Diseño de absorbedor óptico infrarrojo utilizando matriz de nanoanillos de plata hecha por un top

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7770 (2023) Citar este artículo

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Este artículo presenta la simulación numérica y la fabricación de una metasuperficie compuesta por nanoanillos de plata con un espacio de anillo dividido. Estas nanoestructuras pueden exhibir respuestas magnéticas inducidas ópticamente con posibilidades únicas para controlar la absorción en frecuencias ópticas. El coeficiente de absorción del nanoanillo de plata se optimizó mediante la realización de un estudio paramétrico con simulaciones de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD). Las secciones transversales de absorción y dispersión de las nanoestructuras se calculan numéricamente para evaluar el impacto de los radios interior y exterior, el grosor y la separación del anillo dividido de un nanoanillo, así como el factor de periodicidad de un grupo de cuatro nanoanillos. Esto mostró un control total sobre los picos de resonancia y la mejora de la absorción en el rango espectral del infrarrojo cercano. La fabricación experimental de esta metasuperficie hecha de una matriz de nanoanillos de plata se logra mediante litografía y metalización por haz de electrones. Luego se llevan a cabo caracterizaciones ópticas y se comparan con las simulaciones numéricas. A diferencia de las metasuperficies habituales de resonador de anillo dividido de microondas informadas en la literatura, el presente estudio muestra tanto la realización mediante un proceso de arriba hacia abajo como el modelado realizado en el rango de frecuencia infrarroja.

El diseño de metasuperficies absorbentes en los rangos visible e infrarrojo es clave en diversos dominios como la solar térmica y fotovoltaica, la optoelectrónica (fotodetectores, sensores, etc.) o incluso para materiales funcionales que requieran absorbentes selectivos1,2,3,4,5,6 ,7. La oportunidad de emplear nanoestructuras de sublongitud de onda para sintonizar la interacción luz-materia ha despertado un gran interés durante la última década, gracias a la plétora de propiedades ópticas únicas que se pueden lograr con metamateriales o metasuperficies, que por definición no se ven en la naturaleza8,9 ,10,11,12,13,14. Entre esas posibilidades, los resonadores metálicos de anillo partido son metamateriales bien conocidos que permiten posibilidades únicas para controlar la respuesta a los componentes eléctricos y magnéticos de la luz en las bandas visibles15,16,17 e infrarrojas [infrarrojo cercano (NIR) e infrarrojo de onda corta ( SWIR)]18,19,20. Además de resonancias de carácter eléctrico, los resonadores metálicos de anillo partido soportan resonancias magnéticas inducidas ópticamente debido a su forma circular21,22,23,24,25,26. Los campos eléctricos y magnéticos pueden mejorarse y, en consecuencia, provocar una mejora de las propiedades de absorción en la longitud de onda de resonancia19,27,28. Además, los resonadores de anillo dividido permiten posibilidades únicas para controlar con precisión la respuesta de la luz en función de sus parámetros geométricos. El diseño del nanoanillo proporciona una gran plataforma para ajustar fácilmente las propiedades de resonancia plasmónica gracias a un conjunto preciso de parámetros: los radios interior y exterior, la separación del anillo dividido y el grosor de la estructura29,30. Se han estudiado varios enfoques tecnológicos para la realización de tales resonadores de anillo partido17,31,32,33. Por ejemplo, recientemente propusimos un innovador enfoque de abajo hacia arriba34 para la fabricación de superficies nanofotónicas a partir de bloques de construcción de nanocubos coloidales, que muestra el potencial de cambiar las reglas del juego en la fabricación de metasuperficies a bajo costo35,36. Este estudio previo nos permitió definir restricciones en el diseño de la metasuperficie que no se consideran en reportes previos37,38. Estas limitaciones tecnológicas se han considerado en este estudio, que esta vez utiliza un proceso de arriba hacia abajo. Aquí, la fabricación de la matriz de nanoanillos de plata se logra mediante litografía y metalización con haz de electrones. El objetivo es optimizar el diseño de la metasuperficie gracias a simulaciones FDTD y validar el modelo gracias a un conocido método de fabricación fiable. En consecuencia, tanto la simulación FDTD como la fabricación de arriba hacia abajo se realizan teniendo en cuenta las restricciones de diseño. Proponemos un conjunto de parámetros realistas de matrices de nanoanillos para lograr una mejora de la absorción en el rango del infrarrojo cercano (λ = 1000–2000 nm) que puede ser atractivo para una gran cantidad de aplicaciones optoelectrónicas39,40,41. La plata se elige como material constitutivo debido a sus excelentes propiedades ópticas y electrónicas42.

Primero, proporcionamos varios diseños óptimos que maximizan la absorbancia de los arreglos de anillos divididos en diferentes frecuencias infrarrojas, y comparamos la respuesta de los resonadores individuales con la de los arreglos; a continuación, fabricamos las metasuperficies mediante un proceso estándar de arriba hacia abajo sobre un sustrato transparente. Finalmente, caracterizamos las propiedades ópticas de las metasuperficies y las comparamos con simulaciones numéricas para validar los diseños. Este estudio muestra la simulación y la fabricación de arriba hacia abajo de una metasuperficie optimizada hecha de nanoanillos de plata, que exhibe una gran exaltación de sus propiedades de absorción a una longitud de onda específica de 1500 nm teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas.

El impacto de las propiedades geométricas en la respuesta óptica se investiga realizando un estudio paramétrico a través de simulaciones de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) (consulte las Figuras S1, S2 y la sección "Métodos" para obtener más detalles) 43,44,45,46,47 ,48. La sección transversal de absorción y dispersión para un anillo partido individual se calcula en función de los radios interior (h1) y exterior (h2), el espesor (z) y la separación del anillo partido (g), descritos en la Fig. 1, mediante variando un parámetro a la vez. Las restricciones de fabricación se implementan estableciendo una sección transversal cuadrada (z = h2 − h1). La eficiencia de extinción se calcula a partir de las secciones transversales de dispersión y absorción. La maximización de la sección transversal de absorción a 1500 nm se utiliza como figura de mérito para seleccionar la geometría óptima del anillo dividido. Esto se usa luego como un parámetro fijo para optimizar la sección transversal de absorción de 4 anillos partidos acoplados, en función de la distancia.

( a ) Esquema de la estructura del nanoanillo de plata. El radio interior del anillo está etiquetado como h1, el radio exterior h2, el grosor z y el espacio del anillo dividido g. ( b ) Vista de sección transversal del nanoring.

La figura 2 ilustra el impacto de los parámetros geométricos en la sección transversal. Se observan varios picos correspondientes a modos de resonancia plasmónica de alto orden como se informa en la literatura19. El aumento del radio interior h1 conduce a un desplazamiento hacia el rojo de la eficiencia de extinción Qext y al aumento de las eficiencias de dispersión y absorción. Por el contrario, el aumento en el espesor z y la separación del anillo dividido g da como resultado un Qext más pequeño y un desplazamiento hacia el azul34. La figura 2 se centra en la eficiencia de absorción Qabs dependiente de la longitud de onda de la estructura. Qabs es la sección transversal de absorción normalizada (es decir, σabs/A) donde A es el área de la sección transversal proyectada del nanoanillo en el plano x–y. Un estudio preliminar permitió definir los parámetros fijos para lograr resonancias de longitud de onda entre 1000 y 2000 nm. Sin embargo, sólo se ha estudiado la variación de z, con un radio interior h1 de 250 nm, un radio exterior h2 de 305 nm y un desnivel g de 20°. En la Fig. 2a aparece que cuanto menor varía el grosor del anillo z, aquí de 120 a 30 nm, mayor es la eficiencia de absorción. Cuando el parámetro z se varía de 40 a 70 nm, considerando esta vez la restricción de fabricación, lo que significa variar z así como (h2 − h1), h1 se mantiene constante a 250 nm, como se ilustra en la Fig. 2b. Muestra que cuanto más aumenta, más disminuye la eficiencia de absorción además de una tendencia de desplazamiento hacia el azul para la longitud de onda de resonancia debido al parámetro z, así como una ampliación del pico de Qabs debido a la variación de h2. Por lo tanto, el parámetro z se puede utilizar como un parámetro alternativo para ajustar los valores de las propiedades ópticas y las longitudes de onda de resonancia. Además, estas dos primeras figuras muestran una mejor absorción en el caso de z independientemente del valor (h2 − h1). Por lo tanto, las restricciones de fabricación no permiten elegir el valor de absorción de mejor rendimiento para la longitud de onda de interés de 1500 nm, pero el diseño se optimizará de acuerdo con los parámetros geométricos adecuados para la fabricación.

Eficiencia de absorción dependiente de la longitud de onda de la estructura presentada a la izquierda de cada diagrama. (a) Solo se varía el espesor. (b) Variando el espesor equivalente al ancho del nanoanillo. ( c ) Se varía la brecha del anillo dividido y se presentan las eficiencias de extinción y absorción dependientes de la longitud de onda de la estructura.

Otro parámetro importante es g. La Figura 2c muestra la eficiencia de extinción a la izquierda y la eficiencia de absorción a la derecha de un solo nanoanillo al variar el ángulo g de 45° a 10°. Se observa que cuanto más disminuye g, más aumenta la eficiencia de extinción y, en consecuencia, la eficiencia de dispersión, pero, sobre todo, más aumenta en cierta medida la eficiencia de absorción para los ángulos de separación aquí calculados. En efecto, para la estructura calculada, h1 = 250 nm, h2 = 305 nm y z = 55 nm, Qabs aumenta hasta un valor de ag de 20° antes de permanecer igual mientras g disminuye a 10°. Un ángulo de separación de 10° equivale aproximadamente a una distancia de 50 nm que corresponde a un límite experimental fijado para asegurar una buena realización como se muestra en la fabricación de nanoanillos de plata de la sección "Resultados". La evolución tanto de la frecuencia de resonancia como de la eficiencia de absorción, en función de todos estos parámetros geométricos, se resumen con un ajuste de regresión polinomial en la Figura S3 de la Nota complementaria.

Teniendo en cuenta todas las limitaciones experimentales, los resultados de este estudio paramétrico permitieron definir un conjunto de parámetros de un nanoanillo de plata individual, adecuado para la fabricación y que muestra una mejora de las propiedades de absorción a una longitud de onda de 1500 nm. El patrón que por tanto conformará la metasuperficie experimental y cuya periodicidad se estudiará a continuación, tiene la siguiente geometría: h1 = 250 nm, h2 = 305 nm y z = 55 nm y g = 20°.

Una vez definidos los parámetros del anillo individual que permiten la absorción a la longitud de onda de interés de 1500 nm, se estudia el impacto de la distancia en el espacio libre entre los nanoanillos. Las secciones transversales de dispersión y absorción han sido simuladas con un campo eléctrico polarizado en x, para los parámetros geométricos mencionados anteriormente. Como se ilustra en la Fig. 3, se estudian las propiedades ópticas de cuatro nanoanillos para evaluar el impacto de la distancia en el espacio libre en el eje x d pero también en el eje y p. La estructura, presentada en la Fig. 3a, está compuesta por cuatro nanoanillos que exhiben la geometría definida anteriormente. Tanto d como p varían, por ser iguales entre sí, de 50 a 390 nm. Cuanto más aumenta d = p, más aumenta la sección transversal absorbente (Fig. 3b). De hecho, la Fig. 3b muestra una gran exaltación de la sección transversal de absorción (más de tres veces mayor) a la longitud de onda de 1500 nm para cuatro nanoanillos de plata separados por 390 nm (en rosa) en los ejes x e y, en comparación con cuatro nanoanillos espaciados por 50 nm (en negro). Aunque el acoplamiento entre los nanoanillos (Fig. 3c) parece más importante cuando d es bajo, el mapeo muestra una concentración de campo más fuerte en el espacio del anillo dividido g a pesar de la distancia cuando d = 390 nm. Curiosamente, parece que los anillos resuenan con esta periodicidad, lo que permite una mejora de la respuesta de absorción.

(a) Estructura de los nanoanillos estudiados con d y p las distancias en el espacio libre en los ejes x e y. (b) Secciones transversales de absorción dependientes de la longitud de onda de cuatro nanoanillos de plata con las distancias en el espacio libre, variando d en el eje x y p variando en el eje y, ambos de 50 a 390 nm y (c) Mapeo del campo eléctrico intensidad a la longitud de onda de resonancia de cada grupo de cuatro nanoanillos estudiados.

En consecuencia, gracias al estudio paramétrico y al estudio de impacto de la distancia en el espacio libre para cuatro nanoanillos, se pudo realizar la elección del patrón a fabricar. La metasuperficie que se fabricará está compuesta por una matriz de nanoanillos de plata, cada uno con un radio interior h1 de 250 nm, un radio exterior h2 de 305 nm, un espesor z de 55 nm, un espacio de anillo dividido g de 20° y estando separados entre sí por 390 nm. La comparación de la sección transversal de absorción de un solo nanoanillo (en negro) y cuatro (en azul) en la Fig. 4 muestra una exaltación significativa de la eficiencia de absorción de tres veces para cuatro nanoanillos en comparación con un solo nanoanillo. Estos resultados confirmaron la elección de la estructura, ya que sugiere, de hecho, propiedades de absorción aún más elevadas con una matriz ordenada de nanoanillos, y justifica el interés de realizar este patrón de metasuperficie. Finalmente, investigamos la dependencia de la polarización de la luz del patrón elegido. El efecto de la polarización del campo eléctrico se presenta en la Figura S4 de la Nota complementaria. Las secciones transversales de absorción y dispersión (Fig. S4a,b respectivamente) se han simulado con un campo eléctrico orientado paralelo (en negro) y perpendicular (en rojo) al eje x, E// y E_|_ respectivamente. Cuando el campo eléctrico se inclina desde la polarización paralela a la perpendicular, se observa una mejora de la sección transversal de extinción, así como un desplazamiento hacia el azul de la longitud de onda de resonancia. De hecho, la sección transversal de dispersión aumenta cuando la sección transversal de absorción disminuye. Se observa una gran mejora del campo eléctrico en la brecha g de los nanoanillos para la polarización paralela, a diferencia de la polarización perpendicular, como se muestra en el mapeo de la intensidad del campo eléctrico (Fig. S4c, d).

Sección transversal de absorción dependiente de la longitud de onda de un solo nanoanillo en negro y cuatro nanoanillos con una distancia de espacio libre de 390 nm en los ejes x e y en azul. Los parámetros del nanoanillo único utilizado se muestran en la Fig. 1.

La fabricación aquí se realiza mediante un proceso clásico de arriba hacia abajo. De hecho, desde el auge de la nanotecnología de las últimas décadas, han surgido diferentes técnicas de nanofabricación49,50,51. Entre estos numerosos procesos desarrollados, la nanolitografía y especialmente la litografía por haz de electrones es un método de arriba hacia abajo que se ha implementado más ampliamente para producir características de tamaño submicrónico49,52,53,54,55,56,57. Ahora es una técnica bien conocida que se usa ampliamente para desarrollar varias metasuperficies. En consecuencia, para fabricar los patrones presentados en la Fig. 5, utilizamos el proceso de litografía por haz de electrones seguido de la evaporación del material de plata. Esos patrones diferentes corresponden a la escala de tamaño de la estructura optimizada que permite una absorción en las bandas del IR cercano.

Vistas superiores de SEM de las matrices de nanoanillos de plata que exhiben varios parámetros de diseños fabricados en las diferentes áreas.

Seis matrices diferentes de nanoanillos de plata de 2 mm2 cada uno de varios parámetros (N1–N6) están dispuestas en un solo sustrato transparente de 2 pulgadas de diámetro. Sus parámetros específicos se resumen en la Tabla 1. Según el modelo presentado anteriormente, se probaron diferentes configuraciones para evaluar la validez del estudio. Por lo tanto, el ancho (h2 − h1) y el espacio del anillo dividido g se han variado, así como la periodicidad (l = 2 × h2 + d) de la matriz. Los pasos principales del método de fabricación se resumen en las Figuras S5 y S6 (consulte también la sección Experimental para obtener más detalles).

Las imágenes SEM en la Fig. 5 muestran los resultados exitosos de la fabricación de metasuperficies con seis áreas de matrices de nanoanillos de plata compuestas por varios parámetros geométricos diferentes. Con el área N5, que corresponde a anillos separados por 100 nm cada uno, se puede ver que a pesar del pequeño espaciado, la calidad de los anillos es muy buena, respetándose los parámetros de geometría. Sin embargo, la zona N6, que corresponde a anillos más pequeños con una periodicidad de 50 nm, muestra que se alcanzan los límites de este proceso de fabricación mediante litografía por haz de electrones. Además de las imágenes SEM, el grosor de los nanoanillos se verificó mediante microscopía de fuerza atómica (AFM), como se muestra en la Figura S7. El espesor medido es de unos 39 nm que corresponde aproximadamente a los espesores depositados sobre el sustrato, que son 35 nm de plata y 3 nm de cromo. Por lo tanto, el procedimiento de fabricación se considera satisfactorio.

Una vez obtenidas las matrices de nanoanillos, se caracterizaron ópticamente las diferentes zonas mediante un espectrofotómetro. La figura S8 muestra un ejemplo de una gran superficie obtenida en el arreglo N5 de más de 26 × 20 µm2 sin errores de periodicidad, necesarios para realizar las medidas. Enfocamos nuestro trabajo experimental de medición realizada en dos zonas diferentes, N3 y N5, como se muestra con la absorción normalizada medida en la Fig. 6. Entre las dos áreas, solo cambia la periodicidad ya que los nanoanillos de la zona N3 están separados por 250 nm. mientras que separados por 100 nm en el área N5. Los picos de resonancia más grandes parecen permanecer iguales, mientras que el pequeño cambia menos de 100 nm desde 1230 nm para N5 (d = p = 100 nm) a 1315 nm para N3 (d = p = 250 nm). Es importante destacar que se observa un gran desplazamiento hacia el rojo de la longitud de onda de resonancia en comparación con los estudios de simulación realizados anteriormente. Esto se debe a la presencia del sustrato que no se incluyó en las simulaciones. De hecho, este desplazamiento hacia el rojo se confirma, como se muestra en la Figura S9, donde las propiedades ópticas de cuatro nanoanillos en el vacío se comparan con las de cuatro nanoanillos con una capa delgada de cromo y depositados sobre un sustrato de vidrio.

(a) Absorción normalizada dependiente de la longitud de onda medida para las zonas N3 y N5. Imágenes SEM de las matrices N3 (b) y N5 (c).

Según la literatura58, se ha depositado una fina capa de alúmina (Al2O3) para proteger las muestras de plata evaporada de la contaminación del aire. Se depositó una capa de 3 nm de espesor por deposición de capa atómica para ver el impacto en el pico de absorción, y se comparó con un espesor de 10 nm. Las absorciones normalizadas se midieron por espectrofotómetro para las dos áreas N3 y N5 de la Figura S10, sin ninguna capa de alúmina y con una capa de 3 nm y 10 nm, respectivamente. Muestra un desplazamiento del pico de absorción de aproximadamente 50 nm después de cada depósito. Para N3, observamos un pico de cambio de 58 nm después de la deposición de 3 nm de Al2O3 y 112 nm en total después de una capa de 10 nm de espesor. Para N5, se encuentra un pico de desplazamiento de 32 nm después de una deposición de 3 nm de Al2O3 y 120 nm en total después de una capa de 10 nm de espesor. En conclusión, una deposición de una capa delgada de alúmina permite proteger la metasuperficie mientras tiene un impacto muy leve en la respuesta óptica.

Para comparar los resultados de las simulaciones con las caracterizaciones experimentales y por tanto validar el modelo de simulación, se han simulado las respuestas ópticas de las diferentes zonas de la metasuperficie gracias a la configuración de cálculo presentada en el primer apartado y esquematizada en la Figura S2. La Figura 7 se enfoca en la zona N3 en azul y la zona N5 en amarillo. El espectro de reflexión se calculó numéricamente y se comparó con la reflexión medida por el espectrofotómetro para las zonas N3 y N5, ambos espectros se normalizaron y se presentaron en la Fig. 7. Los espectros de reflexión muestran la misma firma óptica con picos de resonancia sustancialmente en las mismas longitudes de onda conociendo el la fabricación permite algunas imprecisiones con respecto a los parámetros geométricos deseados. Es importante destacar que estos resultados permiten la validación del modelo de simulación presentado en la primera parte, proporcionando una buena precisión de los parámetros geométricos específicos.

Espectros de reflexión normalizados de las zonas N3 y N5 medidos por espectrofotómetro para el diseño fabricado (en línea continua) y los correspondientes simulados numéricamente (en línea discontinua).

Para concluir, hemos simulado, fabricado y caracterizado ópticamente varias metasuperficies de nanoanillos de plata diseñadas que permiten la absorción en las bandas del infrarrojo cercano. En primer lugar, se ha predicho un conjunto de parámetros geométricos mediante simulación numérica para mejorar la absorción a frecuencias ópticas. Se ha realizado el estudio paramétrico de un nanoanillo pero también estudios de periodicidad. Una vez realizado este primer paso, se probó la viabilidad técnica de su fabricación. Se ha llevado a cabo un diseño exitoso de fabricación de diferentes matrices de nanoanillos con varios parámetros geométricos y de periodicidad mediante un método de proceso de arriba hacia abajo, hasta el punto de mostrar los límites de fabricación con el método de litografía de haz de electrones. Finalmente, validamos el modelo FDTD comparando los resultados de la caracterización óptica y la simulación numérica de la metasuperficie. El objetivo era perfeccionar las posibilidades de absorción de esta estructura y facilitar su futuro diseño mediante una nueva técnica bottom-up. Además, el estudio realizado a través de la simulación numérica FDTD hizo posible optimizar la metasuperficie en frecuencias visibles y esto mostró un interés particular para las aplicaciones terapéuticas y de biodetección59 gracias a las propiedades únicas de la metasuperficie de los resonadores de anillos divididos. En realidad, estas estructuras han sido muy atractivas para la investigación bioquímica y de biodetección y se han utilizado, por ejemplo, como sensores dicroicos para espectroscopia molecular de longitud de onda visible15 o para sensores de ADN60. En cuanto a la respuesta óptica a 1500 nm, las aplicaciones de interés están relacionadas con la fotodetección con detectores en la banda SWIR. El trabajo futuro también se centrará en estructuras antisimétricas para evaluar la influencia del diseño pero también, desde el punto de vista de la caracterización, para realizar mediciones de dispersión. De hecho, para estructuras que no sean simétricas, la difusión dependerá del ángulo de la onda incidente y, por lo tanto, abrirá nuevas posibilidades para los componentes ópticos que necesitan una gran aceptación angular. Esta investigación es en realidad el primer paso de un trabajo futuro con respecto a un nuevo método ascendente de fabricación de metasuperficies de nanoanillos mediante una técnica de autoensamblaje de nanocubos de plata en plantillas de PDMS flexibles34.

Las simulaciones 3D se realizaron utilizando el software comercial FDTD LUMERICAL.

Para los resultados informados en las secciones de simulaciones de FDTD, las condiciones de simulación se eligieron de la siguiente manera. Una onda plana de luz normalmente incide a lo largo del eje z y el campo eléctrico está polarizado en x. Las condiciones de contorno simétricas y Perfect Match Layer (PML) se utilizan en las direcciones x e y. Las condiciones de contorno de PML se eligen en la dirección z. Las constantes ópticas de la plata se extraen de los datos experimentales de Johnson & Christie61. Se utiliza una malla no uniforme.

Para los resultados de simulación informados en la Fig. 7, las condiciones de simulación se eligieron de la siguiente manera. Una onda plana de luz normalmente incide a lo largo del eje z y el campo eléctrico está polarizado en x. Las condiciones de contorno de PML se establecen en la parte superior e inferior del dominio computacional (en la dirección z), simulando un material altamente absorbente. Las condiciones periódicas se utilizan para repetir periódicamente el patrón definido a lo largo de los ejes x e y, lo que permite simular las interacciones con las estructuras vecinas. Por lo tanto, solo una energía insignificante se reflejaría en este dominio. Las constantes ópticas de la plata se extraen de los datos experimentales de Johnson & Christie61, de Palik para el cromo43 y de Ohara para el vidrio de borosilicato62. Se utiliza una malla no uniforme. El detector T, que permite medir la potencia transmitida emitida por la fuente de ondas planas, se coloca a 6500 nm por debajo del nanoanillo compuesto de cromo y plata.

El sustrato de vidrio se limpia sucesivamente en acetona y alcohol isopropílico (IPA) bajo agitación ultrasónica, se seca bajo flujo de nitrógeno limpio y luego se expone a plasma de oxígeno en un reactor de barril (Nanoplas France) durante 10 min a 150 °C.

La primera capa de alta sensibilidad de tono positivo e-beam resist ARP 617.02 (Allresist, Alemania) que contiene una mezcla de copolímero a base de poli(metacrilato de metilo) PMMA y ácido metacrílico MMA, solvente más seguro 1-metoxi-2-propanol, es spin-coated a 6000 rpm durante 1 min seguido de un recocido a 200 °C durante 20 min en una placa calefactora.

Luego, la segunda capa de ARP 679.02 e-beam resist (solución de PMMA al 2 % en lactato de etilo) se reviste por rotación a 6000 rpm durante 1 min, seguido de un recocido a 170 °C durante 10 min.

Luego, una capa protectora conductora ARPC 5090.02 (Allresist, Alemania) se recubre por rotación a 4000 rpm durante 1 min seguido de un recocido a 90 °C durante 2 min.

La litografía por haz de electrones se realiza mediante un sistema de litografía por haz de electrones (PIONEER, Raith, Alemania) para crear el motivo de matrices de nanoanillos con los siguientes parámetros de exposición: tensión de aceleración: 20 kV, corriente del haz: 0,018 nA, distancia de trabajo : 8 mm, dosis nominal: 100 µC/cm2 y un factor de dosis: de 1 a 1,2.

Después de la exposición por litografía de haz de electrones, la resistencia conductora se elimina mediante un baño de agua desionizada durante 30 s. Luego, el desarrollo de la resistencia se realiza durante 60 s en una solución comercial AR 600-55 antes de detenerse en un baño de IPA durante 55 s.

Luego, se evapora una fina capa semilla (3 nm) de cromo sobre el sustrato antes de evaporar una capa de plata de 30 nm en condiciones de vacío (Auto 306, Edwards, Reino Unido).

Finalmente, un proceso de despegue elimina las resistencias del haz de electrones y el exceso de plata durante algunas horas en acetona.

La película delgada de Al2O3 fue cultivada por ALD en un reactor Fiji 200 (Veeco/Cambridge Nanotech) usando trimetilaluminio (Strem Chemicals, 98%) y agua desionizada. Las condiciones de depósito se han fijado de acuerdo con un trabajo previo63. El ciclo ALD consistió en pulsos secuenciales y purgas de TMA y H2O en la cámara de reacción mantenida a 150 °C. Las duraciones de pulso y purga fueron 0,06:10 s para ambos precursores. Se utilizó elipsometría espectroscópica in situ para ajustar el espesor de la película.

Los datos que respaldan las gráficas dentro de este documento y otros hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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I. Bouanane, D. Ducado, L. Escoubas & J. Le Rouzo

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I. Bouanane y G. Berginc

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IB realizó los cálculos numéricos, la fabricación de muestras, la caracterización del dispositivo y editó el manuscrito. FB e IO completaron la fabricación de la muestra. LS llevó a cabo la deposición de Al2O3. GB, LE, JLR y OM iniciaron la idea y supervisaron el proyecto. GB financió la investigación a través de THALES LAS Grant. IB fue escrito el manuscrito con el aporte de todos los autores que brindan apoyo científico.

Correspondencia a I. Bouanane.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Bouanane, I., Bedu, F., Ozerov, I. et al. Diseño de un absorbedor óptico infrarrojo utilizando una matriz de nanoanillos de plata realizada mediante un proceso top-down. Informe científico 13, 7770 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34579-w

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Recibido: 17 febrero 2023

Aceptado: 02 mayo 2023

Publicado: 12 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34579-w

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