بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق کریستالهاي فوتونیکی در پلیمر SU8 با استفاده از روش لیتوگرافی تداخلی با تناوب زیر میکرومتر ایجاد شدهاند. سپس براي افزایش کنتراست ضریب شکست یک لایه ZnS با ضریب شکست 2/3 بر روي کریستال پلیمري لایهنشانی شده است. با اندازه گیري طیف عبوري کریستالهاي فوتونیکی براي تابش خارج از صفحه اثر فانو رزونانس با شدت زیاد در این کریستالها مشاهده میشود که می تواند براي ساخت فیلترهاي اپتیکی کوك پذیر در طول موجهاي مختلف و یا افزایش بازدهی آشکارسازها مورد استفاده قرار گیرند.
مقدمه
کریستالهاي فوتونیکی ساختارهایی تناوبی هستند که ضریب شکست در آنها از مرتبه طولموج نور تغییربه میکند. وعموماً علت ایجاد باندگپ براي کنترل انتشار نور در ابعاد میکرومتري مورد توجه میباشند که میتوانند براي ساخت مدارات مجتمع نوري مورد استفاده قرار گیرند. براي این منظور از کریستالهاي فوتونیکی تخت با تناوب دو بعدي که انتشار نور در آنها در صفحه تناوب است، استفاده میشود.
امااخیراً انتشار نور در خارج از صفحه کریستال نیز به علت خواص جالب توجهی مثل فانو رزونانس مورد توجه قرار گرفته است.[1-3] فانو رزونانس در اثر برهمنهی نور تابشی خارج از صفحه با ساختار باند کریستال ایجاد میشود که منجر به کوپل نور به درون کریستال و در نتیجه تغییرات شدید در شدت نور عبوري یا بازتابی از صفحه کریستال میگردد. از این اثر میتوان در ساخت بیوسنسورها[4]، فیلترهاي نوري[5]، سوئیچهاي تمام نوري[6-7] و افزایش بازدهی آشکارسازها[8] استفاده کرد.
ساخت کریستال فوتونیکی در اندازه تناوب زیر میکرومتر، نیاز به سیستمهاي لیتوگرافی دقیق مانند لیتوگرافی باریکه الکترونی و یا لیتوگرافی لیزري که بسیار پر هزینه هستند، دارد اما امکان ساخت برخی از انواع کریستالهاي فوتونیکی با روشهاي سادهتري مثل لیتوگرافی تداخلی میسر است. در روش لیتوگرافی تداخلی از خاصیت تناوبی الگوي تداخلی باریکههاي لیزر براي ساخت کریستال فوتونیکی استفاده میشود.
مزیت این روش امکان ساخت کریستال فوتونیکی با ساختارهاي شبکهاي مختلف در ابعاد وسیع و سرعت بالا و بدون نیاز به ماسک و قیمت ارزان در کنار کیفیت مناسب میباشد. از طرف دیگر محدودیت آن عدم امکان ایجاد نقصهاي شبکهاي دلخواه درون کریستال است. با این وجود کریستالهاي فوتونیکی بدون نقص شبکهاي کاربردهاي وسیعی از جمله در ساخت سوپر منشور[9]، فیلتر، بیوسنسرهاي نوري[10]، افزایش بازدهی آشکارسازها و گسیلندههاي نور[11] و همچنین ساخت میکرولیزر[12] دارند.
در روش لیتوگرافی تداخلی یک لایه از یک فوتورزیست مورد تابش دو یا چند باریکه نور لیزر قرار میگیرد. سپس طرح کریستال پس از انجام فرایند ظهور در فوتورزیست ایجاد میشود. از فوتورزیست میتوان به عنوان زیرلایه استفاده کرد و یا با استفاده از روشهاي متداول طرح را به لایههاي دیگر انتقال داد. در این مقاله کریستالهاي فوتونیکی در پلیمر SU8 با استفاده از روش لیتوگرافی تداخلی در ابعاد زیر میکرومتر ایجاد شدهاند.
سپس با توجه به ضریب شکست کم پلیمر - 1/6 - ، جهت افزایش کنتراست ضریب شکست، ماده ZnS به عنوان ماده شفاف و با ضریب شکست 2/3 بر روي کریستال فوتونیکی پلیمري لایهنشانی شده است. طیف عبوري کریستال فوتونیکی ساخته شده اندازهگیري شده و نشان داده شده است که با استفاده از این روش ساخت، میتوان فیلترهاي اپتیکی قابل تنظیم از طول موجهاي مختلف ایجاد کرد.
روش ساخت
زیرلایههاي شیشهاي ابتدا در محلول NaOH - 4. 5g/Lit - و آب DI شسته شده و توسط گاز نیتروژن خشک میشوند. محلول اپتیک و فتونیک فوتورزیست SU8 - 2002 - بوسیله تینر با نسبت 3 به 2 - فوتورزیست و تینر - رقیق میشود. سپس فوتورزیستبا رقیقشده استفاده از روش لایهنشانی چرخشی، با سرعت 3000 دور بر دقیقه لایهنشانی شده تا لایه نازکی از فوتورزیست با ضخامت حدود 300 نانومتر بدست آید. سپس لایهها طبق فرایند استاندارد فوتورزیست جهت یکنواختی بیشتر در دو دماي 65co و 95coو در هر دما به مدت یک دقیقه پخت داده میشوند.
در مرحله بعد لایه فوتورزیست تشکیل شده در مکانی که دو باریکه نور لیزر با یکدیگر تداخل میکنند، درمعرض تابش قرار میگیرد. چیدمان اپتیکی مورد استفاده براي لیتوگرافی تداخلی در شکل 1 ارائه شده است. لیزر مورد استفاده، لیزر He-Cd با طول موجطول325 nm و همدوسی 10 cm میباشد. ابتدا باریکه به دو قسمت مساوي تقسیم شده و سپس در هر باریکه براي حذف Speckleهاي لیزر از یک فیلتر فضایی شامل یک عدسی و یک روزنه 20 µm استفاده شده است. سپس دو باریکه با زاویه θ بر روي لایه فوتورزیست با یکدیگر تداخل داده میشوند که اندازه تناوب طرح تداخلی یک بعدي بصورت زیر بدست میآید.
براي ماده SU8 بسته به ثابت پرشدگی کریستال مورد نیاز از شدت تابش کل حدود 2-2/5 mj/cm2 استفاده شده است. بعد از مرحله تابش، لایه در دو دماي 65co و 95co و در هر دما به مدت یک دقیقه پخت داده میشود. سرانجام به صورت شیمیایی و در محلول PGMEA، فرآیند ظهور در زمانی به مدت 1 الی 2 دقیقه - بسته به شدت تابش - انجام میگیرد و از آنجا که فوتورزیست SU8 از دسته فوتورزیستهاي منفی است، در فرآیند پخت و ظهور آن دسته از نواحی که تحت تابش نور UV قرار نگرفتهاند برداشته میشوند.
به منظور تبدیل لایه پلیمري به یک ساختار محکم نمونههادر خلا 10-5 mbar تا دماي 120 درجه پخت داده میشوند. مرحله بعد لایهنشانی ZnS میباشد. لایه ZnS با ضخامت nm 120 به روش تبخیر حرارتی و در فشار خلأ 10-5 mbar و با نرخ 5 Ao/s انجام شده است. تصویربرداري AFM با استفاده از دستگاه DME مدلDS95 صورت گرفته و طیف عبوري کریستالها نیز با کمک از دستگاه بیضیسنج طیفنگار مدل UVISEL اندازهگیري شده است.
نتایج
در شکل 2 تصاویر AFM دو نمونه از کریستالهاي فوتونیکی ساخته شده با تناوبهاي 520nm و 600 nm نشان داده شده است. در کریستال فوتونیکی نشان داده شده در شکل -2الف ارتفاع شیارها 330 nm و در شکل -2ب ارتفاع شیارها 182 nm میباشد. همانطور که مشاهده میشود، لبه شیارها عمودي نمیباشند و عمق شیارها نیز به انتهاي فوتورزیست نرسیده اند که این امر به علت این است که توزیع شدت نور ناشی از طرح تداخلی باریکههاي لیزر بر روي فوتورزیست بصورت توان دوم تابع سیسنوس است و عمق شیارها نیز حساسیت زیادي به شدت تابش و شرایط پخت و ظهور - - Develop دارند. با این حال همانطور که در قسمت بعد نشان داده خواهد شد این اثر محدودیتی براي مشاهده اثر فانو رزونانس ایجاد نمیکند.
اندازهگیري خواص اپتیکی
طیف عبوري دو کریستال ساخته شده با تناوبهاي 520 nm و 600 nm براي زاویه تابش عمود بر کریستال، در شکل 3 نشان داده شده است. در کریستال با تناوب 520 nm یک افت شدید در طول موج 880 nm با پهناي 30 nm و همچنین در کریستال با تناوب 600 nm یک افت شدید در طول موج 1020 nm با پهناي 25 nm بدست آمده است. با افزایش تناوب طولموج فانورزونانس به سمت طولموجهاي بالاتر شیفت پیدا میهرکند.
