聚焦离子束在介质材料微纳加工中光学损伤与修复的理论及关键工艺研究

Micro/nano-fabrications are the basis for the development of nano optics. As a typical fabrication technology, focused ion beam is widely used in the fabrication of nano-optical devices because of its simple process, high flexibility, mask-less lithography, nano-resolution, et al. However, in the process of fabricating dielectric materials by using focused ion beam, the material amorphization and ion implantation may cause changes in the performance of micro/nano structure optical devices. In this project, we will try to solve the above problems. The dielectric materials (such as silicon nitride, lithium niobate, silicon carbide) will be studied. The theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification will be combined to reveal the influence of the modified layer on the performance of micro/nano structure optical devices. Combining chemical corrosion, low energy physical bombardment, interaction between high energy laser and matter, a new way to remove damage layer will be explored. A new quantitative and nondestructive testing method for identifying the thickness of damage layer will be established by adopting micro-area optical characteristic spectrum detection technology. The dielectric material micro/nano structure optical devices with damage layer thickness less than 5 nm and feature size less than 50 nm will been developed. This project will improve our understanding of the interactions of mechanism between ion beam and dielectrics, and provide theoretical and technological basis for the manufacturing of the micro/nano structure optical device in the future.

微纳加工技术是促进微纳米光学发展的基础。聚焦离子束微纳加工技术因其工艺流程简单、灵活性高、无掩膜直写加工、纳米级分辨等优势，广泛应用于纳米光学器件的制备中。但在离子束加工介质材料过程中，材料的非晶化以及离子注入会造成微纳结构光学器件性能的改变。本项目将针对上述关键问题，以介质材料（如氮化硅、铌酸锂、碳化硅）为研究对象，通过理论分析、数值模拟及实验验证相结合的方式，揭示材料损伤层对微纳结构光学器件性质的影响机制；结合化学腐蚀、低能量物理轰击、高能激光与物质相互作用等方法，探索去除材料损伤层的新途径；利用微区光学特征谱线探测技术，建立损伤层厚度的定量化无损检测新方法。研制出损伤层厚度小于5nm，特征结构尺寸小于50nm的介质材料微纳结构光学器件。本项目的开展将加深我们对离子束与介质材料相互作用机制的理解，相关工艺可为未来微纳米化光学器件的生产提供理论与技术支持。

伴随着光学元件小型化的趋势，通过微纳米加工技术制备纳米光学元件的需求更为迫切。聚焦离子束微纳加工方法因其具有加工方式灵活、加工精度高且无需掩膜等优势，成为光学元件微纳米加工的重要方法之一。但由于其加工过程中存在对材料的损伤，严重影响微纳光学元件的光学性能。针对上述问题，本项目以铌酸锂材料为研究对象，首先分析了光学性能变化的成因。利用数值模拟和透射电镜观察相结合的方法，定量确定聚焦离子束加工中改性层厚度约为：平行离子束入射方向是39nm左右，垂直离子束入射方向是22nm左右。针对产生的损伤层，探索化学腐蚀、低能量物理轰击、高能激光与物质相互作用等方法，最终获得具有理想光学性质的微纳结构。其特征尺寸小于50nm，损伤层厚度小于5nm。在此基础之上，利用聚焦离子束技术结合后处理工艺完成了无损伤铌酸锂超构表面加工，实现铌酸锂共振超构表面的电光调制特性研究。在铌酸锂纳米光栅超构表面斜入射条件下产生连续谱中的准束缚态(Q-BIC)共振模式。将聚焦离子束技术与反应离子刻蚀技术结合，实现更高质量的纳米光栅加工，进一步将微纳结构的侧壁陡直度提高到80°以上。在铌酸锂悬空薄膜上制备出周期600nm，孔径225nm超构表面阵列，在倍频实验中实现倍频效率2×10-4，品质因子达到75。此倍频效率比原先报道铌酸锂薄膜超材料高2个数量级，在可见光和近红外波段是III-V族半导体材料的5倍。本项目按照计划顺利开展，达到了目标要求，为基于聚焦离子束技术的介质材料微纳米加工研究奠定基础。