光學(xué)性能表征

除超表面的幾何特性外，光學(xué)數(shù)據(jù)可作為間接表征手段進(jìn)一步揭示結(jié)構(gòu)特征。圖5C展示了S=0.9樣品的代表性吸收共振峰，該數(shù)據(jù)通過(guò)透射模式（石英襯底厚度525 μm）采集：采用鎢燈光源發(fā)射的線偏振寬帶光照射樣品，通過(guò)物鏡與光譜儀收集散射及透射光信號(hào)。物鏡可通過(guò)壓電平臺(tái)在樣品上方精確定位，實(shí)現(xiàn)微區(qū)光譜測(cè)量。

由于光斑尺寸極?。ü烙?jì)<5 μm），光譜呈現(xiàn)顯著噪聲，但同時(shí)確保參與吸收的超表面單元數(shù)量有限。觀察空氣中（介電常數(shù)n=1.00）超表面的紅色光譜曲線，共振峰半高全寬約為6-8 nm，消光因子達(dá)30%-40%，具體數(shù)值取決于基線選擇。

將共振峰位置隨縮放因子S的變化繪制成圖，呈現(xiàn)線性關(guān)系（圖5A紅線），最大線性偏差為±2.5 nm（紅色虛線所示；每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表整個(gè)陣列的三次測(cè)量平均值）。

當(dāng)將超表面浸入200 μm厚液腔（圖5B）時(shí)，分別填充去離子水（n=1.33；電導(dǎo)率0.059 μS·cm?1；綠色曲線）和異丙醇（n=1.38；藍(lán)色曲線），吸收共振峰發(fā)生Δλ位移（如圖5C所示），半高全寬仍保持在6-8 nm范圍內(nèi)，與空氣中測(cè)量值相近。

所有縮放因子樣品的位移量保持一致：空氣-異丙醇位移Δλ=80.5-80.7 nm，空氣-去離子水位移Δλ=67.2-67.4 nm。浸入溶劑后超表面的線性擬合偏差略有增大至±9 nm（藍(lán)、綠線），主要源于掃描平臺(tái)移動(dòng)時(shí)超表面上方柔性聚二甲基硅氧烷-玻璃液腔的不穩(wěn)定性。

圖5. 超表面光學(xué)表征：A) 共振峰位置隨縮放因子S（變化范圍0.85至1.20）及介電環(huán)境（空氣、去離子水、異丙醇）的縮放特性。結(jié)果顯示其呈預(yù)期線性關(guān)系。B) 配備介質(zhì)交換進(jìn)出口的液腔結(jié)構(gòu)及其分解示意圖。C) 以S=0.9樣品為例，不同環(huán)境介質(zhì)（空氣：紅色數(shù)據(jù)；去離子水：綠色數(shù)據(jù)；異丙醇：藍(lán)色數(shù)據(jù)）下的光譜吸收數(shù)據(jù)。D) 沿垂直/水平（藍(lán)色數(shù)據(jù)）與對(duì)角線（紅色數(shù)據(jù)）線掃描方向測(cè)量的陣列間吸收共振峰位置均勻性（上圖）及半高全寬均勻性（下圖）。

用于量化評(píng)估環(huán)境介電變化光學(xué)響應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)由體靈敏度與半高全寬的比值定義。體靈敏度計(jì)算公式為S_bulk = Δλ/Δn，其中Δλ為共振位移量，Δn為介電常數(shù)變化量?？諝?去離子水體系S_bulk = 67.3 nm/(1.33-1.00) = 204 nm/RIU，空氣-異丙醇體系S_bulk = 212 nm/RIU。

取空氣-水平均半高全寬6.5 nm、空氣-異丙醇平均半高全寬6.7 nm，計(jì)算得品質(zhì)因數(shù)分別為31.4和31.6。與SEM計(jì)量結(jié)果一致，陣列間均勻性的光學(xué)評(píng)估顯示（圖5D），整個(gè)陣列范圍內(nèi)光學(xué)吸收共振峰位置波動(dòng)極小（±1.0 nm），半高全寬波動(dòng)僅±0.3 nm。

結(jié)論

綜上所述，我們展示了一種在透明襯底上制備高精度（<10 nm）超表面的新型工藝路線，成功實(shí)現(xiàn)了共振行為從近紅外到可見(jiàn)光波段的幾何縮放。這些器件結(jié)合可規(guī)模化、兼容批量生產(chǎn)的制造工藝，為充分利用硅基超表面獨(dú)特的光學(xué)特性（如窄帶靈敏共振）在各類應(yīng)用中的潛力提供了重要契機(jī)。

通過(guò)EBL與NIL復(fù)合工藝，我們能夠以成本效益極佳的方式制備樣品——其價(jià)格較純EBL加工低約2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，且在納米尺度上完全可與非規(guī)?；苽浼夹g(shù)相媲美。所制備橢圓超表面具有6-8 nm半高全寬的窄帶共振峰，這種可調(diào)諧的固有光譜特征使其在光學(xué)濾波結(jié)構(gòu)或傳感基底領(lǐng)域極具吸引力。

就傳感應(yīng)用而言，結(jié)合窄帶光源，該技術(shù)有望取代體積龐大且昂貴的近紅外及可見(jiàn)光探測(cè)器，轉(zhuǎn)而采用適用于移動(dòng)設(shè)備的低成本CMOS圖像傳感器。

本研究所提出的新型工藝路線具有普適性，可拓展至其他幾何構(gòu)型、不同材料疊層、其他工作原理以及光學(xué)與超表面之外的更廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。該工藝既可采用包括EBL在內(nèi)的任何納米圖形化方法制備母模，又能通過(guò)步進(jìn)重復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積規(guī)模化生產(chǎn)。