Un moldeado de nanoréplica programable para la fabricación de dispositivos nanofotónicos

May 27, 2023

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 22445 (2016) Citar este artículo

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La capacidad de fabricar estructuras periódicas con características de sublongitud de onda tiene un gran potencial de impacto en la óptica integrada, los sensores ópticos y los dispositivos fotovoltaicos. Aquí, informamos sobre un proceso de moldeo de nanoréplicas programable para fabricar una variedad de patrones periódicos submicrométricos usando un solo molde. El proceso utiliza un molde estirable para producir la estructura periódica deseada en un fotopolímero sobre sustratos de vidrio o plástico. Durante el proceso de moldeo de réplica, se aplica una fuerza uniaxial al molde y da como resultado cambios en la estructura periódica, que reside en la superficie del molde. La dirección y la magnitud de la fuerza determinan la geometría de la matriz, incluida la disposición y la constante de red. Al estirar el molde, se pueden fabricar matrices 2D con estructuras de celosía cuadradas, rectangulares y triangulares. Como ejemplo, presentamos un dispositivo de cristal plasmónico con resonancias de plasmones superficiales determinadas por la fuerza aplicada durante el moldeado. Además, se fabrican y caracterizan losas de cristal fotónico con diferentes patrones de matriz. Este proceso único ofrece la capacidad de generar varias nanoestructuras periódicas de forma rápida y económica.

Las nanoestructuras periódicas, como las redes de sublongitud de onda 1D y 2D, son fundamentales para una amplia gama de aplicaciones ópticas, ya que controlan la propagación de la luz y pueden mejorar las interacciones luz-materia1. Se aprovechan en varios dispositivos fotónicos, incluidas las redes de difracción, los polarizadores de rejilla de alambre, los acopladores de red, los láseres de retroalimentación distribuidos y los cristales fotónicos2,3,4,5. La fabricación de nanoestructuras periódicas se ha visto limitada por la necesidad de trabajar en una escala submicrométrica; Los métodos de litografía convencionales, como el uso de haz de electrones y ultravioleta profundo, son demasiado costosos o tienen un rendimiento insuficiente para las fabricaciones a escala de obleas. Para abordar este problema, se han aplicado con éxito la litografía de interferencia y la litografía blanda6,7,8,9,10,11. La litografía blanda proporciona la capacidad de fabricar nanoestructuras periódicas de forma económica, rollo a rollo; por ejemplo, el patrón de un molde puede transferirse a un material polimérico fotocurable a temperatura ambiente mediante el proceso de moldeo de nanoréplicas, sin necesidad de grandes esfuerzos mecánicos. fuerzas12,13,14.

Aunque la litografía blanda ha tenido éxito, un inconveniente es el alto costo de los moldes. Para introducir o modificar una característica, se debe fabricar un nuevo molde. Para facilitar la producción de diferentes patrones y estructuras periódicas en particular, se han desarrollado enfoques programables. Por ejemplo, el ajuste térmico de un sustrato termoplástico con un nanopatrón puede generar una variedad de patrones a partir de un único molde15. Alternativamente, Pokroy et al. aprovechó los moldes elastoméricos y flexibles para generar matrices de nanopostes con una variedad de períodos de escala micrométrica16.

En este documento, presentamos varios cristales plasmónicos y losas de cristal fotónico fabricados mediante un proceso de moldeo de nanoréplicas programable que utiliza un solo molde. Esta técnica utiliza el estiramiento mecánico de un molde elástico de polidimetilsiloxano (PDMS) para crear estructuras periódicas con varios períodos y disposiciones de celosía. Al mismo tiempo, mantiene las características de alto rendimiento y bajo costo del enfoque convencional de moldeo de nanoréplicas. Cuando se aplica una fuerza, la superficie del molde PDMS se ajusta a un perfil de volumen negativo de la estructura periódica deseada. La replicación de la forma del molde estirado en un polímero curable con UV (UVCP) produce nanoestructuras programables en un proceso que es económico y se puede ampliar. Después del moldeo por réplica, las estructuras periódicas producidas pueden recubrirse con una película dieléctrica o de metal delgado; algunos ejemplos son el dióxido de titanio (TiO2), el oro y la plata. Con un recubrimiento de plata de 100 nm de espesor, los cristales plasmónicos 2D fabricados exhiben resonancias de plasmones superficiales (SPR) en el rango espectral de 410 nm a 570 nm. Usando el mismo molde PDMS, fabricamos losas de cristal fotónico con tres disposiciones de celosía diferentes, a saber, estructuras cuadradas, rectangulares y triangulares. Las losas de cristal fotónico utilizan una película de TiO2 de 160 nm de espesor como capa de confinamiento de la luz. Finalmente, los diagramas de banda de las losas de cristal fotónico fabricados se determinan experimentalmente y se comparan con simulaciones de la teoría electromagnética.

La figura 1 resume los principales pasos del proceso de moldeo de nanoréplicas programables. Los principales procedimientos de fabricación incluyen la preparación del molde, el estiramiento del molde, la transferencia de patrones y el desmoldeo. Como paso inicial, se replica un molde de PDMS a partir de un sello de vidrio rígido que lleva una matriz 2D de nanopostes con una disposición de celosía cuadrada y períodos Λx = Λy = 300 nm. El sello de vidrio se produjo utilizando un proceso de impresión térmica de vidrio, informado anteriormente17,18. A continuación, el molde de PDMS se estira con precisión para obtener un patrón de celosía para un dispositivo en particular. Se aplica una fuerza uniaxial al molde de PDMS en el plano paralelo a su superficie. A lo largo de la dirección de la fuerza (eje y), la matriz se estira y su período aumenta. En consecuencia, la matriz también se comprime en la dirección x perpendicular y el período de la matriz se reduce. Asimismo, estirar el molde PDMS en otras direcciones también nos permite programar la disposición de la red. Como se muestra en la Fig. 1, el molde PDMS se puede tirar en dirección diagonal para convertir el enrejado cuadrado original en un enrejado triangular. A partir de un molde de PDMS estirado, el patrón periódico modificado se replica en un sustrato de vidrio o plástico mediante el proceso de moldeo de nanoréplicas. Los detalles del proceso se describen a continuación en la sección experimental. Brevemente, se comprime una capa de material UVCP líquido entre el molde de PDMS estirado y un sustrato de vidrio o plástico. Al exponerse a la iluminación UV, el UVCP se solidifica y posteriormente se libera del molde PDMS.

Esquema del proceso de moldeo de nanoréplicas programables.

La figura 2(a) ilustra esquemáticamente cómo se ajusta la geometría de la nanoestructura periódica para producir diferentes tipos de matrices. Los puntos azules representan los nanopostes de la red cuadrada sin estirar con un período de 300 nm. Cuando se aplica una fuerza uniaxial a lo largo del eje x, la red cuadrada se cambia a una rectangular, como lo muestra el conjunto de puntos de color cereza. La Figura 2(b–d) son imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de matrices triangulares, cuadradas y rectangulares replicadas, respectivamente. La matriz rectangular que se muestra en la Fig. 2 (d) se fabricó cuando el molde de PDMS estaba bajo una tensión del 40 %. El período de la matriz aumenta a Λx = 420 nm a lo largo de la dirección de la fuerza aplicada. La red muestra un ligero encogimiento en la dirección perpendicular a la fuerza, con un período de Λy = 258 nm. Mientras tanto, la sección transversal de los nanopostes cambia de circular a elíptica; sin embargo, los ciclos de trabajo de la estructura periódica (tamaño del puesto/período) permanecen sin cambios. Cuando el molde PDMS se estira a lo largo de la dirección diagonal, es posible producir matrices periódicas con una red triangular, que se ilustra con la matriz de puntos naranjas en la Fig. 2 (b). La figura 2(b) muestra la réplica fabricada cuando el molde de PDMS estaba bajo un estiramiento del 40 % a lo largo de la dirección de 45° con respecto al eje x. Con un control preciso del grado y la dirección del estiramiento, la red triangular podría convertirse en hexagonal.

Esquema del proceso de programación del molde, comenzando en la tercera figura de la izquierda (a). Imágenes SEM de matrices de nanopostes con celosía triangular (b), celosía cuadrada (c) y celosía rectangular (d).

La capacidad de programar la red de matriz es particularmente útil para algunos dispositivos nanofotónicos. Como ejemplo, estudiamos cristales plasmónicos con diferentes matrices periódicas fabricadas mediante el proceso descrito anteriormente. Como resultado de las diferentes geometrías, estas matrices exhiben distintas resonancias plasmónicas. La estructura de cristal plasmónico, que se muestra en la Fig. 3(a), consta de una matriz 2D replicada de nanoposts con un recubrimiento de plata de 100 nm de espesor y admite modos de resonancia de plasmón de superficie acoplada a rejilla (SPR). La luz de excitación que cumple con la condición de resonancia se puede acoplar en un modo SPR y se puede absorber fuertemente. Como resultado, el espectro de reflexión exhibe una caída con la reflectancia mínima en la longitud de onda SPR (λSP). La longitud de onda de resonancia se puede estimar usando la ecuación:

(a) Esquema de una losa plasmónica recubierta de plata. ( b ) Simulaciones para 0% y 25% de tensión, en comparación con datos experimentales. Las líneas continuas negras representan los resultados de la medición y las líneas discontinuas rojas representan las simulaciones.

donde Λ es el período de la red, (i, j) representan los órdenes de resonancia de Bragg, y εm y εd son las constantes dieléctricas del metal y del medio circundante, respectivamente19,20. Debido a que los SPR de los cristales plasmónicos están determinados por el período de rejilla que se muestra en la ecuación. 1, el proceso de moldeo de réplica programable se puede utilizar para ajustar con precisión la matriz periódica y obtener la longitud de onda del modo SPR deseado.

De hecho, la longitud de onda de resonancia varía proporcionalmente a la tensión (∈) que se genera en el molde PDMS por el estiramiento uniaxial. Para investigar experimentalmente la correlación entre λSP y ϵ, replicamos 10 arreglos diferentes de nanopostes colocando el molde PDMS bajo un rango de tensiones (∈ = 0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% y 35%). Las rejillas 2D replicadas se recubrieron posteriormente con una película de plata de 100 nm de espesor para formar los cristales plasmónicos. El mismo molde de PDMS se reutilizó 10 veces para producir los dispositivos plasmónicos. Se midieron los espectros de reflexión de los cristales plasmónicos para identificar sus longitudes de onda de resonancia. Se utilizó un riguroso análisis de ondas acopladas (RCWA) para simular estos espectros de reflexión. Los detalles de la simulación y la medición se discuten en la sección experimental. La Figura 3(b) compara los espectros de reflexión medidos y simulados de dispositivos fabricados con 0% y 25% de tensión. Con una deformación del 0 %, el dispositivo exhibe una caída de reflexión a λSP = 456 nm; los modos SPR polarizados en x e y coinciden en longitud de onda porque la estructura de la matriz es simétrica. Como se muestra en la Fig. 4(a), el estiramiento aplicado durante el moldeo divide los modos de resonancia polarizados de manera diferente. El modo SPR con el campo eléctrico polarizado a lo largo del eje x cambia a longitudes de onda más largas con mayor estiramiento; el cambio es proporcional al grado de estiramiento. La compresión correspondiente a lo largo del eje y hace que el modo SPR polarizado en y se mueva a longitudes de onda más cortas. Para ϵ = 35%, las resonancias plasmónicas se desplazan 111 nm y −41 nm para las polarizaciones x e y, respectivamente. La figura 4(b) resume λSP en función de la tensión para ambas polarizaciones. Las longitudes de onda de resonancia medidas se ajustan mediante líneas rectas con pendientes de λSP/ϵ = 3,13 y −1,14 nm/(% de deformación) para las polarizaciones x e y, respectivamente.

(a) Las inmersiones de reflexión SPR para losas plasmónicas fabricadas con 0%, 2,5%, 5%, 7,5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% y 35% de tensión. La división entre las caídas para las polarizaciones x e y sigue las desviaciones del período de la red en la dirección x (alargamiento) y dirección y (compresión). (b) Longitud de onda de resonancia plasmónica con respecto a la tensión aplicada. Las caídas de SPR en las direcciones estirada y comprimida de los datos experimentales en (a) se muestran mediante puntos rojos y cuadrados azules, respectivamente; ajustes lineales a las longitudes de onda de resonancia, por las líneas rojas continuas y azules discontinuas. Las barras de error representan la desviación estándar de 10 medidas tomadas en diferentes lugares de la muestra.

El control de matriz en el método de moldeo de nanoréplicas también se puede utilizar para examinar y modificar el diagrama de bandas fotónicas de losas de cristal fotónico. En este estudio, la losa de cristal fotónico se basa en una guía de ondas acoplada a rejilla, que también se conoce como guía de ondas de modo con fugas. El fenómeno de resonancia de modo guiado (GMR) soportado por esta estructura proporciona resonancias ópticas de banda estrecha3,21,22. Como se muestra en la Fig. 5(a), la losa de cristal fotónico consta de una rejilla 2D replicada sobre un sustrato de vidrio, que puede acoplar luz dentro y fuera de una guía de ondas dieléctrica de película delgada recubierta en la superficie de la rejilla. En una combinación específica de longitud de onda y ángulo de incidencia, el modo GMR se puede excitar con casi un 100 % de reflectancia. Con base en la ecuación de la rejilla de difracción, la longitud de onda GMR y el ángulo de resonancia se pueden calcular a partir de las ecuaciones: Finalmente, n1, n2 y n3 representan los índices de refracción del superestrato, el material de la capa de rejilla y el sustrato, respectivamente23,24. Al igual que los cristales plasmónicos, las características de resonancia de una losa de cristal fotónico también dependen de la geometría de la matriz.

(a) Diagrama esquemático de una losa de cristal fotónico con una red rectangular. Espectros de transmisión experimentales y simulados de losas de cristal fotónico cuando los modos de resonancia se excitan desde la dirección normal, para una red cuadrada (b), rectangular (c) y triangular (d).

Aquí, demostramos losas de cristal fotónico con tres disposiciones de celosía diferentes, a saber, la celosía cuadrada, rectangular y triangular. Las losas de cristal fotónico se fabricaron utilizando el enfoque de moldeado de réplica programable, seguido de un recubrimiento con una capa de TiO2 de 160 nm de espesor (índice de refracción n = 2,0). Los espectros de transmisión se midieron usando luz de banda ancha desde la dirección normal a la superficie de la muestra. Como se muestra en la Fig. 5(b), la losa de cristal fotónico con una red cuadrada (Λx = Λy = 300 nm) muestra dos modos GMR a 560,2 nm y 591,6 nm, que representan los modos polarizado TM y polarizado TE, respectivamente. Para los modos polarizados TM, las componentes del campo eléctrico son perpendiculares a la modulación periódica, mientras que para los modos polarizados TE son paralelas a la modulación. Debido a la simetría de la red cuadrada, la medición de la reflexión es independiente de la polarización de la luz de excitación. La figura 5(b) también compara la medición con la simulación RCWA. La discrepancia entre las características de resonancia medidas y simuladas probablemente surge porque la simulación no tiene en cuenta la ligera divergencia de la luz incidente.

Para generar una red rectangular, el molde de PDMS se estiró con una fuerza uniaxial a lo largo del eje x para generar una deformación del 25 %. La estructura de matriz replicada muestra dos períodos distintos (Λx = 375 nm y Λy = 280 nm) a lo largo del eje x y el eje y, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 5 (c), la losa de celosía rectangular exhibe dos modos polarizados TM a 634,5 nm y 510,1 nm correspondientes a los períodos de matriz modificados. Al mismo tiempo, también hay dos modos polarizados por TE ubicados en 677,2 nm y 535,5 nm. A continuación, para fabricar una losa de cristal fotónico con una red triangular (Fig. 2(d)), el molde de PDMS se estiró a lo largo de su dirección diagonal para lograr una deformación del 35 %. La transmisión medida del cristal fotónico de celosía triangular se muestra en la Fig. 5 (d). A modo de comparación, las curvas rojas en la Fig. 5 (c, d) representan los espectros de transmisión calculados utilizando una simulación RCWA.

Para investigar más a fondo el efecto de la disposición de la red, se estudió la dispersión de los modos GMR en función del ángulo de incidencia. Los espectros de transmisión se registraron cuando el ángulo de incidencia se escaneó a lo largo de las direcciones de alta simetría, como se describe en la sección experimental. Para la losa de PC de celosía cuadrada, las estructuras de banda fotónica medidas y simuladas se muestran en la Fig. 6 (a). Cuando el ángulo de incidencia (θx) aumenta desde el punto Γ hacia el punto X, tanto el modo polarizado por TE como el modo polarizado por TM forman tres bandas. La banda central "plana" representa el GMR junto con la luz de excitación a través de la modulación de rejilla a lo largo de la dirección y. Por el contrario, los modos GMR acoplados a través de la modulación de rejilla a lo largo de la dirección x se dividen en dos bandas, una banda superior y una banda inferior con respecto a su longitud de onda resonante. La banda inferior polarizada por TE y la banda superior polarizada por TM se cruzan en θx = 15°. Cuando el ángulo de incidencia cambia a lo largo de Γ-M, los modos GMR polarizados por TE forman una banda superior y una banda inferior. Los modos polarizados TM se ramifican en dos bandas superiores y dos bandas inferiores.

( a, b ) Diagramas de banda fotónica simulados y medidos para la estructura de celosía cuadrada. ( c, d ) Diagramas de banda fotónica simulados y medidos para la estructura de celosía rectangular. ( e, f ) Diagramas de banda fotónica simulados y medidos para la estructura de celosía triangular.

La Figura 6(b) muestra las estructuras de bandas medidas y simuladas para la losa de cristal fotónico rectangular con el ángulo de incidencia explorado desde el punto Γ hasta los puntos X y M, respectivamente. Cuando el ángulo de incidencia aumenta desde el punto Γ hacia el punto X, se observan dos bandas planas (una para una banda TE y otra para una TM). Las bandas planas son los modos GMR acoplados a través de la modulación de rejilla a lo largo de la dirección y. Los modos GMR acoplados a través de la modulación en la dirección x están ubicados en una región de longitud de onda más larga porque la rejilla rectangular no es simétrica y Λx es mayor que Λy. Para las polarizaciones TE y TM, los modos GMR se dividen en una banda superior y una banda inferior. Desde el punto Γ hasta el punto M, los cuatro modos GMR forman dos bandas, lo que da como resultado ocho bandas diferentes. Asimismo, la Fig. 6(c) muestra los diagramas de banda fotónica experimental y calculado para el dispositivo con matriz triangular, donde se escanea el ángulo de incidencia desde el punto Γ hasta los puntos X y M.

En resumen, este documento informa sobre un método de moldeo de nanoréplicas programable que facilita la fabricación de dispositivos nanofotónicos basados ​​en rejillas. Usando un solo molde PDMS, este método de fabricación puede producir estructuras de sub-longitud de onda con varias redes. Adoptamos el molde PDMS estirable, que se replicó a partir de un sello de vidrio, para fabricar nanoestructuras periódicas utilizando material UVCP en un sustrato de vidrio o plástico. Durante el moldeo de nanoréplicas, el molde de PDMS se estiró con precisión para producir la geometría reticular deseada. Los dispositivos nanofotónicos, incluidos los cristales plasmónicos y fotónicos, se formaron recubriendo películas delgadas de metal o dieléctricas en el UVCP replicado. Las resonancias ópticas de estos dispositivos se caracterizaron experimentalmente y se compararon con los resultados de la simulación. Para los cristales plasmónicos, una longitud de onda SPR de 456 nm aumentó a 566 nm con la aplicación de una tensión uniaxial del 35 % durante el moldeo. El rango de las longitudes de onda de resonancia podría ser aún mayor con un mayor estiramiento, ya que el PDMS puede soportar hasta un 100 % de tensión25,26. Para las losas de cristal fotónico, se fabricaron filtros de reflexión con tres geometrías de red diferentes. Se obtuvieron con éxito celosías rectangulares y triangulares a partir de la celosía cuadrada original. Se midieron los diagramas de bandas fotónicas de los tres dispositivos y mostraron una buena concordancia con las simulaciones.

El sello maestro con una matriz cuadrada 2D (Λ = 300 nm) de postes de 150 nm de diámetro y una dimensión total de 50 mm × 50 mm se fabricó utilizando el método de impresión térmica de vidrio con molde vítreo preparado por carbonización del precursor de furano replicado17,18. El sello maestro de vidrio se limpió y trató con un silano antiadherente (Repel Silane, GE Healthercare) para facilitar las réplicas. El molde de PDMS se fabricó a partir del sello maestro mediante el curado térmico de una mezcla de elastómero de PDMS y agente de curado (en una proporción de volumen de 1:10) en el sello maestro. El grosor de los moldes de PDMS se controló para que fuera de 2 mm. Después de curar a 100 °C durante 4 horas, el PDMS solidificado se despegó del sello maestro. Luego, el molde de PDMS se cortó en un rectángulo que tiene una longitud de 50 mm y un ancho de 15 mm. Se identificó y marcó la orientación de la red en el molde PDMS. Durante el proceso de moldeo de réplica basado en UV, el molde PDMS se colocó entre dos agarres que estaban separados por L ~ 45 mm en un escenario personalizado. Uno de los agarres se fijó y el otro se tiró horizontalmente (a lo largo de la dirección x) mediante una etapa de traslación lineal. La etapa de traducción indujo valores de deformación, εx = Δx/L, donde Δx es la cantidad de estiramiento. El molde de PDMS se mantuvo en la longitud deseada durante el proceso de moldeo de réplica. Se exprimió una capa de UVCP líquido (NOA 88, Norland Product Inc.) entre el molde de PDMS y un cubreobjetos de vidrio. El proceso de curado UV tuvo lugar exponiendo el cubreobjetos/pila de UVCP/PDMS líquido a iluminación UV durante 300 s. Después del curado, la réplica de una matriz 2D de nanoposts y el molde de PDMS se separaron quitando el cubreobjetos del molde de PDMS. El polímero completamente curado se adhiere preferentemente al sustrato de vidrio sin dejar ningún residuo en el molde de PDMS. Después del moldeado de la réplica, se depositó una capa de dieléctrico (TiO2) o una película fina de plata sobre la rejilla 2D de relieve superficial mediante evaporación con haz de electrones para completar la fabricación del dispositivo.

Los espectros de reflexión de los cristales plasmónicos se midieron usando una configuración de reflexión de luz blanca. Se utilizó una lámpara halógena como fuente de excitación de banda ancha y se acopló a una fibra bifurcada (BFY50HS02, Thorlabs), con un colimador de punta de fibra en la salida. Se colocaron un iris y un polarizador lineal frente al colimador para controlar el tamaño del punto y la polarización del haz incidente. El conjunto de iluminación se adjuntó a un montaje cinemático para un ajuste preciso del ángulo de incidencia. La luz reflejada se acopló a un espectrómetro (USB2000, OceanOptics) a través de la misma fibra bifurcada. Para la medición de su espectro de reflexión, se montó una muestra de cristal plasmónico en una plataforma de traducción xy motorizada y se sumergió en agua desionizada. Se utilizó un espejo revestido de plata como referencia para la reflectancia. Se utilizó un software desarrollado con C# para controlar el movimiento de la etapa de traducción y recopilar espectros del espectrómetro para las ubicaciones de muestreo elegidas en los cristales plasmónicos. Los espectros medidos se ajustaron utilizando una función polinomial de segundo orden para encontrar la longitud de onda de resonancia de los modos plasmónicos.

Los diagramas de banda de dispersión de las losas de cristal fotónico se midieron registrando los espectros de transmisión para múltiples ángulos de incidencia. La configuración experimental para la medición de la transmisión tiene tres partes principales: una lámpara halógena para iluminación de banda ancha blanca, un montaje de muestra y un espectrómetro. La luz blanca se colimó antes de salir de la fibra de acoplamiento. El haz de luz atravesó la losa de cristal fotónico y la luz transmitida se recogió utilizando un colector de fibra multimodo, que estaba conectado al espectrómetro. Los instrumentos se alinearon horizontalmente y se eligió que el plano de incidencia fuera el plano horizontal. La montura de muestra fue cuidadosamente diseñada, con dos etapas de rotación perpendicular y una montura cinemática, proporcionando suficientes grados de libertad para ajustes de ángulo complicados y precisos. Al comienzo de cada medición, se montó una muestra con su cara superior perpendicular a la luz entrante (en el punto Γ). Luego, en base a la dirección a medir, es decir, Γ-X o Γ-M, la muestra se hizo girar verticalmente de modo que la dirección que se midió fuera paralela al plano horizontal. A continuación, la muestra se hizo girar horizontalmente de modo que el ángulo de incidencia θ se explorara en consecuencia de 0° a 15° en incrementos de 0,5°. Para cada θ se registró el espectro de transmisión, para las direcciones Γ-X y Γ-M, para formar un cubo de datos. El diagrama de banda fotónica se trazó utilizando θ y λ como eje x y eje y, respectivamente.

Las simulaciones RCWA se realizaron para modelar los espectros de reflexión y transmisión de los cristales plasmónicos y losas de cristal fotónico. La región de simulación se configuró a la unidad de volumen de las estructuras periódicas. Se aplicaron condiciones de contorno periódicas para truncar el dominio de cálculo en el plano xy. Se utilizaron diez armónicos espaciales en ambas direcciones x e y. Para los cristales plasmónicos, los dispositivos fueron iluminados desde la dirección normal a la superficie por una onda plana. La onda incidente se polarizó linealmente con el campo eléctrico orientado a 45° con respecto al eje x en el plano xy. Las propiedades materiales de la plata se tomaron del manual de Palik y luego se ajustaron mediante el modelo multicoeficiente en el rango de longitud de onda de 300 nm a 1000 nm. Los espectros de reflexión de los cristales plasmónicos se calcularon en el rango de longitud de onda de 375 nm a 775 nm. La simulación de losas de cristal fotónico generó sus diagramas de dispersión. Los espectros de transmisión de una losa de cristal fotónico se registraron cuando el ángulo de incidencia (θ) se escaneó de 0° a 15° con un incremento de 0,5°. Los diagramas de dispersión para las direcciones Γ-X se mostraron trazando los espectros de transmisión en función de θ cuando φ = 0°. Los diagramas de dispersión para las direcciones Γ-M se trazaron cuando φ = 45°, 37,12° y 90°, para las redes cuadrada, rectangular y triangular, respectivamente.

Cómo citar este artículo: Liu, L. et al. Un moldeado de nanoréplica programable para la fabricación de dispositivos nanofotónicos. ciencia Rep. 6, 22445; doi: 10.1038/srep22445 (2016).

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La investigación fue apoyada por el fondo de puesta en marcha de la Universidad Estatal de Iowa, el Premio de Facultad No Titular de 3M y el Programa de Investigación de Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de Ciencia, TIC y Planificación Futura (NRF- 2013R1A2A2A01068561). JL reconoce el apoyo de la National Science Foundation a través de la subvención CMMI-1363468. LD reconoce el apoyo de la National Science Foundation a través de la subvención ECCS-0954765.

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Estatal de Iowa, Ames, 50011, Iowa, EE. UU.

Longju Liu, Jingxiang Zhang, Liang Dong y Meng Lu

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Chung-Ang, Seúl, 156-756, República de Corea

Mohsin Ali Badshah y Seok-min Kim

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Hawái, Honolulu, 96822, Hawái, EE. UU.

Jing Jing Li

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Estatal de Iowa, Ames, 50011, Iowa, EE. UU.

meng lu

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LL, ML y SK escribieron el texto principal del manuscrito. LL, JZ y MAB realizaron los experimentos. ML, LL, LD y JL concibieron la idea. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Seok-min Kim o Meng Lu.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Liu, L., Zhang, J., Badshah, M. et al. Un moldeado de nanoréplica programable para la fabricación de dispositivos nanofotónicos. Informe científico 6, 22445 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22445

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Recibido: 11 Diciembre 2015

Aceptado: 15 de febrero de 2016

Publicado: 01 de marzo de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep22445

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