基于PS納米球的磁光全介質結構的制備

王會麗

摘 要：本文利用聚苯乙烯（Polystyrene，PS）納米球自組裝技術，結合介質磁光材料，制備了三種磁光全介質結構，分別為介質納米柱陣列、三角納米點陣以及納米孔陣列。在這些結構的制備過程中，逐漸擺脫了傳統的微納制造技術，如光刻、刻蝕等。制備方法快速、工藝過程簡單、成本低。制備的磁光器件結構簡單、加工容易、調控幅度較高，在光隔離器、磁光傳感器等方面具有潛在的應用。

關鍵詞：全介質結構;PS納米球;磁光材料;磁光器件

入射光進入具有固有磁矩的物質內部傳輸或者在物質界面反射時所產生的各種現象，光波的傳播特性，例如偏振面，相位或者散射特性會發生變化，這個物理現象被稱為磁光效應（Magneto-Optical Effect）。[1]利用材料的磁光效應制作的各類光信息功能器件被稱為磁光器件，其在工業、國防、航空航天和醫學等領域有廣泛的應用。

目前磁光表面等離激元共振器件主要采用磁性金屬材料，損耗高;同時等離激元器件本征的散射損耗依然制約了器件優值。研究發現，高介電常數的介質納米顆粒的Mie諧振可以避免金屬層的色散吸收和能量損耗，實現高Q值共振。[2]于是本文基于PS納米球自組裝技術以及高介電常數的磁光材料YIG/Ce：YIG（n=2.22），成功制備了三種磁光全介質結構，這將為磁光器件的制備提供一些新的參考。結構中的磁光材料Ce：YIG相比于鐵磁金屬材料，在可見光及近紅外波段有著較低的光學損耗，并且具有較高的磁光效應[3]以及較高的穩定性。

1 介質納米柱陣列

介質納米柱陣列制備流程如圖1所示。（a）首先選用SOI基底，主要是利用SOI的頂層硅以及中間的絕緣層SiO2。（b）在SOI基片上再用磁控濺射技術生長約60nm的SiO2，以及排列顆粒尺寸為540nm的PS納米球，并用氧等離子體處理，得到大小合適的納米球陣列。本文氧等離子體處理工藝為90w，200s，最后所得納米球直徑為340nm左右。（c）在PS納米球做掩膜下，刻蝕生長的SiO2，刻蝕氣體及比例為Ar∶He∶CHF3=5∶50∶50。刻蝕完畢，用甲苯溶液洗去PS納米球。（d）以SiO2為掩膜版刻蝕SOI的頂層硅，刻蝕氣體及比例為O2：SF6：CHF3=10：15：15。（e）在濃度為1：10的HF溶液中，去除SiO2掩膜層以及刻蝕SOI中間的絕緣層SiO2。（f）用脈沖激光沉積技術在硅納米柱陣列上生長YIG/Ce：YIG材料。制備過程中得到的表面形貌如圖2所示，圖2（a）為流程圖中（c）步驟所得結構的SEM。圖2（b）為流程圖中（d）步驟所得結構的SEM。圖2（c）為流程圖中（e）步驟所得結構的截面圖。由SEM圖片可見，納米柱陣列大面積整齊有序。

2 三角納米點陣

三角納米點陣的制備采用顆粒直徑為800nm的PS納米球。不同尺寸的納米球在溶液配比上略有不同。首先在硅片上得到六角密排的PS納米球，如圖3（a）所示。在104℃的電熱板上加熱20s，提高PS小球在硅片上的粘附性。然后不經過氧等離子體的刻蝕而直接在室溫下沉積YIG/Ce：YIG薄膜，于是薄膜一部分沉積在納米球表面，一部分沉積在納米球的三角形縫隙間。用甲苯溶液去除PS納米球，便得到大面積三角納米點陣的介質結構，如圖3（b）所示。再經后續的快速退火處理，可使介質磁光材料晶化。

3 介質納米孔陣列

介質納米孔陣列結合了前兩種結構工藝的優點，工藝進一步簡化，性能進一步提高。首先在雙拋的石英基底上排列顆粒尺寸為1μm的PS納米球，經氧等離子體處理500s～700s，使納米球直徑縮小至700nm左右。然后用脈沖激光沉積技術沉積YIG/Ce：YIG薄膜。用甲苯溶液去除納米球，便制備了大面積六角周期的全介質納米孔結構，如圖4所示。該結構相比結構1，工藝大大簡化;相比結構2，介質材料占空比大大提高，在后續的快速熱處理過程中，更容易晶化，可以顯著提高結構的磁光效應。

4 結論

本文提出了三種基于PS納米球自組裝技術的磁光全介質結構的制備方法。PS納米球在制備過程中起到掩膜版的作用。磁光介質納米顆粒的Mie諧振可以提高器件優值，增強磁光效應。

參考文獻：

[1]P.S.Pershan.Magneto-optical effects[J].Journal of applied physics，1967，38（3）：1482-1490.

[2]L.Shi，J.T.Harris，R.Fenollosa，et al.Monodisperse silicon nanocavities and photonic crystals with magnetic response in the optical region[J].Nature communications，2013，4：1904.

[3]J.Qin，Y.Zhang，X.Liang，et al.Ultrahigh Figure-of-Merit in Metal–Insulator–Metal Magnetoplasmonic Sensors Using Low Loss Magneto-optical Oxide Thin Films[J].ACS Photonics，2017，4（6）：1403-1412.