nanoreplica, senza la necessità di grandi macchinari meccanici forze12,13,14.

Sebbene la litografia soft abbia avuto successo, uno svantaggio è l’alto costo degli stampi. Per introdurre o modificare una caratteristica, è necessario fabbricare un nuovo stampo. Per facilitare la produzione di diversi modelli, e in particolare di strutture periodiche, sono stati sviluppati approcci programmabili. Ad esempio, la regolazione termica di un substrato termoplastico recante un nanomodello può generare una varietà di modelli da un singolo stampo15. In alternativa, Pokroy et al. hanno sfruttato stampi elastomerici e flessibili per generare matrici di nanopost con una varietà di periodi su scala micrometrica16.

In questo articolo presentiamo vari cristalli plasmonici e lastre di cristalli fotonici fabbricati mediante un processo di stampaggio di nanoreplica programmabile che utilizza un unico stampo. Questa tecnica utilizza lo stiramento meccanico di uno stampo elastico di polidimetilsilossano (PDMS) per creare strutture periodiche con vari periodi e disposizioni reticolari. Allo stesso tempo, mantiene le caratteristiche di elevata produttività e basso costo dell’approccio convenzionale allo stampaggio di nanorepliche. Quando viene applicata una forza, la superficie dello stampo PDMS si adatta ad un profilo di volume negativo della struttura periodica desiderata. La replica della forma dello stampo allungato in un polimero induribile con raggi UV (UVCP) produce nanostrutture programmabili in un processo poco costoso e suscettibile di espansione. Dopo lo stampaggio della replica, le strutture periodiche prodotte possono essere rivestite con una pellicola dielettrica o metallica sottile; alcuni esempi sono il biossido di titanio (TiO2), l'oro e l'argento. Con un rivestimento in argento spesso 100 nm, i cristalli plasmonici 2D fabbricati mostrano risonanze plasmoniche superficiali (SPR) nell'intervallo spettrale compreso tra 410 nm e 570 nm. Utilizzando lo stesso stampo PDMS, abbiamo fabbricato lastre di cristallo fotonico con tre diverse disposizioni reticolari, vale a dire strutture quadrate, rettangolari e triangolari. Le lastre di cristalli fotonici utilizzano una pellicola di TiO2 spessa 160 nm come strato di confinamento della luce. Infine, i diagrammi di banda delle lastre di cristallo fotonico fabbricate vengono determinati sperimentalmente e confrontati con le simulazioni della teoria elettromagnetica.