| ▌ARMS 在納米光刻及結構色研究中的應用 對電子束納米光刻技術形成的 3D 片層結構及其結構色的角分辨光譜表征
電子束光刻 蝴蝶翅膀 光子晶體 角分辨光譜
【概述】納米光刻技術是制作納米結構的基礎，包括極紫外光刻技術、電子束光刻技術、納米壓印光刻技術等等，是納米光子晶體、超材料、結構色、納米器件等應用領域研究的前提。一篇發表于 Nanoscale，題為《Lithographically generated 3D Lamella layers and its structural color》的文章，報道了一種利用自上而下的電子束光刻技術加工的 3D 片層結構，實現了類似于 蝴蝶翅膀的結構及顏色 的模擬。
圖1，大閃蝶蝴蝶翅膀 SEM 圖、本文所加工的 3D 片層結構 SEM 圖及設計圖
| 本文作者復旦大學陳宜方教授通過電子束刻蝕與交替顯影/溶解 （development/dissolution） 加工過程打破了電子束光刻技術難以實現 3D 納米結構的這一缺陷，成功的實現人造蝴蝶翅膀及其絢麗的色彩效應。本文描述了作者近期在 3D 納米片層制造過程中所取得的進展，利用上述方法將 PMMA/LOR 結構加工成 PMMA/Air 多層結構（圖1），并通過角分辨光譜測量手段研究其顏色特性及技術細節。
【樣品 & 測試】人們普遍認為大閃蝶翅膀的藍色顏色顯示來自于圣誕樹狀的多層膜結構的多重反射（圖1a）。為了模擬蝴蝶翅膀的結構，作者采用了電子束曝光的方式（electron beam lithography，EBL），對 PMMA/LOR 多層結構進行交替顯影/溶解加工，終形成 PMMA/Air 結構（圖2）。PMMA/LOR 與 PMMA/Air 結構折射率的差異，是成功模擬蝴蝶翅膀顏色顯示的關鍵因素。
圖2，自上而下的電子束光刻技術及交替顯影/溶解加工過程及工藝參數優化
| 樣品加工過程及相關參數如 圖2 所示。首先，將 80nm 厚的 PMMA 及 120nm 后的 LOR 旋涂到硅基底上并進行烘烤，形成一個超晶格狀的 PMMA/LOR 多層結構（圖2a）。第二，通過一個電子束微影系統來完成電子束曝光。第三，在 22℃ 下進行交替顯影/溶解過程（圖2b-c）。圖2d 為獲得了經過加工過的光柵狀 PMMA/LOR 多層結構。第四，利用 60% 的 CD-26 溶液溶解 PMMA 之間的 LOR 層（圖2d-e），創建所需要的 PMMA/Air 多層結構。在 PMMA/LOR 的初階段，PMMA 在 MIBK:IPA（1:3）中顯影處理60s，然后 LOR 在 40% 的 CD-26 溶液中溶解相同的時間。
圖3，3D 片層結構所形成結構色的光譜特性及光學成像
| PMMA/Air 結構的光學特性通過光譜測量手段來表征。用于模擬蝴蝶翅膀藍色的 PMMA/Air 結構(11層)形成的可見光譜如 圖3a-b 所示，在 0~30° 入射光的情況下，樣品的藍色波段有明顯的強反射峰。藍色的反射峰在正負 ±10° 范圍內保持不變，相比于蝴蝶翅膀具有更好的角度獨立性，這一情況是因為人造的片層結構有很強的規律性引起的。通過調整 PMMA/Air 的厚度（15層）還可以產生綠色（圖3c-d）。綠色樣品與藍色樣品相比，綠色在更寬的角度上保持顏色不變。圖3e 為白平衡嚴格矯正后的顯微鏡觀察到的樣品表面的顏色特性。上述成果證明了角分辨光譜在片層材料對結構色調制中的應用價值。
圖4，文章中作者對復享光學（ideaoptics）參與光學實驗測試工作的致謝
| 文章中作者對于樣品光學特性的實驗研究，尤其是其中的顏色對角度依賴性（angle-resolved）的測試工作，均由復享光學（ideaoptics）提供的 角分辨光譜測量系統 來完成的。作者在文章中對復享光學參與實驗設計與角分辨光譜測量工作進行了致謝。 【總結】本文詳細的描述了作者近在 3D 納米片層制造過程中所取得的進展。作者采用了一種標準的自上而下的電子束光刻技術對 PMMA/LOR 多層結構進行交替顯影/溶解加工，形成 PMMA/Air 多層結構，成功的模擬蝴蝶翅膀顏色的顯示。優化工藝參數，為重復制造蝴蝶翅膀的片層結構提供了可能。文中可見光范圍內的角分辨光譜表征為結構色的應用研究提供了有效技術手段。▌
【參考文獻】
? Zhang, S, et al. "Lithographically-generated 3D lamella layers and their structural color." Nanoscale 8.17(2016):9118. Link | 
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