本申请要求于2015年11月24日提交的美国临时专利申请62/259,243号的权益和优先权，通过引用将其全部内容合并至此。
关于联邦资助或研究发展的声明
本发明在由空军科学研究处(muri)授予的准许号fa9550-14-1-0389下由政府支持进行。政府具有本发明中某些权利。
背景技术：
超颖表面(metasurface)可以用来形成光学部件。然而，超颖表面在可见光谱中低效。期望制造在可见光谱中具有提高的效率的超颖表面。
针对这一背景，出现开发在本公开内容中描述的实施例的需求。
技术实现要素：
根据一些实施例在一方面，制造可见光谱光学部件的方法包括：1)提供基板；2)在基板表面上形成抗蚀剂层；3)对抗蚀剂层形成图案以形成限定暴露基板表面的若干部分的开口的带有图案的抗蚀剂层；4)执行沉积以在带有图案的抗蚀剂层上以及在基板表面的暴露部分上形成电介质膜，其中电介质膜的顶表面高于带有图案的抗蚀剂层的顶表面；5)去除电介质膜的顶部部分以暴露带有图案的抗蚀剂层的顶表面和带有图案的抗蚀剂层的开口内电介质单元的顶表面；以及6)去除带有图案的抗蚀剂层以保留电介质单元在基板上。
在一些实施例中，执行沉积包括执行原子层沉积。
在一些实施例中，基板是玻璃基板。
在一些实施例中，带有图案的抗蚀剂层的开口的侧壁基本上垂直于基板的表面。
在一些实施例中，带有图案的抗蚀剂层的开口具有不显著大于或者小于入射光的设计波长的宽度，诸如不大于400nm。
在一些实施例中，带有图案的抗蚀剂层的开口具有最大宽度wmax，执行沉积包括沉积电介质膜至厚度tfilm并且填充带有图案的抗蚀剂层的开口，并且tfilm≥wmax/2。
在一些实施例中，执行沉积在低于115℃的温度下实行。
在一些实施例中，电介质膜包括氧化物。
在一些实施例中，去除电介质膜的顶部部分包括执行反应离子蚀刻。
在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有100nm或者更大的高度。
在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有不大于100nm的宽度。
根据一些实施例在另一方面，制造超颖表面的方法包括：1)提供基板以及在基板上提供带有图案的层，带有图案的层限定开口；2)执行原子层沉积以在带有图案的层上沉积共形膜并且延伸到带有图案的层的开口中；3)去除共形膜的顶部部分以暴露带有图案的层的开口内的超颖表面单元的顶表面；以及4)去除带有图案的层以保留超颖表面单元在基板上。
在一些实施例中，执行原子层沉积包括沉积在可见光谱上折射率的虚部不大于0.1的电介质材料。
在一些实施例中，执行原子层沉积包括沉积在可见光谱上折射率的实部至少为2的电介质材料。
在一些实施例中，带有图案的层包括具有玻璃转变温度的抗蚀剂，并且执行原子层沉积在低于抗蚀剂的玻璃转变温度的温度下实行。
在一些实施例中，超颖表面单元中的至少一个具有至少2:1的纵横比。
根据一些实施例在再一方面，可见光谱光学部件包括：1)包括表面的透明基板；以及2)透明基板表面上的电介质单元，其中电介质单元中的至少一个具有沿着短轴的维度，不同于沿着短轴的维度的沿着长轴的维度，以及不大于5nm的表面粗糙度。
在一些实施例中，沿着短轴的维度不大于200nm，沿着长轴的维度基本上垂直于透明基板的表面并且是沿着短轴的维度的至少两倍。
在一些实施例中，沿着长轴的维度与沿着短轴的维度的比例是至少5:1。
在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有基本上垂直于透明基板表面的侧壁。
在一些实施例中，表面粗糙度不大于2nm。
在一些实施例中，电介质单元包括非晶或单晶的电介质材料。
在一些实施例中，电介质单元包括在可见光谱上透光率为至少50％的电介质材料。
在一些实施例中，电介质单元包括在可见光谱上折射率的虚部不大于0.1，并且可见光谱上折射率的实部至少为2的电介质材料。
在一些实施例中，光学部件被配置为在入射光上引入任意的或者可调整的相位剖面(phaseprofile)。
在一些实施例中，光学部件是透镜、准直器、偏光器或者全息图(hologram)。
在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有圆形截面或者基本上均匀旋转对称的其他截面。
在一些实施例中，光学部件的功能取决于入射光的偏振。
在一些实施例中，光学部件的功能基本上独立于入射光的偏振。
同样考虑本公开内容的其他方面和实施例。前面的概述和下面的详细描述不打算将本公开内容局限于任何特定的实施例，而是仅打算描述本公开内容的一些实施例。
附图说明
为了更好地理解本公开内容的一些实施例的本质和目的，应当参考下面连同附随附图进行的详细描述。
图1是基于原子层沉积(ald)形成可见光谱电介质超颖表面的制造处理。
图2是所制造的结构的扫描电子显微图像。(a)电介质单元的顶视图。(b)电介质单元的倾斜视图。
图3是可见光谱中的宽带高效元光栅。(a)元光栅的示意图。(b)元光栅的模拟结果。
图4是非晶二氧化钛材料性质。(a)作为波长的函数测量的折射率的实部(正方形)和虚部(圆形)(n和k)。获得这些光学函数时使用的椭圆测量数据的全集包括在示例章节中。(b)经由ald沉积的典型tio2膜的原子力显微图像。膜是均方根(rms)粗糙度为大约0.738nm的原子级平滑表面。
图5是电介质超颖表面的制造处理。(a)熔融石英(或者其他透明基板)上厚度为tresist的电子束抗蚀剂(ebr)，这根本设置最终结构的高度(透视图)。(b)通过电子束光刻以及图案的随后显影压印到ebr中的最终超颖表面图案的逆。加框区域是最大特征宽度w的展开截面。(c)经由ald的初始tio2沉积共形地覆盖ebr的侧壁和顶部以及暴露的基板(侧视图)。同样示出用于ald的四次二甲基胺基钛(tdmat)分子。(d)完成的tio2沉积产生大于最大特征尺寸的半宽度的膜厚度，tfilm≥w/2。(e)使用cl2和bcl3离子的混合物进行反应离子蚀刻之后tio2超颖表面和残余ebr的暴露顶部(顶视图和侧视图)。(f)去除剩余的ebr之后最终的电介质超颖表面(顶视图和侧视图)。
图6是所制造的结构的扫描电子显微图像。(a)由tio2纳米鳍组成的所制造的超颖表面全息图的大规模视图。(b)示出个体纳米鳍的超颖表面的放大顶视图。所制造的纳米鳍基本上没有残余的抗蚀剂并且维度为设计维度250nm×85nm的±10nm。同样可以看出，使用该制造技术，可以实现小至大约6nm的结构之间的间隙。(c)横向维度为大约40nm的结构的顶视图。(d)表现出高度为大约600nm的垂直侧壁的纳米鳍的截面(侧视图)。纳米鳍之间对比度的振荡由用来防止对样本成像时充电的金属膜的沉积期间的遮蔽效应导致。
图7是测量的绝对效率和全息图像。(a-c)测量的(正方形标记)和模拟的(实线)全息效率。绝对效率指定为全息图的总体光学功率与透射通过与全息图相同大小(大约300×300μm2)的孔径的总体光学功率的比例。垂直的虚线标记每个设备的设计波长，并且设备维度为(a)大约200nm×大约90nm，(b)大约250nm×大约85nm，以及(c)大约410nm×大约85nm。(d-i)涵盖可见光谱的全息图像。输入波长是(d)大约480nm，(e)大约520nm，(f)大约540nm，(g)大约600nm，(h)大约620nm以及(i)大约640nm。所有图像从为大约480nm设计的设备中获得，并且示出单个设备的宽带行为。图像中心的亮点是由于零阶光的传播。
图8是用来确定作为波长的函数的对于硅基板上的tio2膜的tio2光学常数ψ和δ的原始椭圆测量数据。浅色调的正方形和圆形分别是对于大约55°和大约75°的角度的δ的值。暗色调的正方形和圆形分别是对于大约55°和大约75°的角度的ψ的值。线是从在光学特性中描述的模型中生成的数据。
图9是均方根粗糙度为大约0.698nm的裸玻璃基板的原子力显微图像。
图10是aldtio2的x射线衍射。不存在由于任何tio2多晶型的可观察的衍射峰。扫描中出现的峰值由于x射线衍射阶段导致，如可以从比较具有(顶部)和不具有(底部)样本的扫描可以看到的。
图11对于大约480nm的设计波长，用来生成全息图的哈佛标志(harvardlogo)的相位映射。插图示出150×150像素相位分布。该相位信息转化成纳米鳍旋转。
图12是设计波长下的模拟电场分布。设计波长为(a)大约480nm，(b)大约532nm和(c)大约660nm时电场的x分量(左)和z分量(右)的实部。所有场通过纳米鳍宽度的截面示出，并且纳米鳍在每个面板中使用黑色框突出显示。可以看到，在每个波长，离开柱的电场的x和z分量以大约π弧度异相，如对于pb相位指定的。tio2柱在占据y＝0以下的一半空间的玻璃基板上模拟，并且波在+y方向上传播。
图13是设计波长为(a)大约480nm，(b)大约532nm和(c)大约660nm时，周期点阵上tio2纳米鳍的模拟透射光谱。在每个面板中，实线(虚线)对应于沿着矩形纳米鳍的长轴(短轴)偏振的入射平面波源。
图14是用于收集全息图像的测量设置的示意图。lp，线性偏振器；λ/4，四分之一波片；superk，超连续激光。
图15是使用具有变化直径的tio2纳米柱对完全2π相位覆盖的模拟。白色虚线示出tio2纳米柱的放置，并且每个柱的直径在下面列示。在每个柱周围，包括电场的x分量的大约325-nm截面。黑色虚线设置为大约600nm，对应于纳米鳍的高度。
具体实施方式
超颖表面包括由提供对于光场的相位和偏振的控制的单元组成的人造、接近平坦或者平面的材料，其中超颖表面单元的维度是感兴趣的光谱内的亚波长。不像诸如透镜和偏振器那样的传统光学部件随着电磁场传播经过几个波长的距离发生电磁场波阵面的改变，超颖表面可以在亚波长距离内引入相位和偏振的改变。例如，由亚波长间隔的电介质单元组成并且与折射光学器件相比较具有接近平坦轮廓的透射电介质超颖表面可以提供对于光学波阵面的控制，同时避免与等离子体超颖表面相关联的欧姆损耗。
根据本公开内容的一些实施例描述的是在亚波长或者波长相当的距离上提供渐进相变的电介质超颖表面。这与在相位中引入突变的等离子体超颖表面相对照。
根据一些实施例的包括电介质单元的超颖表面还提供优于金属超颖表面的几个优点，诸如更大的散射截面、更低的损耗、提高的透射以及不期望的偏振转换的减少。
包括电介质单元的超颖表面在本文中一般地称作电介质超颖表面(dm)。dm可以对传统光学部件的效果扩展，提供对于光学波阵面的空前控制，以及为接近平坦并且紧凑的光学部件的设计和实现提供了光学器件技术上的重要进步。
虽然dm具有优于金属超颖表面和传统光学部件的几个优点，并且具有在几个应用中使用的潜力，但是仍然存在关于dm要克服的重要障碍：实现在涵盖大约400纳米(nm)至大约700m的范围中的波长的可见光谱中的使用。例如，当使用硅制造时，dm可能在可见光谱中高度损耗。将dm的使用扩展到技术上重要的可见光谱中，同时维持高效率的材料和制造技术是期望的。dm用于可见光谱的一些期望特性包括下面中的一个或多个：(1)可见波长下的高折射率，以确保光传播通过电介质单元的强约束并且因此实现出射波阵面的期望相变以及减小器件尺寸，(2)可见光谱上的宽带透明度(例如，低材料吸收)，(3)平滑表面，以及(4)高纵横比电介质单元，其中纵横比指定为电介质单元沿着它的长轴的维度(例如，沿着基本上垂直于电介质单元布置于其上的基板表面的方向的高度)与电介质单元沿着它的短轴或者基本上垂直于长轴的轴的维度(例如，沿着基本上平行于基板表面的方向的宽度或者直径)的比例。适合于在可见光谱中使用的dm，或者选择用于dm的材料，可以拥有所提及的期望特性中的一个或多个，但是也可以忽略所提及的期望特性中的一个或多个。
一些实施例涉及使用原子层沉积(ald)的制造处理，其提供具有上面提及的期望特性的高效率可见光谱dm的形成。制造处理可以实现洁净室处理操作，诸如光刻和反应离子蚀刻，可再生产地提供具有期望几何形状和可见光谱中低损耗的深亚波长电介质单元。因为制造处理使用ald，可以使用不同的电介质材料创建dm。例如，可以经由ald沉积金属和非金属氧化物(诸如铝的氧化物(例如，al2o3)、硅的氧化物(例如，sio2)、铪的氧化物(例如，hfo2)、锌的氧化物(例如，zno)、锰的氧化物(例如，mgo)或者钛的氧化物(例如，tio2))，金属和非金属氮化物(诸如硅的氮化物(例如，si3n4)、硼的氮化物(例如，bn)或者钨的氮化物(例如，wn))，金属和非金属硫化物，以及纯元素。根据ald，可以通过将基板或者基板的一部分顺序地暴露于化学前驱物或者反应物的沉积气体来执行一个或多个沉积周期。前驱物在沉积周期期间在基板上反应并且形成电介质材料的至少部分层，并且可以执行进一步的沉积周期，直到获得期望的厚度。也可以使用ald形成不同电介质材料的复合涂层。
根据一些示例实施例，由于其在可见光谱中的高折射率和低损耗而选择二氧化钛(tio2)，但是制造处理可以使用其他电介质材料，诸如取决于期望的最终应用而选择的其他电介质材料。
图4a提供从紫外(uv)(大约243nm)到近红外(大约1,000nm)的波长范围中tio2膜的光学性质的绘图。材料的光学性质可以由它的复折射率，
图1示出根据一些实施例，基于诸如ald这样的共形化学气相沉积方案形成可见光谱dm的制造处理。处理从提供在可见光谱中透明的基板开始(图1a)，诸如作为示例所示为包括熔融石英的基板。可见光谱中透明的适当基板可以具有在可见光谱上或者在可见光谱中的设计波长或者工作波长上，至少大约40％，至少大约50％，至少大约60％，至少大约70％，至少大约80％，至少大约85％，至少大约90％或者至少大约95％的透光率。
接下来，通过以特定的速率旋涂将抗蚀剂(例如，电子束抗蚀剂或者光致抗蚀剂)施加于基板以设置作为结果的抗蚀剂层的厚度tresist(图1b)。抗蚀剂层的厚度是设置在所制造的dm中作为结果的电介质单元的高度、贡献出射光的相位并且影响dm的效率的参数。通常，可以控制抗蚀剂的自旋速度和粘度以调整所施加的抗蚀剂层的厚度。作为示例，当施加特定粘度的电子束抗蚀剂时大约5,000rpm(每分钟绕转)的自旋速率导致大约400nm的抗蚀剂层的厚度。
接下来，暴露(例如，使用电子束光刻或者光学光刻法)并且显影抗蚀剂层(图1c)，形成用于形成电介质单元的逆图案。作为结果的带有图案的抗蚀剂层形成有或者限定暴露基板表面的若干部分的间隙、开口或者凹陷。开口可以具有大于大约一的纵横比，诸如至少大约1.5:1，至少大约2:1，至少大约3:1，至少大约4:1，或者至少大约5:1，以及高达大约10:1或者更大，或者高达大约20:1或者更大。
接下来，执行ald以在带有图案的抗蚀剂层以及基板表面的暴露部分上沉积(图1d)电介质材料的膜。在制造处理中用来实现具有平滑表面的高纵横比电介质单元的ald的特征是当膜沉积时膜的共形性质。如图1d中所示，带有图案的抗蚀剂层的顶表面和侧壁表面以及基板表面的暴露部分使用ald由电介质材料共形涂覆。如此，膜获得带有图案的抗蚀剂层中开口的形状。例如，具有基本上垂直侧壁(例如，基本上垂直于开口内基板表面的各自暴露部分)的开口导致具有基本上垂直侧壁的电介质单元，这允许以减小的相位误差精确地控制出射波阵面的相位。相比较而言，自顶向下蚀刻技术可以引入倾斜的侧壁，这可以导致相位误差。而且，共形涂覆提供具有异常平滑表面的电介质单元以便减少由于散射而导致的损耗，诸如具有不大于大约20nm，不大于大约15nm，不大于大约10nm，不大于大约5nm，不大于大约4nm，不大于大约3nm，不大于大约2nm或者不大于大约1nm的均方根(rms)表面粗糙度。相比较而言，自顶向下蚀刻技术可以导致不期望的侧壁粗糙度，这可以导致散射损耗。
根据ald，执行第一ald周期以在保持或者容纳在沉积室内的基板上沉积电介质材料，接着执行第二ald周期以在基板上沉积电介质材料，接着执行第三ald周期以在基板上沉积电介质材料，以此类推直到沉积期望量的电介质材料。在一些实施例中，执行每个ald周期包括将基板暴露于化学前驱物或者反应物的沉积气体。在tio2作为电介质材料的情况下，第一前驱物是含钛前驱物，诸如钛的有机金属化合物，并且第二前驱物是含氧前驱物。第一前驱物和第二前驱物在带有图案的抗蚀剂层以及基板表面的暴露部分上反应并且形成电介质材料的至少部分层。因此，使用ald以逐层的方式接连地沉积膜的附加电介质材料，直到膜填充带有图案的抗蚀剂层的开口(图1e)。每个沉积的层共形地涂覆先前沉积的层。
在一些实施例的制造处理中，控制ald周期的温度tald(图1d-e)低于其他情况下用于ald的温度。例如，在其他情况下，可以使用ald在大约150℃或者更高下沉积膜，然而，对于某些抗蚀剂，高于大约115℃的温度可以引起抗蚀剂回流，使得抗蚀剂图案变坏。如此，对于ald周期(图1d-e)，温度被控制或者维持低于大约115℃，诸如大约110℃或者更低，大约105℃或者更低，大约100℃或者更低，或者大约90℃。
在一些实施例中，在ald周期(图1d-e)中沉积的电介质材料的量是电介质单元的最大期望特征尺寸(例如，特征宽度或者直径)(例如，图1d中wmax)的函数。取决于抗蚀剂层的图案，电介质膜可以在带有图案的抗蚀剂层上沉积到厚度tfilm，以实现最大期望特征尺寸。例如，如图1e中所例示的，为了在带有图案的抗蚀剂层的开口中获得特征宽度wmax，tfilm≥wmax/2，并且电介质膜的顶表面高于带有图案的抗蚀剂层的顶表面。在一些实施例中，tfilm大于wmax/2至少大约50nm。应当注意，厚度tfilm对应于将以具有厚度tfilm的电介质材料的均匀厚度膜覆盖平面表面的所沉积的电介质材料的量，并且对应于沉积在带有图案的抗蚀剂层的顶表面上并且在带有图案的抗蚀剂层的开口上延伸的电介质膜的顶部部分的厚度。
接下来，执行毯覆式(blanket)蚀刻以去除电介质膜的顶部部分并且暴露(图1f)带有图案的抗蚀剂层的顶表面以及在带有图案的抗蚀剂层的开口中沉积的作为结果的电介质单元的顶表面。例如，可以使用反应离子蚀刻，诸如使用cl2气体和bcl3气体的混合物，去除电介质膜的顶部部分至基本上等于厚度tfilm的蚀刻深度，但是也可以考虑大于厚度tfilm的蚀刻深度，诸如包括经由tfilm+大约10nm的蚀刻深度去除带有图案的抗蚀剂层的顶部部分。以这种方式，去除过多的电介质膜，并且暴露带有图案的抗蚀剂层(或者其残余)。
通过暴露于抗蚀剂去除溶剂，留下dm的高纵横比电介质单元在基板上，并且具有大于大约一的纵横比，诸如至少大约1.5:1，至少大约2:1，至少大约3:1，至少大约4:1，或者至少大约5:1，以及高达大约10:1或者更大，或者高达大约20:1或者更大，去除带有图案的抗蚀剂层(图1g)。
图2a-b示出使用本公开内容的一些实施例的制造处理形成的电介质单元的扫描电子显微(sem)图像。如图2a中所例示的，制造处理可以产生具有变化宽度的任意纳米结构，诸如纳米柱或者纳米鳍，并且可以在可见光谱亚波长级别上获得这种宽度。作为结果的纳米结构各向异性，并且侧壁基本上垂直于基板表面，如图2b中所示，图2b提供图2a中纳米结构的30度倾斜视图。作为示例可以获得在大约75nm节距(相邻电介质单元之间中心到中心的间距)上小至大约25nm的特征宽度，并且电介质单元的高度从大约100nm至大约500nm。使用本公开内容的一些实施例的制造处理可以获得进一步的特征宽度减小。例如，宽度为大约10nm或者更小的电介质单元可以由本公开内容涵盖。可以使用制造处理获得具有高纵横比的电介质单元。例如，可以获得高度高达大约500nm或者更大或者高达大约1,000nm或者更大的电介质单元。在一些实施例中，电介质单元的宽度小于可见光谱中入射光的设计波长，诸如不大于大约400nm，不大于大约300nm，不大于大约200nm，不大于大约150nm，不大于大约100nm，不大于大约50nm，大约50nm至大约200nm，或者大约25nm至大约200nm。在一些实施例中，电介质单元可以具有一般地为矩形或者具有宽度和长度的其他细长截面(沿着或者投影到平行于电介质单元布置于其上的基板表面的平面上)，并且其中长度大于宽度，并且长度和宽度小于可见光谱中入射光的设计波长，诸如不大于大约400nm，不大于大约300nm，不大于大约200nm，不大于大约150nm，不大于大约100nm，不大于大约50nm，大约50nm至大约200nm，或者大约25nm至大约200nm。在一些实施例中，电介质单元可以具有一般圆形截面，或者具有直径的其他均匀旋转对称截面(沿着或者投影到平行于电介质单元布置于其上的基板表面的平面上)，并且直径小于可见光谱中入射光的设计波长，诸如不大于大约400nm，不大于大约300nm，不大于大约200nm，不大于大约150nm，不大于大约100nm，不大于大约50nm，大约50nm至大约200nm，或者大约25nm至大约200nm。在一些实施例中，相邻电介质单元的节距小于可见光谱中入射光的设计波长，诸如不大于大约400nm，不大于大约300nm，不大于大约200nm，不大于大约150nm，不大于大约100nm，不大于大约50nm，大约50nm至大约200nm，或者大约25nm至大约200nm。在一些实施例中，电介质单元可以具有沿着它们的长轴基本上一致的宽度或者直径，使得电介质单元的顶端的宽度或者直径与电介质单元的底端的宽度或者直径基本上相同。应当注意，上面提及的维度也适用于带有图案的抗蚀剂层的开口，电介质单元在一些实施例的制造处理期间形成在开口内。
图3a示出可见光谱中宽带高效元光栅的表示，示出可以使用本公开内容的一些实施例的制造处理形成的光学部件的多样性。元光栅包括玻璃基板上多个(这里，三个)电介质脊形波导(drw)，每个drw包括宽度wl＝大约50nm的至少一个电介质单元以及宽度wr＝大约140nm大于wl的至少一个电介质单元。每个电介质单元具有高度l＝大约300nm，每个drw具有电介质单元之间中心到中心距离p＝大约350nm，并且drw元光栅周期λ＝大约1,300nm。如图3b中模拟结果中所示，在大部分可见光谱上实现大于大约50％的绝对效率，其中对于图3b中的结果，绝对效率指定为+1阶中光的透射功率与光的输入功率的比例。
更一般地，包括一些实施例的dm的光学部件的绝对效率可以指定为具有光学部件的设计性质的光的透射功率与光的输入功率的比例，并且在可见光谱，或者可见光谱中的设计波长或者工作波长上，绝对效率可以大于大约50％，诸如至少大约55％，至少大约60％，至少大约65％，至少大约70％，或者至少大约75％，以及高达大约80％或者更大，或者高达大约85％或者更大。
虽然已经关于超颖表面讨论一些实施例的制造处理，但是可以更一般地使用制造处理形成高性能光子部件，诸如光子晶体和波导。
示例
下面的示例描述本公开内容的一些实施例的具体方面，以向本领域普通技术人员例示并且提供描述。示例不应当解释为限制本公开内容，因为示例仅提供在理解和实践本公开内容的一些实施例时有用的具体方法。
综述：超颖表面包含可以克服折射和衍射光学器件的约束的平面光学部件。由于对于可见波长的显著的光学吸收和损耗，电介质超颖表面典型地局限于红外波长下的透明窗口。如此，期望开发材料和纳米制作技术扩展电介质超颖表面跨越可见波长并且允许诸如高数值孔径透镜、彩色全息图以及可穿戴光学器件这样的应用。这里，该示例例证具有高绝对效率(>大约78％)的以红色、绿色和蓝色波长的全息图形式的高性能电介质超颖表面。执行非晶二氧化钛的原子层沉积以获得小于大约1nm的表面粗糙度以及可以忽略的光学损耗。使用制造电介质超颖表面的处理，其允许使用形状双折射生产各向异性、亚波长间隔的电介质纳米结构。该处理能够实现各种高效率超颖表面光学部件，诸如超透镜和轴棱镜。
结果和讨论：在该示例中，例证由跨越整个可见光谱维持高效率的非晶tio2超颖表面进行。创建透射电介质超颖表面(dm)的方法使用经由原子层沉积的自底向上纳米制造处理，提供高纵横比、具有减小表面粗糙度的各向异性电介质纳米结构。作为可以获得从0到2π的波阵面相位的控制(这是许多光学部件的条件)的概念验证，基于几何相位产生超颖表面全息图。已经在红色和近红外波长处例证具有在反射中操作的金属部件的高效超颖表面，但是在蓝色和绿色波长处分别具有<1％和<10％的效率。如此，这里例证的tio2超颖表面提供效率从大约78到大约82％的实质提高。另外，电介质材料的使用允许设备以高效率在透射中工作，这是许多光学部件的条件。
实现高效率电介质超颖表面的能力可以取决于构成材料的光学性质，如由它的复折射率
tio2被选作基础材料，因为它对于长于大约360nm的波长具有透明窗口(k≈0)，并且它的带间跃迁刚好位于可见光谱外部，导致足够高的折射率用于强光物质相互作用。使用四次二甲基胺基钛(tdmat)作为前驱物(由于它的高沉积率以及不存在使用基于ticl4的前驱物可能发生的缺陷驱动吸收)，通过原子层沉积(ald)在大约90℃下沉积tio2。另外，ald处理的使用提供几个优点。ald是自限制处理，提供膜厚度的共形覆盖和单层控制。技术的共形性质对于生产高纵横比的纳米结构是期望的。与经由溅射或者蒸发制备的那些相比较，均匀并且单层覆盖产生具有减少缺陷的平滑膜。而且，ald处理允许所沉积的tio2的材料相位的精确控制，取决于沉积温度，产生非晶金红石或者锐钛矿膜。
非晶tio2的光学性质的表征示出它是对于dm的期望材料。图4a示出从uv(大约243nm)至近红外(大约1,000nm)波长，tio2膜的测量光学性质。为了从所收集的数据中提取tio2光学性质，使用为非晶材料开发的tauc-lorentz(tl)振荡器模型。在可见光谱上，折射率在从大约2.63至大约2.34的范围变化，并且在λ＝大约500nm与λ＝大约750nm之间保持相对平坦(δn＝大约0.09)。在大约500nm的波长以下，折射率快速地增加，暗示着电子跃迁的接近。对于短于大约360nm的波长，折射率的虚部k开始呈现非零值，这是带间吸收的结果。从椭圆测量数据和相应tl模型中，确定带隙eg为大约3.456ev(下面包括拟合参数的全集(表格1)和原始椭圆测量数据(图8))。带隙的这个值与关于非晶tio2的先前记录值良好吻合。
tio2膜也表现出比入射波长小得多的表面粗糙度，如由原子力显微镜检查(afm)表征的。图4b示出在熔融石英基板上沉积的典型tio2膜的afm扫描。扫描具有大约0.738nm的均方根(rms)粗糙度，这是底层基板的表面粗糙度的量级(图9)。由于与x射线衍射数据相结合由afm证实不存在晶界(图10)，可以推断材料是非晶的。非晶tio2的测量粗糙度是小于诸如多晶金红石或者锐钛矿的其他相位的数量级。后两者相位通常具有晶界和高达大约5-10nm的rms粗糙度，这两点都贡献光散射损耗。
为了实现高效超颖表面设备同时保留ald制备的tio2的光学性质，使用图5中所示的制造处理。电子束抗蚀剂(ebr)旋涂到熔融石英基板上以产生厚度为tresist的层(图5a)。tresist的控制是期望的，因为它设置最终纳米结构的高度。使用电子束光刻对抗蚀剂形成图案并且随后在溶液中显影以去除暴露的ebr。该图案是最终超颖表面的逆(图5b)。暴露的样本转移到设置为大约90℃的ald室。该温度的目的是双重的：它产生期望的非晶相并且保持ebr低于它的玻璃转变温度(例如，防止纳米级图案的变坏)。在沉积期间，气态tio2前驱物(tdmat)基本上涂覆所有暴露的表面，在ebr的顶部和侧壁上以及在暴露的熔融石英基板上产生共形膜(图5c)。允许ald处理达到特定的厚度，使得所有特征由tio2完全填充。因为共形ald处理从两侧填充暴露的特征，所以总体ald膜厚度是tfilm≥w/2，其中w是所有间隙或者凹陷的最大宽度(图5d)。在实践中，允许沉积继续进行，远超特征宽度的一半的下限阈值，以确保tio2已经充分地扩散到所有小孔中并且在最终的纳米结构中不存在空隙。覆盖抗蚀剂层的顶表面的残余tio2膜通过在bcl3和cl2气体的混合物(大约8:2)中反应离子蚀刻样本而去除，与平面化技术相类似。蚀刻深度基本上等于tfilm，使得蚀刻处理暴露底层的抗蚀剂和纳米结构的顶部(图5e)。去除剩余的抗蚀剂以保留形成超颖表面的纳米结构(图5f)。这样，在沉积厚度tfilm≈w/2的膜的同时获得高度tresist的纳米结构，这省时且高效。
该方法不同于通常由于ald膜的共形涂覆而不能够使用的剥离技术。另外，与其他电介质材料相类似，经由tio2的干法蚀刻创建高纵横比的纳米结构是困难的并且可能导致增加的侧壁粗糙度。该ald处理也不同于所创建的图案通常由设置模板(例如，阳极氧化铝或者反蛋白石)固定的技术。这里因为ald直接在暴露的ebr上使用，ald处理允许形成更加复杂的纳米结构的灵活性。
使用上面处理制造的结构的研究示出可以形成具有期望各向异性和亚波长维度的纳米结构(例如，纳米鳍)。图6示出所制造的超颖表面全息图的扫描电子显微(sem)图像。如图6a中所看到的，大量区域使用亚波长间隔的tio2纳米鳍密集地形成图案。这最终确保大部分入射光压印有期望的相位，抑制更高的衍射级，并且高效地产生全息图像。图6b示出高倍放大的超颖表面的sem图像，允许个体纳米鳍的分辨率。使用该处理，可以获得个体纳米鳍之间极其小的间距，如由图6b中大约6-nm间隙所示。这种情况下，结构具有250nm×90nm的维度，但是处理也可以产生维度小至大约40nm的结构(图6c)。
偏离大约90°侧壁、呈现更加三角形截面的结构可以在超颖表面中引入相位误差。类似地，具有大的空隙或者缺陷的结构可以减小纳米鳍的有效折射率。图6d示出纳米鳍的截面sem图像(图像中垂直方向是光传播的方向)。可以观察到，垂直方向上纳米结构的角度是大约89°；即，纳米结构高度各向异性。尽管有这里所示的纳米结构与它们的其他维度相比较相对高并且高度为大约600nm的事实，但仍各向异性。类似地，在纳米鳍的中心没有检测到空隙形成。从sem图像中，同样可以看到，最终的纳米结构具有减小的顶表面和侧壁粗糙度。
为了例证tio2超颖表面的效率和功能性，设计三个超颖表面全息图(超全息图)在大约480、大约532和大约660nm的波长具有峰值效率。基于几何或者pancharatnam-berry(pb)相位，如图6中所示，经由双折射tio2纳米鳍的旋转而被授予期望的相位(参看下面的细节)。pb相位的优点在于授予的相位是波长无关的(仅效率随着波长改变)，因此提供在整个可见范围上测试超颖表面性能的期望平台。全息图像的相位映射，二进制哈佛标志，经由gerchberg-saxton相位复原技术计算(图11)。
图7a-c示出对于分别λ＝大约480、大约532和大约660nm而设计的超全息图，作为从大约480nm至大约800nm的波长的函数的测量和模拟效率(图12和13示出纳米鳍的模拟场分布和透射)。绝对效率指定为重构的哈佛标志的总体光学功率除以通过与全息图相同大小的大约300×大约300μm2正方形孔径测量的光学功率(参看下面的测量细节和图14)。实验结果通常遵循模拟数据并且分别在大约480、大约532和大约660nm的设计波长附近达到大约82、大约81和大约78％的极大值。
应当注意，在某些情况下，在模拟和测量趋势之间存在不符。设计与制造的纳米鳍维度之间的差异以及纳米鳍之间弱耦合的可能性可能地引起这些不符。另外，几何相位设备的总体效率可以取决于沿着个体部件的长轴或者短轴偏振的电场的透射。通过部件观察到高透射(图13)，特别是在设计波长附近，但是这些透射值可以通过探索抗反射涂层或者通过阻抗匹配技术进一步增加。
因为几何相位是波长无关效应，可以从单个设计中生成跨越可见波长的全息图像。图7d-i示出对于设计波长为大约480nm的全息图，跨越可见光谱的全息图像。可以在图像中看到亚波长间距和相位映射的过采样，因为在哈佛羽冠的顶部存在诸如单词“veritas”这样的精细特征的锐利分辨率。哈佛标志的十字架中心附近的亮点由于零阶导致。然而，在设计波长处，零阶中的强度与包含在全息图像中的总强度的比例为大约1％。
虽然，使用pb相位超全息图进行处理的示例例证，但是tio2性质和制造处理延伸超出该特定类型的超颖表面。例如，使用tio2的测量光学常数和使用制造处理可实现的结构维度的模拟表明可以改变柱维度以提供完全2π相位覆盖，而不是使用几何相位(图15)。如此，可以形成使用线性双折射谐振器对相位信息进行编码的dm。而且，完全0至2π相位覆盖的例证允许在可见波长下具有高效率的各种dm部件的实现，诸如轴棱镜、透镜、光栅、移相器和偏振分束器。
该示例已经详细说明跨扫可见光谱的高效dm的实验实现。使用ald产生对于长于大约360nm的波长透明并且具有足够高以提供对于光学波阵面的基本上完全相位控制的折射率的平滑非晶tio2膜。这些超颖表面的制造技术，包括单步骤光刻，提供流水线处理以产生对于dm期望的高度各向异性纳米结构。虽然使用tio2，处理可适用于可以经由ald沉积的其他材料。所制造的超颖表面全息图在它们各自的设计波长具有高效率(大约82、大约81和大约78％)。这里展示的技术是一般性的并且可以应用于其他超颖表面。基础材料的光学性质以及制造技术的精确度的考虑允许dm扩展到可见波长。该处理可以允许厚度为小于传统光学系统的数量级的紧凑光学系统的制造。
材料和方法：
设备制造。上面使用的设备在f石英基板上制造。首先使用六甲基二硅氮烷涂覆基板以促进抗蚀剂粘合，接着未稀释的正调ebr(zep-520a；zeon化学)的旋涂。对于所示的设备，抗蚀剂以大约1,750rpm自旋，以实现大约600nm的期望抗蚀剂厚度。然后在大约180℃下烘焙抗蚀剂达大约5分钟。随后，经由电子束蒸发使用大约10nm的铬涂覆样本，以避免写入处理期间的充电效应。使用大约125kv的加速电压暴露图案(els-f125；elionix有限公司)并且在o-二甲苯中在轻度搅拌下显影大约60s。对于tio2的ald(savannah；剑桥纳米技术)，使用水和tdmat前驱物的双脉冲系统，大约0.2-s的水脉冲，跟着大约7-s的延迟和大约0.4-stdmat脉冲，跟着大约10-s延迟。系统在整个处理中保持在大约20cm3/min的n2运载气体的基本上连续流动下并且维持在大约90℃。这导致每个周期大约0.7nm的总体沉积速率。在unaxis电感耦合等离子体(icp)反应离子蚀刻工具上，使用cl2和bcl3气体的混合物(分别大约3和大约8cm3/min)，在大约4mtorr的压力、大约150v的基板偏压和大约400w的icp功率下实行反应离子蚀刻。蚀刻速率典型地在大约1.3nm/s与大约1.6nm/s之间。在处理完成之后，样本暴露于uv照射和臭氧，接着在去除器pg(微型化学公司)中浸泡达大约24h。
设备设计和模拟。计算的相位映射
设备测量。使用图14中所示的设定来表征设备，设备由光纤耦合激光源(超连续激光器；nkt光子)、线性偏振器、四分之一波片、透镜和照相机/检测器组成。使用关于pb相位的圆形偏振光实行测量。线性偏振器和四分之一波片在输入处生成圆形偏振光，并且四分之一波片和线性偏振器的集合在输出处滤出未转换的光－－螺旋度基本上与输入光相同的光。
光学特性。经由ald将毯覆式tio2膜沉积到硅基板上以制备用于椭圆偏振光谱(se)测量的样本。当存在多于一种材料用于se测量时，应当开发模型以提取特定层的复折射率
用来提取aldtio2的光学常数的tl模型是普通量子力学lorentz振荡器与为带隙上非晶材料的介电常数的虚部推导的tauc模型的组合。tauc模型假设每单位体积n个互不影响的振荡器的集合，并且对于虚介电常数得出下面的表达式：
其中at是振荡器的振幅并且eg是跃迁能量。
对于lorentz振荡器，介电函数的虚部由下面给出
其中e0是振荡器的谐振能量并且c代表增宽。将上面两个等式组合得出关于介电常数的tl模型：
其中a是at和al的积，并且其他拟合参数如上面指定。然后通过kramers-kronig积分获得介电函数的实部。四个拟合参数的值以及膜的厚度在表格1中示出。图8示出原始椭圆测量数据ψ和δ，以及基于上面讨论的模型相应生成的数据。
结构特性。如上所述，测量的tio2膜的表面粗糙度在底层基板的表面粗糙度的量级。图9示出在该示例中使用的熔融石英基板的afm扫描。从图像中，提取大约0.600nm的rms粗糙度。该值与膜沉积在顶部的熔融石英基板的测量的表面粗糙度(大约0.738pm)可比拟。
为了确定aldtio2的原子结构，使用x射线衍射(d8discover；bruker)。如从图10中可以看到的，不存在来自tio2的可检测的衍射峰，即使在大角度扫描上。对于1英寸直径的熔融石英基板上的tio2膜测量该衍射光谱，并且基板经由激光器对齐标记对齐到x射线束的中心。不存在衍射峰指示沉积的tio2膜是非晶的。与此相反，如果膜是多晶的，不同的多晶型将例如对于金红石在大约27.35°或者对于锐钛矿在大约25°生成衍射峰。
几何相位。使用pb相位光学部件实现全息图。这里，个体部件是充当离散单轴晶体的tio2纳米鳍－－它们拥有结构双折射，这导致快光轴和慢光轴，这在入射电场的正交分量之间引入相位差。然后，每个纳米鳍的快轴的空间变化旋转产生几何相位累加。用数学方法，在琼斯演算中，在左和右圆形偏振光(分别为lcp和rcp)的基础中，具有空间变化快轴的波片可以由矩阵表示：
其中
其中r和l代表左和右圆形偏振基础矢量并且<ei|r,l>是分别到rcp和lcp基础上的输入偏振的投影。当输入射束的偏振是rcp或者lcp并且迟滞
eo＝exp(-i2θ(x，y))|l>，
这示出输出偏振是输入偏振的逆并且射束的输出已经获得-2θ(x,y)的相位。通过半波片的对称，角度θ(x,y)可以从0到π变化，但是附加的几何数2意味着通过局部地旋转tio2纳米鳍，可以获得完全2π相位覆盖。
超全息图设计、模拟和测量。为了创建图7中所示的全息图像，使用二进制图像经由gerchberg-saxton技术产生相位映射(图11)。使用图4a中所示的测量的tio2光学数据，执行模拟(3dfdtd；lumerical)。在大约600nm的固定高度，优化纳米鳍的长度和宽度以提供电场的两个正交分量(ex和ez)之间的π相位差，如针对最大效率所指定的。从图12中可以看到，在大约480、大约532和大约660nm的设计波长，tio2纳米鳍提供电场的x和z分量之间的π相位延迟，并且因此充当半波片。
虽然每个个体纳米鳍应当引入π相移以具有最大转换效率(输出圆形偏振的功率与具有相反旋向性的输入圆形偏振的功率的比例)，设备的总体效率也可以取决于每个纳米鳍的透射。图13示出用于大约480、大约532和大约660nm的设计波长的tio2纳米鳍的模拟透射光谱。使用平行于长轴或者短轴偏振的源运行模拟，并且模拟设定与图12中使用的相同。透射对于遍及整个可见光的大多数设计保持相对高。然而，关于大约660nm的设计在较短波长处具有相对低的透射；这反映在测量的效率中并且可以通过允许优化技术更加穷尽地搜索具有较高透射的结构而调整。另外，其他选项包括抗反射涂层的提供、纳米鳍的尖端变细或者使用重叠的电和磁谐振(huygens超颖表面)来增强设备的效率。
使用图14中所示的示意图执行图7中所示的全息图像的收集。超连续激光器提供对于从大约470nm到大约800nm的波长的访问，并且通过准直器、线性偏振器和四分之一波片来发送以注入圆形偏振光(如由pb相位指定的)。圆形偏振光然后入射在包含在样本上的大约300×大约300μm2超全息图上，并且使用输入光的相反旋向性转换成全息图像。经过样本的光然后发送通过数值孔径为大约0.9的100×物镜。因为准直射束的斑点大于全息图的面积，以及为了滤除经过全息图但是没有转换的任何光(例如，由于tio2纳米鳍没有作为完美的半波片而操作)，在物镜之后放置相对于输入光交叉偏振的滤波器。在效率测量的情况下，然后使用功率表测量强度。对于收集全息图像的情况，光经过bertrand透镜以放大全息图。
一般tio2超颖表面的模拟。在该示例中例证的处理和tio2材料性质扩展超出使用pb相位实现的超颖表面。为了示出可以形成不同类型的超颖表面，执行具有tio2的收集的n和k数据以及使用处理可实现的纳米结构维度的结构的模拟。模拟结果在图15中示出。当tio2柱的直径变化时，固定在大约600nm的高度，可以在不使用几何相位的情况下产生从0到2π的相位差。
表格1.tio2膜的拟合参数
参数值
如本文中使用的，单数术语“一”、“一个”和“这个”可以包括复数引用，除非上下文另外清晰地指示。因此，例如，对于对象的引用可以包括多个对象，除非上下文另外清晰地指示。
空间描述，诸如“上面”、“下面”、“上”、“左”、“右”、“下”、“顶部”、“底部”、“垂直”、“水平”、“侧面”、“更高”、“更低”、“上部”、“上方”、“下方”等等相对于图中所示的取向而指示，除非另外指定。应当理解，本文中使用的空间描述仅为了例示的目的，并且本文中描述的结构的实践实现方式可以按照任何取向或者方式空间地排列，只要本公开内容的实施例的价值不会由于这种排列而偏离。
如本文中使用的，术语“近似”、“基本上”、“实质”和“大约”用来描述和考虑小的变化。当连同事件或者情况一起使用时，术语可以指事件或者情况精确发生以及事件或者情况近似发生的实例。例如，当连同数值一起使用时，术语可以涵盖那个数值的小于或者等于±10％的变化范围，诸如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或者小于或等于±0.05％。例如，两个数值可以认为“基本上”相同或者相等，如果值之间的差小于或者等于值的平均数的±10％，诸如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或者小于或等于±0.05％。例如，“基本上”正交或者垂直可以涵盖相对于90°小于或者等于10°的变化范围，诸如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或者小于或等于±0.05°。例如，“基本上”平行可以涵盖相对于0°小于或者等于10°的变化范围，诸如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或者小于或等于±0.05°。
如本文中使用的，术语“纳米范围”或者“nm范围”指从大约1nm至大约1μm的维度范围。nm范围包括“较低nm范围”，指从大约1nm至大约10nm的维度范围，“中等nm范围”，指从大约10nm至大约100nm的维度范围，以及“较高nm范围”，指从大约100nm至大约1μm的维度范围。
如本文中使用的，术语“纳米结构”指具有nm范围中的至少一个维度的对象。
另外，数量、比例和其他数值有时在本文中以范围格式展示。应当理解，这种范围格式为了方便和简略而使用，并且应当灵活地理解为包括显式地指定为范围极限的数值，而且也包括涵盖在那个范围内的所有个体数值或者子范围，就好像显式地指定每个数值和子范围一样。
虽然已经参考本公开内容的具体实施例描述了本公开内容，但是本领域技术人员应当理解，在不背离本公开内容的真实精神和范围的情况下，可以进行各种改变以及可以取代等同物。另外，可以进行许多修改以使得特定的情况、材料、物质组成、方法、一个或多个操作适应于本公开内容的目的、精神和范围。所有这种修改打算在范围内。特别地，虽然已经参考按照特定次序执行的特定操作描述某些方法，但是应当理解，在不背离本公开内容的教导的情况下，这些操作可以组合、细分或者重新排序以形成等同的方法。因此，除非本文中具体地指示，操作的次序和分组不是本公开内容的限制。