微纳加工的应用.ppt

微纳加工的应用一、光学领域的应用o表面等离激元 表面等离激元的激发与传播 表面增强拉曼散射 表面等离激元波导 表面等离激元增透 一、表面等离激元的激发与传播1、概念：表面等离激元是一种局域在金属表面的自由电子与光子相互作用所形成的激发态倏逝波。在此相互作用下，金属表面的自由电子在与其具有共同振动频率的电磁波辐照下产生集体振荡，从而产生具有特殊性质的表面等离激元。属性：表面等离激元是一种束缚在介质/金属界面上的电磁波，能量随着传输距离的增加而急剧减小，是一种非辐射波 特点：1、等离激元对光子具有高选择性的散射与吸收特性 2、可以将电磁场束缚在界面周围从而提高界面处的电磁场强度 3、通过波导结构，可以使表面等离激元在一定距离沿着波导传播（将集成光路中光子的传播转换为表面等离激元的传播）表面等离激元的动量大于入射光的动量，动量不匹配，表面等离激元不能被激发2、波矢补偿手段 衰减全反射法 衍射补偿法衰减全发射法：是通过利用棱镜，当入射光以大于全反射角的角度入射到金属/介质界面时，随着透镜介质折射率的增加时增加入射光波矢，利用透镜的高折射率可以进行光波矢补偿 衍射补偿法：是通过在导体表面制备衍射光栅,入射电磁波受到表面衍射光栅的调制，当衍射光的光波矢和表面等离激元的 波矢相匹配时，金属表面等离激元将会被激发，入射的电磁波将会与表面等离激元耦合 采用衍射方法补偿波矢以此激发金属表面等离激元的示意图二、表面增强拉曼散射引入：通过各种纳米结构对表面等离激元进行强束缚及耦合，可以使表面等离激元局域化，这种局域化的等离激元可以极大地增强局域的电场场强。增强效应包括入射光的增强和拉曼散射光的增强两部分。提出：多种金属纳米结构可以调控表面等离激元，使其在金属界面处束缚及耦合，从而增强界面处的电磁场强度 金属纳米颗粒 金属纳米结构 金属纳米椭球 金属材料结构组合成的双体、多体o金属纳米结构组合成双体或多体 利用相邻金属纳米结构实现局域表面等离激元的耦合 Eg；（1）通过分散Au纳米球悬浮液获得Au纳米球的双体和三体团簇，这些Au纳米球中的局域表面等离激元彼此将会发生耦合，从而使Au纳米球之间的电磁场强度得到 极大的增强 （2）把Au纳米球通过自组装构成规则阵列，通过计算所得到相邻的Au纳米球外壳之间的电磁场增强最多可以达到近20倍 三、表面等离激元波导概念：通过人工制备的特定微纳米结构，使表面等离激元能够在其中进行特定形式的传播。通常，当金属线条的特征宽度为微米量级而厚度是几十个纳米的时候,它就可以作为表面等离激元的波导 用途：1、对于ITO玻璃 上沉积的厚度为55 nm的金膜，利用FIB在条状金膜上刻出微米尺度的表面等离激元的波导，用声子散射隧穿显微镜对这些微米结构周围进行近场表征表面等离激元耦合波导的微栅结构（a）整体结构SEM照片（b）金属条的高倍SEM照片 2、利用具有沟道表面等离激元极化模式的金属V形沟槽作为表面等离激元波导，并通过FIB技术制备出利用这种波导模式形成的Y形分束干涉器，使超高密度的光子元件成为了可能（a）Y形分束器（b）马赫-曾德尔干涉器 3、等离激元波导利用银纳米线与SU-8介质波导集成的“分光”器件。4、通过金属纳米线波导的网络结构来实现基本的逻辑运算功能四、表面等离激元增透o提出：o 1998年，Ebbesen等提出了不透明金属中亚波长孔洞中的光学异常透射现象，即在周期性结构的不透明金属狭缝中，透射光的强度远大于经典的衍射理论 o影响因素：1）对称性 亚波长金属孔列阵中高对称结构是低对称性结构透过率的6倍 o2）长程有序（周期性）o 通过对比亚波长准晶金属孔阵列和无序金属孔阵列的增透特性，发现准晶金属孔阵列对入射的电磁波有高达20%的透过率，但在无序结构中未发现增强透过现象o3）单元形状 o超材料 超材料及其原理 微波波段超材料 太拉赫兹与红外波段超材料超材料 近红外与可见光波段超材料 组合结构及三维立体超材料 一、超材料及其原理o概念：超材料是一种基于表面有序微纳米结构的人工材料。它具有负折射率效应的电磁传播特性。o负折射率材料:o 是指一种介电常数 和磁导率 同时为负值的材料。电场、磁场和波矢之间构成左手关系。二、微波波段超材料o超材料所需的亚波长单元结构大都在毫米量级 o以精确地利用集成印刷技术直接制备 o利用负折射性质制造的高指向性天线、聚焦微波波束、电磁波隐身材料等，可用于军事学、气象学、海洋学、医学等各种领域 o微波波段左手材料o 首次证实了负折射率的o电磁传播特性o使超材料的介电常数与磁 导率张量随空间位置变化 实现特定的连续分布，则可以控制电磁波在超材料中的传播，实现“隐身”功能 三、太拉赫兹与红外波段超材料o超材料的亚波长单元结构和特征尺寸进入微米量级 o采用曝光等微加工技术制备o太拉赫兹超材料 通过紫外曝光和电子束蒸镀实现 的特征线宽达到微米尺度的金属铜 SRR单元组合成平面阵列。在一个有 倾角的偏振入射情形下，通过改变单 元结构各几何参数的尺寸，在0.8 1.4 THz的范围内实现不同的磁响应。太拉赫兹波段超材料:样品与测试示意图四、近红外与可见光波段超材料o特征尺寸：o 近红外-可见光频段的超材料，其单元尺寸已进入百纳米量级，单元结构中的最小特征尺寸达到几十纳米甚至十几纳米 o工艺:1）利用EBL和金属薄膜蒸镀技术实现了平面的开口环阵列结构，在近红外频段100 THz频率附近实现了高频的磁响应 (a)SRR开口环形谐振器的原理示意图；（b)开口环形谐振器的结构示意图:(c)单元开口环形谐振器的SEM照片 o2）高频的左手材料:采用紫外光源相干曝光和反应离子刻蚀技术制作出周期性百纳米直径的圆孔阵列，通过引入介质层分隔的一对金属层和惯穿于多层薄膜的孔阵列，最后成功地在2 nm波长的近红外频段实现了负折射o由 介质层和金薄膜多层结构组成的近红外波段超材枓 o3）利用EBL和多层蒸镀技术或者多层沉积和FIB 刻蚀技术实现了在可见光区域具有负折射特性的多层网状超材料 由21层Ag/网状结构组成的可见光波段超材料(a)结构示意图：(b)网状结构的SEM照片五、组合结构及三维立体超材料o三维加工方法最直接的就是从平面纳米工艺发展而来的多层技术。o 如直接利用EBL技术，多层依次对准、曝光、沉积,实现多层SRR近红外超材料结构 o利用EBL技术,多层依次对准、曝光、沉积实现的四层SRR近红外超材料结构o一些特殊的制备方法实现特定结构的三维超材料o1、利用衬底部分溶解、调制曝光、沉积溶脱技术实现的倾斜三维纳米超材料结构 利用衬底部分溶解、调制曝光、沉积溶脱技术实现的倾斜三维纳米超材料结构 o2、利用纳米小球掩模和侧向刻蚀技术依层加工制备出的多层弧形超材料o o利用纳米小球掩模和侧向刻蚀技术依层加工制备多层弧形超材料的流程示意图(左），及超材料的SEM照片 o 3、掩模投影沉积技术可以在立方格子的各个表面制备金属纳米结构，来实现红外和可见光波段三维超材料的制备，利用这一技术所制备的立体超材料样品，在高频域通过竖直SRR结构的磁耦合来实现对磁导率的调制o采用薄膜投影沉积技术制备超材料谐振器的流程示意图，超材料的SEM照片o光子晶体概念:光子晶体是由不同折射率的介质周期排列组合而成的人工微纳结构 光子带隙：由于高低折射率的材料交替排列形成周期性结构，使电磁波在其中的传播受到布拉格散射影响，因而产生光子晶体的“光子带隙”。频率落在光子带隙中的电磁波不能在光子晶体中传播 Why:光子晶体的研究与微纳加工技术的有密切联系光子晶体的研究与微纳加工技术的有密切联系 要得到光子带隙在红外或可见光波段的光子晶体，其晶格常数应该在微米甚至亚微米量级；同时，为了满足特定的周期性条件，对光子晶体单元结构的精准性以 及大面积周期结构的均匀性和一致性提出更高的要求。这些要求决定了光子晶体的研究与微纳加工技术的密切联系。o制备方法：o 1）以FIB刻蚀、EBL以及各种刻蚀技术(二维、主要）oEg：o 1、利用FIB和湿法腐蚀的方法在SOI衬底上制作出空气桥式二维光子晶体 FIB制备的部分空气桥式平板波导的SEM照片 o 2、利用EBL及ICP刻蚀技术在Si(100)上成功制作出圆柱状蜂窝形的光子晶体在波长1.5 的近红外频段处测得了完全的光子带隙。o利用EBL与ICP-R1E制备的近红外波段六方排布圆柱状蜂窝形光子晶体o2）三维光子晶体的探索o 利用光电化学方法和 FIB技术相结合，用FIB在已经制备的光子晶体结构的多孔硅上刻蚀出另外一个维度的光子晶体结构，成功地加工出一种具有六方格子正交结构的三维光子晶体 两套六方格子正交结构的光子晶体（a）三维立体图（b）截面平面图o发光器件及其他 荧光特性 激光器及微纳谐振器一、荧光特性 基于材料的表面微纳米结构影响材料的荧光特性的研究 1）采用传统制备多孔硅的阳极氧化方法在n型硅上制备的多孔硅，利用氢等离子体刻蚀在其表面形成硅纳米锥阵列，研究其荧光特性后发现：相对于刻蚀前其荧光强度明显提高2）采用EBL制备了 Ag纳米点阵并在其上覆盖了一层荧光物质，发现Ag纳米点阵的存在极大提高了荧光物质的荧光效率 130 nm的(a)正方形和（b)三角形Ag纳米点阵 二、激光器及微纳谐振腔 1、利用三角阴影蒸发工艺制备的金属铝纳米结构实现的微波激射器（发射微波的激光器）基于单“人工原子”的微波激射器(a）结构示意图；（b）结构的SEM照片；（c）器件的光学显微镜照片（d）激射机理 2、使用EBL和RIE技术以及聚合物外延转移方法在蓝宝石衬底上制作了一种环形 孔洞结构的环形谐振器，这是一种能够用于光通讯和生物传感 产生激光振荡的环形共振器结构 3、利用EBL技术在SOI衬底上加工最小间距260 nm的环型共振器和波导结构，这种环形谐振器与波导耦合形成了一种对光的限制结构，从而实现硅衬底上的快速全光开关与调制。与波导耦合的环形共振器结构(左下插图为整体结构）二、磁学领域的应用o磁畴与畴壁 单畴特性 畴壁动力学一、磁畴与畴壁o概念：磁畴：铁磁材料样品由许多完全磁化的区域构成，这些区域称为 磁畴壁：相邻磁畴的分界，具有复杂的电子状态 静磁能：自发磁化所产生 真空磁导率，H为磁场强度，是空间积分 o磁畴的作用：整个铁磁体附近的空间内，会有较高的静磁能，分割成多个磁畴会使磁场的能量不断降低，自发磁化将趋向于分割成为磁矩方向不同的磁畴，以降低静磁能，并且分割越 细,静磁能越低 畴壁本身具有一定能量，磁畴的分割意味着在体磁体中有更多的畴壁，使畴壁能增加，因此磁畴不能无限地分割o畴壁分类：Bloch壁 Bloch壁中磁矩方向的 旋转是在平面之外发生的 畴壁 Neel壁 Neel壁中磁矩方向的旋转是发生在平面内的 磁畴壁结构示意图 (a)Bloch 壁；（b)Neel壁o畴壁磁电阻的产生：由于畴壁两侧磁子的磁化方向不同，当电子通过畴壁的时候会受到费米面附近不同磁化方向电子的散射，而当外加磁场使畴壁两侧的磁化方向一致时，这种散射将会减小，从而产生畴壁磁电阻 o畴壁磁电阻的制备：1、利用两个镍金属线在末端形成纳米级针尖，通过施加外力使两个针尖形成纳米点接触，在室温下得到了高达280%畴壁磁电阻 (a)两个镍金属线末端的纳米级针尖形成点接触结构(b)镍纳米点接触的磁电阻随电导的变化o 2、利用EBL制作的宽度为15 nm的镍点接触结构，通 过改变外加磁场观察到了与畴壁有关的电阻变化，约为0.3 这是由于点接触位置的磁结构类似Neel壁，增大外加磁场，会使电阻发生变化 o(a)EBL制作的宽度为15 nm的点接触纳米结构：（b)点接触电阻随磁场发生变化 o磁壁对电阻的影响:对铁磁材料磁畴方面，在多数情况下畴壁对电阻的影响非常小，只有在少数情况下，例如各向异性磁材料中 畴壁的厚度达到几个纳米时，这种影响才大到可以被观测到，单个畴壁的磁电阻为1.8%。和单个铁磁畴相比，单个反铁磁反相边界具有更高的电阻率、更大的磁致电阻效应和更高的饱和磁场。另外，单个反铁磁反相边界的磁致电阻曲线的形状不随温度发生变化，而单个铁磁畴的磁致电阻曲线的形状却依赖温度 二、畴壁动力学电流感应的磁化翻转效应 对磁性材料纳米结构，在不需要外加磁场的条件下，只通过注人自旋极化电流，就可以使纳米结构中的磁矩方向改变，甚至发生翻转，从而实现自旋注入 验证：(a)设计的器件结构Co(6 nm)/Cu(2.5 nm)/Co(15 nm)中，当电流 从自由层(Co 1)流向钉扎层（Co 2)时，自旋极化电子（磁化方向和 钉扎层相同）从钉扎层(Co 2)流向自由层(Co 1)；当自旋极化电流大到一定程度时，将使自由层的磁化方向翻转，达到和钉扎层一致，器件电阻因此发生变化;通过扫描电流研究器件的I-V特性，可以观察到赝自旋阀结构电阻的跳变，以及类似于GMR效应中的回线。（a）赝自旋阀多层膜的基本结构示意图（b）赝自旋阀结构的电阻与外加磁场的关系o不同形状的纳米点接触对电阻的影响 采用EBL制作不同对顶角的因瓦合金点接触结构研究电阻变化的过程不同形状的纳米点接触R-V曲线(a)对称钝角；（b)对称锐角；（c)电流从锐角流叫钝角；（d)电流从钝角流向锐角o 由两个较大对顶角（钝角形成的点接触结构，接触位置附近纳米线的宽度变化很明显，电阻突然下降，曲线陡直度高。o 对于两个较小对顶角（锐角）形成的点接触结构，接触位置附近纳米线的宽度是平缓变化的，电阻下降的速度很平缓。o 钝角对接锐角形成的点接触结构，通过改变测试电流的方向与电阻变化曲线的关系，可以确定畴壁的移动方向与自旋极化电流方向相反，即与自旋极化电子移动的方向相同。o 当具有很高密度的电流流经畴壁的时候,起主要作用的是电流本身产生的磁场和电子的自旋动量传输，即自旋扭矩效应。此效应中畴壁在自旋极化电流作用下的动力学机制有为两种，即动量传输和自旋传输。电流可以推动畴壁的运动，那 么畴壁与电流之间是如何进行相互作用的呢?o说明：当交变电场的频率与畴壁的本征振动频率一致时，畴壁会吸收电场能引起共振，从而引起点接触交流电阻的增大 o 纳米点接触结构中，自旋极化电流使畴壁运动，电子的动量传输占主导地位 因瓦合金不同宽度纳米点接触的交流电阻曲线磁存储与磁逻辑电路 随着纳米技术的发展,磁性材料纳米器件所表现的优异特性导致自旋电子学的加速发展 一、目的:自旋电子学目的是用电子的不同自旋作为信息的载体，是在以电荷为信息载体的基础上增加了一个维度用来处理信息。自旋电子器件在信息存储方面有优势 自旋电子器件在逻辑信号处理方面也具有诱人的应用前景 磁性半导体自旋逻辑器件二、自旋逻辑器件 磁性金属自旋逻辑器件 1.由于半导体材料中的载流子浓度比较低，难以得到很高的电流密度。多数情况要求在较低的温度工作，并且磁性半导体自旋逻辑器件要求材料的磁电阻非常高，至今无法实现 2.磁性金属自旋逻辑器件 1）优点：金属的电阻比半导体小几个数量级，能大幅度地减小电路本身的能量损耗，更有利于电信号的传输，并且有很高的集成度 磁性金属器件大部分都可以在室温下工作 2)制备：A.利用EBL技术在坡莫合金上制作一系列椭圆形的量子点结构，每个量子点上只有一个磁畴，即一个量子点具有一个磁化方向，不同的磁化方向代表不同的逻辑符号“0”或“1”。信息通过相邻量子点间磁化感应向传递，使系统具有一定的逻辑处理功能(a)量子点阵列组成的逻辑器件;（b)器件的逻辑处理功能 B.利用EBL制作坡莫合金的纳米线，纳米线中的畴壁在外加磁场驱动下沿着纳米线移动，改变磁化方向，能够实现对于克尔磁信号的逻辑运算 基于畴壁运动对的纳米逻辑器件 自旋逻辑器件有电驱动磁检测、磁驱动电检测、磁驱动光检测，都不能直接得到应用，如何使自旋电子器件与现今的CMOS电路相兼容实现自旋信号与电信号之间的相互转换 o 自旋极化电流诱导磁化翻转即电流可以在无外加磁场的条件下控制纳米点接触的电阻电信号电信号自旋信号自旋信号自旋极化电流诱导磁化翻转自旋极化电流诱导磁化翻转o 基于电流驱动畴壁与纳米点接触电阻关系，设计并制作出基于畴壁运动的“非”“与非”“或非”等多种逻辑电路 o Eg:利用因瓦合金制作的“非”门 电路的SEM图及测试结果,输出信号一直随输入信号变化,实现稳定可靠的逻辑“非”操作。这种逻辑电路在室温条件下,直接用电信号驱动并且使用电信号探测，具有集成度高、成本低、兼容性好和低功耗的特点(a)全金属逻辑“非”门电路的SEM照片；（b)输入与输出特件