나노포토닉 장치 제조를 위한 프로그래밍 가능한 나노복제 성형물

May 27, 2023

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 22445(2016) 이 기사 인용

2522 액세스

12 인용

측정항목 세부정보

파장 이하의 특징을 지닌 주기적인 구조를 제작하는 능력은 통합 광학, 광학 센서 및 광전지 장치에 영향을 미칠 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 여기에서는 단일 금형을 사용하여 다양한 마이크로미터 이하의 주기적인 패턴을 제작하기 위한 프로그래밍 가능한 나노복제본 성형 공정을 보고합니다. 이 공정은 신축성 있는 주형을 활용하여 유리나 플라스틱 기판의 광중합체에 원하는 주기적 구조를 생성합니다. 복제 성형 과정에서 주형에 일축력이 가해지고 주형 표면에 존재하는 주기적인 구조가 변경됩니다. 힘의 방향과 크기는 격자 상수와 배열을 포함한 배열 형상을 결정합니다. 금형을 늘려 정사각형, 직사각형, 삼각형 격자 구조의 2D 배열을 제작할 수 있습니다. 한 가지 예로서, 성형 중에 가해지는 힘에 의해 결정되는 표면 플라즈몬 공명을 갖는 플라즈몬 결정 장치를 제시합니다. 또한, 다양한 배열 패턴을 가진 광결정 슬라브를 제작하고 특성화합니다. 이 독특한 공정은 다양한 주기적 나노구조를 빠르고 저렴하게 생성할 수 있는 능력을 제공합니다.

1D 및 2D 하위 파장 격자와 같은 주기적인 나노구조는 빛의 전파를 제어하고 빛-물질 상호 작용을 향상시킬 수 있으므로 광범위한 광학 응용 분야에 매우 중요합니다1. 이들은 회절 격자, 와이어 그리드 편광기, 격자 커플러, 분산 피드백 레이저 및 광결정2,3,4,5을 포함한 다양한 광자 장치에 활용됩니다. 주기적인 나노구조의 제작은 마이크로미터 이하 규모로 작업해야 하기 때문에 제한되어 왔습니다. e-빔 및 심자외선을 사용하는 것과 같은 기존 리소그래피 방법은 너무 비싸거나 웨이퍼 규모 제조에 대한 처리량이 충분하지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 간섭 리소그래피와 소프트 리소그래피가 성공적으로 적용되었습니다6,7,8,9,10,11. 소프트 리소그래피는 주기적인 나노 구조의 저렴한 롤투롤 제작 기능을 제공합니다. 예를 들어 몰드의 패턴은 큰 기계적 필요 없이 나노복제 성형 공정을 통해 실온에서 광경화성 고분자 재료로 전사될 수 있습니다. 힘12,13,14.

소프트 리소그래피는 성공했지만, 금형 비용이 높다는 단점이 있습니다. 기능을 도입하거나 수정하려면 새 금형을 제작해야 합니다. 다양한 패턴, 특히 주기적인 구조의 생성을 용이하게 하기 위해 프로그래밍 가능한 접근 방식이 개발되었습니다. 예를 들어, 나노패턴을 지닌 열가소성 기판의 열 튜닝은 단일 금형에서 다양한 패턴을 생성할 수 있습니다. 또는 Pokroy et al. 다양한 마이크로미터 규모의 주기를 갖는 나노포스트 배열을 생성하기 위해 탄성 및 유연한 금형을 활용했습니다.

본 논문에서는 단일 금형을 사용하는 프로그래밍 가능한 나노복제본 성형 공정으로 제작된 다양한 플라즈몬 결정과 광결정 슬래브를 제시합니다. 이 기술은 탄성 폴리디메틸실록산(PDMS) 몰드의 기계적 스트레칭을 사용하여 다양한 주기와 격자 배열을 갖춘 주기적인 구조를 만듭니다. 동시에 기존 나노복제본 성형 방식의 높은 처리량과 저렴한 비용의 특징을 유지합니다. 힘이 가해지면 PDMS 몰드의 표면은 원하는 주기적 구조의 음의 볼륨 프로파일로 자체 조정됩니다. UV 경화성 폴리머(UVCP)에서 늘어난 금형 모양을 복제하면 저렴하고 확장이 가능한 프로세스에서 프로그래밍 가능한 나노구조가 생성됩니다. 복제 성형 후, 생성된 주기적인 구조는 유전체 또는 금속박막으로 코팅될 수 있습니다. 몇 가지 예로는 이산화티타늄(TiO2), 금, 은이 있습니다. 100nm 두께의 은 코팅을 사용하여 제작된 2D 플라즈몬 결정은 410nm~570nm의 스펙트럼 범위에서 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 나타냅니다. 동일한 PDMS 몰드를 사용하여 정사각형, 직사각형 및 삼각형 구조의 세 가지 격자 배열을 가진 포토닉스 결정 슬래브를 제작했습니다. 광결정 슬라브는 160nm 두께의 TiO2 필름을 광 감금층으로 사용합니다. 마지막으로, 제작된 광결정 슬라브의 밴드 다이어그램을 실험적으로 결정하고 전자기 이론의 시뮬레이션과 비교합니다.