基于PS納米球的磁光全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備

1、 基于PS納米球的磁光全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備 王會麗摘 要：本文利用聚苯乙烯（Polystyrene，PS）納米球自組裝技術(shù)，結(jié)合介質(zhì)磁光材料，制備了三種磁光全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別為介質(zhì)納米柱陣列、三角納米點(diǎn)陣以及納米孔陣列。在這些結(jié)構(gòu)的制備過程中，逐漸擺脫了傳統(tǒng)的微納制造技術(shù)，如光刻、刻蝕等。制備方法快速、工藝過程簡單、成本低。制備的磁光器件結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、調(diào)控幅度較高，在光隔離器、磁光傳感器等方面具有潛在的應(yīng)用。Key：全介質(zhì)結(jié)構(gòu);PS納米球;磁光材料;磁光器件入射光進(jìn)入具有固有磁矩的物質(zhì)內(nèi)部傳輸或者在物質(zhì)界面反射時所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，光波的傳播特性，例如偏振面，相位或者散射特性會發(fā)生變化，這個物理

2、現(xiàn)象被稱為磁光效應(yīng)（Magneto-Optical Effect）。1利用材料的磁光效應(yīng)制作的各類光信息功能器件被稱為磁光器件，其在工業(yè)、國防、航空航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前磁光表面等離激元共振器件主要采用磁性金屬材料，損耗高;同時等離激元器件本征的散射損耗依然制約了器件優(yōu)值。研究發(fā)現(xiàn)，高介電常數(shù)的介質(zhì)納米顆粒的Mie諧振可以避免金屬層的色散吸收和能量損耗，實(shí)現(xiàn)高Q值共振。2于是本文基于PS納米球自組裝技術(shù)以及高介電常數(shù)的磁光材料YIG/Ce：YIG（n=2.22），成功制備了三種磁光全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，這將為磁光器件的制備提供一些新的參考。結(jié)構(gòu)中的磁光材料Ce：YIG相比于鐵磁金屬材料，在可

3、見光及近紅外波段有著較低的光學(xué)損耗，并且具有較高的磁光效應(yīng)3以及較高的穩(wěn)定性。1 介質(zhì)納米柱陣列介質(zhì)納米柱陣列制備流程如圖1所示。（a）首先選用SOI基底，主要是利用SOI的頂層硅以及中間的絕緣層SiO2。（b）在SOI基片上再用磁控濺射技術(shù)生長約60nm的SiO2，以及排列顆粒尺寸為540nm的PS納米球，并用氧等離子體處理，得到大小合適的納米球陣列。本文氧等離子體處理工藝為90w，200s，最后所得納米球直徑為340nm左右。（c）在PS納米球做掩膜下，刻蝕生長的SiO2，刻蝕氣體及比例為ArHeCHF3=55050?？涛g完畢，用甲苯溶液洗去PS納米球。（d）以SiO2為掩膜版刻蝕SOI的

4、頂層硅，刻蝕氣體及比例為O2：SF6：CHF3=10：15：15。（e）在濃度為1：10的HF溶液中，去除SiO2掩膜層以及刻蝕SOI中間的絕緣層SiO2。（f）用脈沖激光沉積技術(shù)在硅納米柱陣列上生長YIG/Ce：YIG材料。制備過程中得到的表面形貌如圖2所示，圖2（a）為流程圖中（c）步驟所得結(jié)構(gòu)的SEM。圖2（b）為流程圖中（d）步驟所得結(jié)構(gòu)的SEM。圖2（c）為流程圖中（e）步驟所得結(jié)構(gòu)的截面圖。由SEM圖片可見，納米柱陣列大面積整齊有序。2 三角納米點(diǎn)陣三角納米點(diǎn)陣的制備采用顆粒直徑為800nm的PS納米球。不同尺寸的納米球在溶液配比上略有不同。首先在硅片上得到六角密排的PS納米球，如

5、圖3（a）所示。在104的電熱板上加熱20s，提高PS小球在硅片上的粘附性。然后不經(jīng)過氧等離子體的刻蝕而直接在室溫下沉積YIG/Ce：YIG薄膜，于是薄膜一部分沉積在納米球表面，一部分沉積在納米球的三角形縫隙間。用甲苯溶液去除PS納米球，便得到大面積三角納米點(diǎn)陣的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。再經(jīng)后續(xù)的快速退火處理，可使介質(zhì)磁光材料晶化。3 介質(zhì)納米孔陣列介質(zhì)納米孔陣列結(jié)合了前兩種結(jié)構(gòu)工藝的優(yōu)點(diǎn)，工藝進(jìn)一步簡化，性能進(jìn)一步提高。首先在雙拋的石英基底上排列顆粒尺寸為1m的PS納米球，經(jīng)氧等離子體處理500s700s，使納米球直徑縮小至700nm左右。然后用脈沖激光沉積技術(shù)沉積YIG/Ce：YIG薄

6、膜。用甲苯溶液去除納米球，便制備了大面積六角周期的全介質(zhì)納米孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)1，工藝大大簡化;相比結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)材料占空比大大提高，在后續(xù)的快速熱處理過程中，更容易晶化，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的磁光效應(yīng)。4 結(jié)論本文提出了三種基于PS納米球自組裝技術(shù)的磁光全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法。PS納米球在制備過程中起到掩膜版的作用。磁光介質(zhì)納米顆粒的Mie諧振可以提高器件優(yōu)值，增強(qiáng)磁光效應(yīng)。Reference：1P.S.Pershan.Magneto-optical effectsJ.Journal of applied physics，1967，38（3）：1482-1490.2L.Shi，J.T

7、.Harris，R.Fenollosa，et al.Monodisperse silicon nanocavities and photonic crystals with magnetic response in the optical regionJ.Nature communications，2013，4：1904.3J.Qin，Y.Zhang，X.Liang，et al.Ultrahigh Figure-of-Merit in MetalInsulatorMetal Magnetoplasmonic Sensors Using Low Loss Magneto-optical Oxide Thin FilmsJ.ACS Photonics，2017，4（6）：1403-1412.科技風(fēng)2019年17期