大面积硅光子晶体超表面的制备及光学传感应用.pdf

摘要

近年来，超表面已经成为纳米光子学中发展最快的领域之一。超表面是由金属或高折射

率电介质材料组成的亚波长尺度的纳米结构，可用于设计超薄形式的功能器件。由金属微纳

结构构成的等离激元超表面，其主要依靠金属微纳结构的局域等离激元效应实现对光的调控。

其提供强大的光学共振，使得在光束转向器、全息图及高分辨率彩色印刷等方面的应用层出

不穷。然而，等离激元超表面最明显的局限性之一是具有较高的光学损耗，因此降低了器件

的整体性能，限制了很多实际应用。同时在研究实验中，电子束光刻（EBL）和聚焦离子束

（FIB）技术通常用来制备各种小规模的超表面光学器件。但对于未来大规模器件的制备，上

述技术存在高成本、加工时间长的缺点。如何实现大规模以及高性能光学器件的制备是目前

面临的一大难题。

基于上述问题如何实现低成本以及大规模器件的制备。本文中提出了软纳米压印光刻

（SNL）和反应离子刻蚀工艺（RIE）相结合的技术来制备大面积光子器件。与传统工艺EBL、

FIB等实现小规模纳米结构的制备不同，SNL技术可以实现高通量、大面积纳米结构的制备。

文中通过控制刻蚀条件，可以基于一个原始印章获得10个新的纳米结构，并且可以在很大范

围内有效调谐超表面共振。实验中还提出了一种迭代压印和刻蚀的方法，以进一步降低超表

面的最小尺寸，从而提高较小结构的质量。实验证明该方法能够实现了大规模的纳米结构的

扩增而不影响纳米尺度的分辨率，并且降低了实验成本。

光学连续域束缚态（BIC）的电介质超表面器件因光学损耗远小于等离激元超表面而受到

广泛关注。通过激发准BIC共振模式，可以极大实现近场增强及高质量因子。基于此原理，

本论文在第二个研究工作中采用上述方法制备了具有高品质因数的大面积硅基光子晶体器件。

结合仿真和实验发现在蚀刻过程中引入横向和垂直维度的变化，会激发了光子晶体中的准

BIC模式，并实现最高的质量因子为136的光子器件的制备。我们计算了其折射率传感的超

高灵敏度为1703nm/RIU。该器件在检测葡萄糖溶液浓度变化和单层硅烷分子吸附时观察到

良好的光谱移动。该方法实现了大面积、高性能的准BIC器件的低成本制造，这使未来现实

的光学传感应用成为可能。

综上所述，本论文针对纳米光子学领域如何制备大规模以及高性能光学器件的挑战，提

出了结合SNL和RIE工艺方法，实现了具有高Q值的大面积、低成本及高分辨率硅基光子

器件的制备。有望推动纳米光子器件的发展，应用于光学传感领域。

关键词:超表面，硅基光子晶体，连续域束缚态，高品质因子，光学传感

Abstract

Inrecentyears,metasurfaceshavebecomeoneofthefastestgrowingfieldsinnanophotonics.

Metasurfacesaresub-wavelengthscalenanostructurescomposedofmetalsorhighrefractiveindex

dielectricmaterialsthatcanbeusedtodesignfunctionaldevicesinultrathinforms.Theplasmon

metasurfacecomposedofmetalmicro-nanostructuremainlyreliesonthelocalplasmoneffectof

metalmicro-nanostructuretorealizetheregulationoflight.Itprovidespowerfulopticalresonance,

enablingapplicationsinbeamdiverters,holograms,andhigh-resolutioncolorprinting.However,one

ofthemostobviouslimitationsofplasmonmetasurfacesisthehighopticalloss,whichreducesthe

overallperformanceofthedeviceand