Uma moldagem de nanoréplica programável para a fabricação de dispositivos nanofotônicos

May 27, 2023

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 22445 (2016) Citar este artigo

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A capacidade de fabricar estruturas periódicas com características de subcomprimento de onda tem um grande potencial de impacto em óptica integrada, sensores ópticos e dispositivos fotovoltaicos. Aqui, relatamos um processo de moldagem de nanoréplica programável para fabricar uma variedade de padrões periódicos submicrômetros usando um único molde. O processo utiliza um molde elástico para produzir a estrutura periódica desejada em um fotopolímero em substratos de vidro ou plástico. Durante o processo de moldagem da réplica, uma força uniaxial é aplicada ao molde e resulta em mudanças na estrutura periódica, que reside na superfície do molde. A direção e a magnitude da força determinam a geometria da matriz, incluindo a constante de rede e o arranjo. Ao esticar o molde, matrizes 2D com estruturas de treliça quadradas, retangulares e triangulares podem ser fabricadas. Como exemplo, apresentamos um dispositivo de cristal plasmônico com ressonâncias plasmônicas de superfície determinadas pela força aplicada durante a moldagem. Além disso, placas de cristal fotônico com diferentes padrões de matriz são fabricadas e caracterizadas. Este processo único oferece a capacidade de gerar várias nanoestruturas periódicas de forma rápida e barata.

Nanoestruturas periódicas, como grades de subcomprimento de onda 1D e 2D, são críticas para uma ampla gama de aplicações ópticas, pois controlam a propagação da luz e podem melhorar as interações luz-matéria1. Eles são explorados em vários dispositivos fotônicos, incluindo grades de difração, polarizadores de grade de arame, acopladores de grade, lasers de feedback distribuído e cristais fotônicos2,3,4,5. A fabricação de nanoestruturas periódicas tem sido limitada pela necessidade de trabalhar em escala submicrométrica; os métodos de litografia convencionais, como o uso de feixe eletrônico e ultravioleta profundo, são muito caros ou têm rendimento insuficiente para fabricações em escala de wafer. Para resolver esse problema, a litografia de interferência e a litografia macia foram aplicadas com sucesso6,7,8,9,10,11. A litografia macia oferece a capacidade de fabricação rolo a rolo barata de nanoestruturas periódicas, por exemplo, o padrão de um molde pode ser transferido para um material polimérico fotocurável à temperatura ambiente pelo processo de moldagem de nanoréplica, sem a necessidade de grandes forças12,13,14.

Embora a litografia macia tenha sido bem-sucedida, uma desvantagem é o alto custo dos moldes. Para introduzir ou modificar um recurso, um novo molde deve ser fabricado. Para facilitar a produção de diferentes padrões e estruturas periódicas em particular, foram desenvolvidas abordagens programáveis. Por exemplo, o ajuste térmico de um substrato termoplástico contendo um nanopadrão pode gerar uma variedade de padrões a partir de um único molde15. Alternativamente, Pokroy et al. aproveitou moldes elastoméricos e flexíveis para gerar matrizes de nanopostes com uma variedade de períodos de escala micrométrica16.

Neste artigo, apresentamos vários cristais plasmônicos e placas de cristal fotônico fabricados por um processo de moldagem de nanoréplica programável que usa um único molde. Esta técnica usa o alongamento mecânico de um molde elástico de polidimetilsiloxano (PDMS) para criar estruturas periódicas com vários períodos e arranjos de treliça. Ao mesmo tempo, mantém os recursos de alto rendimento e baixo custo da abordagem convencional de moldagem de nanoréplicas. Quando uma força é aplicada, a superfície do molde PDMS se ajusta a um perfil de volume negativo da estrutura periódica desejada. A replicação da forma do molde esticada em um polímero curável por UV (UVCP) produz nanoestruturas programáveis ​​em um processo barato e passível de aumento de escala. Após a moldagem da réplica, as estruturas periódicas produzidas podem ser revestidas com um filme dielétrico ou de metal fino; alguns exemplos são dióxido de titânio (TiO2), ouro e prata. Com um revestimento de prata de 100 nm de espessura, os cristais plasmônicos 2D fabricados exibem ressonâncias de plasmon de superfície (SPRs) na faixa espectral de 410 nm a 570 nm. Usando o mesmo molde PDMS, fabricamos placas de cristal fotônico com três arranjos de treliça diferentes, ou seja, estruturas quadradas, retangulares e triangulares. As placas de cristal fotônico usam um filme de TiO2 de 160 nm de espessura como camada de confinamento de luz. Finalmente, os diagramas de bandas das placas de cristal fotônico fabricadas são determinados experimentalmente e comparados com simulações da teoria eletromagnética.