FIB三维快速组装方法及其在多功能超表面器件中的应用

三维微纳结构相比于传统平面结构具有更高的可控自由度、更丰富的空间构型，为新型光电器件的设计和应用提供更多的选择，并在器件的性能、集成度以及体积等方面具有更大的优势。近年来，随着微纳加工技术的进步和前沿领域研究需求的增加，三维微纳结构引起人们的极大兴趣，尤其是在微纳光子学领域，人工三维结构能够实现电磁隐身、环磁共振、自旋手性、超透镜等一些系列新颖的光场调控特性，因而备受关注。然而，传统的三维结构加工工艺具有的加工速度慢、结构构型单一、亚微米尺度加工困难以及工艺流程复杂等问题极大地限制了其在微纳光子学器件中的应用。为此，发展快速、大面积、可控制备三维微纳米结构的方法对推动微纳光子学发展及器件应用研究的具有重要价值。

中国科学院物理研究所微加工实验室李俊杰研究员和合作者基于聚焦离子束（FIB）与薄膜材料相互作用产生应变的机制，提出了FIB诱导卷曲的大面积快速三维加工方法。该方法可以使平面结构产生可控卷曲，从而组装形成各种需要的三维微纳结构，并利用此方法设计和制备了一种具有单向无反射特性的三维卷曲超表面，在近红外区域实现了56%的反射率差值。相关结果发表在Laser & Photonics Reviews （DOI: 10.1002/lpor.201900179）上，并选作当期Back Cover。

可控的空间取向一直是三维结构加工中的重要指标，尤其在微纳米尺度下实现三维结构空间的自由取向则更具挑战。该研究团队基于悬空的二维结构在外场作用下会产生三维形变的思路，利用FIB辐照诱导平面二维薄膜结构形成三维卷曲结构。当FIB与薄膜相互作用在薄膜表面及内部的发生离子溅射以及注入效应时，使得薄膜产生张应力导致弯曲形变，从而由二维结构弯曲组装形成三维结构。三维弯曲结构的弯曲角度及半径与离子束剂量、能量以及薄膜的厚度密切相关，因而可以通过精确控制离子束参数自由调控弯曲的角度及制备半径低至百纳米的弯曲结构，实现了三维结构空间取向的任意调控。FIB辐照诱导弯曲加工还具有大面积、快速、高效的优势，制备一个100×100 μm²的卷曲结构阵列仅需要30s，充分展示了FIB在三维结构加工中的潜力。更重要的是，还可以把FIB局域扫描和区域辐照工艺结合起来实现有序折叠和弯曲，从而形成完善的FIB诱导应变三维组装加工，极大的丰富了FIB诱导加工三维结构的空间构型，为其在微纳光子学领域的应用研究提供了理想的三维加工策略。基于此技术，该研究团队设计并实现了一种具有单向无反射功能的三维卷曲超表面，比以往的报道提供了一个更加简单高效的途径。研究结果表明当光从正面入射该弯曲超表面时，会产生反平行分布的表面电流，从而抑制了其在远场的辐射，使其反射率几乎为0。当光从背面入射时，结构中反平行电流的缺失导致了其较高的反射率。因此，三维弯曲超表面结构中的非对称分布的局域表面电流使其产生了单向无反射特性。样品测试结果显示该结构在1420 nm处的正面反射率仅为~6%，而其背面反射率达到~62%，实现了较高的近红外单向无反射效率。因此，FIB诱导的三维微纳弯曲加工方法，不仅为各种新型微纳光子学器件的研究提供新的平台，也将为其他三维器件的设计提供了新的思路。

图 FIB制备的三维微纳结构及三维弯曲超表面的结构功能示意图