光学装置的纳米结构

技术领域

本公开内容的实施方式一般涉及具有所需的几何轮廓的纳米结构及其制造以用于光学装置的方法。

背景技术

超颖表面(metasurface)可用于形成光学部件或光学装置。超颖表面可改善光学装置的效能，并有助于创建全新的功能性。具体而言，超颖表面是2D光学元件，可用于通过在空间上改变纳米结构组成物的结构参数(例如，形状、大小、定向)来操纵光的传播，以提供空间变化的光学响应，该光学响应依所需来塑造光学波前。这些光学元件通过引起局部相位不连续性(即，在小于光波长的距离上发生突然的相位变化)来改变光传播。这些光学元件可由不同类型的材料、形状或配置构成，并且可基于不同的物理原理进行操作。

因此，对于利用纳米结构的各种光学装置或超颖表面，常常需要开发具有不同材料、轮廓及配置的纳米结构，以试图满足光学装置的不同装置性能。纳米结构可增强材料的局部电场、光的吸收以及光的辐射，此继而可用于增强光信号，或者提供用于不同光学装置的最佳光学功能性。然而，这些是具有挑战性的过程，其以具成本效益来形成具有所需轮廓的纳米级结构又同时维持所意欲的光学装置所适用的最大光学性能及性质。

因此，仍然需要形成具有光学装置所需的光学性能的纳米结构的方法。

发明内容

本公开内容中提供了具有纳米结构的超颖表面的实施方式，所述纳米结构具有所需几何轮廓及配置。在一个实施方式中，超颖表面包括形成在基板上的纳米结构，其中该纳米结构的形状是立方形或圆柱形。

在另一个实施方式中，超颖表面包括在基板上的多个纳米结构，其中每个纳米结构彼此以大于35nm的间隙间隔开来。

在又一个实施方式中，超颖表面包括在基板上的多个纳米结构，其中所述纳米结构由具有折射率大于1.8及吸收系数小于0.001的二氧化钛、氮化硅、非晶硅、晶体硅、氮化镓及氧化铝锌(aluminum zinc oxide)的其中至少一者制成。

附图说明

为了可详细地理解本公开内容的上述特征，可参考实施方式来对上文简要概述的公开内容进行更具体的描述，其中一些实施方式绘示于附图中。然而应当注意到，附图仅绘示本公开内容的典型实施方式，且因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。

图1A是根据本公开内容的实施方式的形成在基板上的纳米结构的顶视图。

图1B是根据本公开内容的实施方式的图1A的纳米结构的截面图。

图1C是根据本公开内容的实施方式的图1A的纳米结构的另一个实例的截面图。

图2A至图2B是根据本公开内容的实施方式的具有不同轮廓的纳米结构的不同实例的透视图。

图3是根据本公开内容的实施方式的纳米结构的另一个实例的透视图。

图4是根据本公开内容的实施方式的纳米结构的又一个实例的透视图。

图5是根据本公开内容的实施方式的纳米结构的又一实例的透视图，该纳米结构形成于封装结构中。

在可能的情况下使用了相同的附图标记来指定附图共有的相同元件。可设想到，在没有具体叙述的情况下，一种实施方式中所公开的元件可能有益地利用于其他实施方式中。

具体实施方式

光学超颖表面是衍射性薄结构，其可针对各种应用以改变光束的振幅、相位及偏振。在一个实施方式中，本公开内容中提供了一种超颖表面，该超颖表面包括在基板上形成的具有不同几何轮廓或配置的多个纳米结构。所述纳米结构可用作光学装置中的光学元件。本文所述的光学超颖表面由介电纳米结构组成，所述介电纳米结构具有亚波长(subwavelength)的横向尺寸，以及可与光波长比拟的厚度。纳米结构或超颖表面提供接近1的透射幅度值以用于穿过其中的光透射。纳米结构(或超颖表面)可提供涵盖范围为0与2π之间的不同相位值。在本公开内容中，可参考可见光至UV光的光谱或者可能在可见光之外的光谱。光学装置的合适实例包括光学透镜、太阳能电池装置、显示应用、电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、发光二极管(LED)、微型LED(uLED)显示器、或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、滤色器、光束偏转器、全息图或其他合适的光学装置。在一些实例中，本文论述的光学元件可为经设计以增强性能的独立光学元件、交互式光学元件、平坦光学元件以及中间层的材料性质。也可采用纳米压印平版印刷术以将特征图案直接压印至基板上，随后依需求来沉积内元件或光学元件，该沉积可包括喷墨、狭缝铸模(slot-die)、旋转涂布或以其他方式形成。经设计以用于形成本文论述的纳米结构的形状范围从简单的矩形或圆形配置到任意极为复杂的形状。根据需求，高折射率透明材料的合适实例诸如TiO

图1A是根据本公开内容的一个实施方式的超颖表面107的顶视图。超颖表面107包括在基板104上的多个纳米结构(显示为106a、106b)。一般而言，纳米结构(显示为106a、106b)的形式为形成(例如直接或间接形成)在基板104的表面上或与基板104的表面一体成形的纳米级特征。纳米结构106a、106b在材料性质上可为基本上均质的。然而，在一些实施方式中，纳米结构106a、106b可为非均质的。纳米结构可为基本上结晶的、单晶的、多晶的、非晶质的或其组合。在一个实例中，纳米结构106a、106b的每个尺寸具有小于约1000nm的尺寸，例如小于约500nm、小于约200nm、小于约100nm或甚至小于约20nm。

基板104可具有基本上平面状的表面。如本文所定义的“基本上平面状的表面”通常是指基本上平坦的表面。该表面可为光滑的，尽管该表面可包括相对较小程度(例如，总表面积的约20％)的纹理(例如，粗糙度)、压痕以及各种诸如可弯折和/或可拉伸。此外，在一些实施方式中，基板的表面可随所需而弯曲。

基板104也可经选择以适量透射所需波长或波长范围的光，诸如红外区域至紫外区域(即，从约700纳米至约1500纳米)中的一个或多个波长。在未限制的情况下，在一些实施方式中，基板104经配置使得基板104透射大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％的光谱UV区域。基板104可由任何合适的材料制成，只要基板104可足够地透射所需波长或波长范围内的光并且可用作超颖表面的足够支撑即可。在一些实施方式中，与纳米结构106a、106b中使用的材料的折射率相比，基板104的材料具有相对低的折射率。基板的选择可包括任何合适材料的基板，包括但不限于半导体、掺杂半导体、非晶电介质、晶体电介质、氧化硅、聚合物及它们的组合。在一些实施方式中，基板104包括透明材料。基板104是透明的，其具有小于0.001的吸收系数。合适的实例可包括氧化物、硫化物、磷化物、碲化物或它们的组合。在一个实例中，基板104包括氧化硅材料。

多个纳米结构106a、106b包括纳米结构106a的第一组102a及纳米结构106b的第二组102b。在此描述的纳米结构106a、106b通常经配置以对入射到其上的光赋予相变。基板104通常经作用以支撑纳米结构106a、106b及设置在其上的其他材料或结构。纳米结构106a的第一组102a可具有与纳米结构106b的第二组102b不同的尺寸、材料性质或轮廓配置，这将在下文参考图1B更详细地描述。纳米结构106a、106b在第一组及第二组102a、102b中可具有不同或相同的折射率，以满足超颖表面107的不同光学性能。纳米结构106a、106b的光学性质可由其大小、尺寸，及化学或表面组成来判定。可利用纳米结构106a、106b的各种性质，诸如吸收性质，发射性质及折射率性质，来产生抗反射涂层，该抗反射涂层可根据需求以针对各种光学应用进行定制及调整。在一个实例中，多个纳米结构106a、106b中的每一者可控制光的透射或反射特性以及输入到超颖表面107的光的相位。多个纳米结构106a、106b中的每一者可各自具有在所需范围中的折射率，该折射率具有所需的反射特性。在一些实例中，多个纳米结构106a、106b中的每一者可各自具有预定尺寸，诸如高度、半径或宽度，该预定尺寸提供所需的光特性。

在一个实例中，超颖表面107具有纳米结构106a、106b的阵列或多个阵列，每个纳米结构的阵列具有主轴127(如图1B所示)。主轴127基本上垂直于基板104的表面。纳米结构106a、106b的阵列或多个阵列可依需求以由渐变(graded)或非渐变的折射率来表征。渐变折射率可定义为纳米结构106a、106b的折射率依需求以在一方向中(沿着主轴127)连续或接近连续地变化。然而，在一些实例中，纳米结构106a、106b可在纳米结构106a、106b的主体上具有均匀的折射率(例如，非渐变的折射率)。纳米结构106a、106b可依需求以随机的方式或以周期性的方式布置在基板104的表面上。

图1B是根据本公开内容的一个实施方式沿着图1A的切割线a-a'的纳米结构106a、106b的截面图。纳米结构106a、106b的主轴127垂直于基板104的表面。纳米结构106a的第一组102a可具有第一宽度112，而纳米结构106b的第二组102b可具有第二宽度114。第一宽度112可与第二宽度114相同或不同。在图1A及图1B所描绘的实例中，第一宽度112与第二宽度114基本上相同，其范围在约60nm与约300nm之间。此外，纳米结构106a的第一组102a可具有第一高度110，而纳米结构106b的第二组102b可具有第二高度111。类似地，第二高度111可与第一高度110相同、更短或更高。在图1B所示的实例中，第二高度111较短且具有离第一高度110的高度差108。在一个实例中，第一高度110比第二高度111高出约10％与30％之间。在一个实例中，第二高度111具有离第一高度110约10nm与约1000nm之间的高度差108。第一高度110及第二高度111在约100nm与约5000nm之间的范围内。

在一个实例中，纳米结构106a、106b可具有各种形状。在一个实施方式中，纳米结构为立方形形状。图1B示意性地绘示立方形纳米结构106a、106b的阵列。此处提及的术语“立方形”通常是指该术语的几何定义。立方形是由六个彼此直角的四边形、正方形或矩形面所界定的凸多面体。在本文描绘的一个实例中，纳米结构106a、106b为立方形形状，其具有由四个矩形侧面(例如，侧表面)界定的正方形顶表面及正方形底表面。纳米结构106a、106b的主轴127为通过正方形顶表面及正方形底表面的中心点的直线，其中侧表面绕着该主轴具有旋转对称性。立方形纳米结构沿着主轴127通常具有连续均匀(例如，相等)的横截面面积(例如，相等的横向尺寸)。因此，纳米结构106a、106b的均匀横截面面积沿着纳米结构106a、106b的主轴127产生大致相似的有效折射率。

在一个实施方式中，纳米结构106a、106b以等间距放置在正方形晶格上。间距(pitch)被定义为沿着主轴127所测得的任何两个最接近的纳米结构106a、106b邻居之间的中心到中心的距离。纳米结构106a、106b也可布置在正方形晶格上，其中两个最接近的纳米结构106a、106b邻居的边缘之间的距离相等。

纳米结构106a、106b也可被布置在六边形晶格上，或任意地安排在基板104上。同时，纳米结构106a、106b的宽度112、114及在纳米结构106a、106b之间的间隙120对于所考虑的波长范围保持亚波长。纳米结构106a、106b是由具有折射率大于1.8及吸收系数小于0.01(诸如小于0.001)的材料所制成。

在一个实施方式中，纳米结构106a、106b具有正方形晶格结构，其具有折射率大于1.8及吸收系数小于0.1，诸如小于0.01，诸如小于0.001。

在一个实例中，纳米结构106a、106b可具有渐变有效折射率，该渐变有效折射率是通过沿着主轴127来改变纳米结构106a、106b的形状或轮廓而形成。例如，纳米结构106a、106b沿着主轴127可具有变化的横截面面积(例如，变化的横向尺寸)，以便根据需求来取得变化的有效折射率。可替代地，纳米结构106a、106b沿着主轴127可具有变化(例如，渐变)的组成物或材料性质，使得纳米结构106a、106b的变化(例如，渐变)的组成物或材料性质提供变化的折射率。换言之，因纳米结构的组成物或材料性质中的变化而使折射率变化。如本文所定义的“变化的组成物”是指组成物在一个方向中的逐渐变化，尽管该逐渐变化可能不总是固定的。

在一个实例中，纳米结构106a、106b可为基本上透明的结构。根据本公开内容，术语“基本上透明”是指纳米结构允许大部分的光辐射通过。该大部分可为光辐射的至少约70％。根据本发明，“基本上垂直”是指主轴相对于基板104的表面以约90度至约75度的角度范围倾斜。

纳米结构106a、106b可具有彼此等距或不等距间隔的预定间隙120。在一个实例中，纳米结构106a、106b可周期性地布置在基板104的表面上，其中预定间隙120在约1nm与约500nm之间，诸如约10nm与约150nm之间，例如约45nm与约280nm之间。纳米结构106a、106b也可以预定间隙120而布置在正方形晶格上，其中两个最邻近的纳米结构106a、106b邻居的边缘之间的距离是相等的。纳米结构106a、106b也可被布置在六边形晶格上，或任意地布置在基板104上。同时，纳米结构106a、106b的宽度112、114及纳米结构106a、106b之间的间隙120对于所考虑的波长范围保持亚波长。纳米结构106a、106b的基本上均匀的横截面面积的特征在于提供相对低反射率的亚波长散射现象。因此，得益于纳米结构106a、106b的均匀横截面面积的低反射率可有效地减少散射效应或由于过度紧邻间隔的纳米结构106a、106b而发生的其他不理想效应。因此，通过利用具有所需高度及几何配置的纳米结构106a、106b的基本上均匀的横截面面积，允许纳米结构106a、106b之间相对较大的间隙120。间隙120保持等于或小于通过纳米结构106a、106b的光源的波长。在图1B所描绘的实例中，纳米结构106a、106b之间的间隙120在约15nm与约100nm之间，例如在约40nm与约60nm之间。在又一个实例中，纳米结构106a、106b之间的间隙120至少大于35nm，例如在约40nm与约60nm之间。因此，换言之，基本上均匀的横截面面积的纳米结构106a、106b可表现为亚波长散射物体，其提供大量前向散射，以及后续通过下方基板104的光透射。

在一个实例中，当纳米结构106a、106b具有相对较高的高度，诸如大于600nm时，可在纳米结构106a、106b之间形成相对大的间隙120。在图1C描绘的实例中，在具有较高高度110的纳米结构106a的第一组102a中所定义的间隙120可大于在具有较低高度111的纳米结构106b的第二组102b中所定义的间隙121。在另一个实例中，当纳米结构106a的高度110从约600nm改变为约850nm时，间隙120可被控制为从约55nm到约100nm。在一个实例中，当纳米结构106a、106b具有相对较高的折射率时，可在纳米结构106a、106b之间形成相对较大的间隙120以及较低的纳米结构106a、106b的长宽比(aspect ratio)。此外，相对较高(例如，较高的高度110、111)的纳米结构106a、106b还允许纳米结构106a、106b之间的相对较大的间隙120。

在一个实例中，纳米结构106a、106b包括含有金属的介电材料，诸如二氧化钛(TiO

在一个实例中，纳米结构106a、106b在632nm或532nm的光波长下具有范围大于1.8的折射率，诸如在约2.3与约2.6之间。例如，纳米结构106a、106b具有在约2.4与2.55之间的折射率，诸如约2.4或2.53。在一个实例中，纳米结构106a、106b具有小于0.001的吸收系数。

图2A根据本公开内容的实施方式描绘纳米结构106a的透视图。纳米结构106a可具有大于3的长宽比，例如大于5，诸如大于6，诸如约8.5。根据本公开内容，词组“长宽比”是指纳米结构106a的顶表面或底表面的高度(H)110对宽度(W)118的比率(H/W)。纳米结构106a的长宽比及形状可是预定的，以便选择适当的制造工艺来形成或生长此种纳米结构。在图2A所描绘的实施方式中，纳米结构106a具有大于6的长宽比。高度110在约200nm与约850nm之间，诸如约600nm。宽度118在约70nm与约260nm之间。纳米结构106a为立方形形状。

图2B根据本公开内容的实施方式描绘了纳米结构202的另一个实例的透视图。纳米结构202除了角配置以外，具有与图2A所描绘的纳米结构106基本上相似的轮廓及形状(例如，立方形形状)。纳米结构202具有形成在纳米结构202的顶表面及底表面上的基本上圆角204。纳米结构202的光学性质被认为是与纳米结构106a、106b的光学性质相似。注意到，来自具有立方形形状的纳米结构202的圆角204与具有圆形形状的纳米结构202具有相似的良好性能。如相较于具有圆形形状的纳米结构202，具有立方形形状的纳米结构202在其之间具有相对较大的间隙。

图3根据本公开内容的实施方式描绘了纳米结构302的另一个实例的透视图。不同于图2A至图2B中描绘的立方形形状，纳米结构302具有圆形配置且大致为圆柱形形状。纳米结构302具有圆形配置的顶表面及底表面，该顶表面及底表面具有范围在约70nm与约260nm之间的直径306。纳米结构302具有约300nm与约900nm(诸如约600nm)的高度314。纳米结构302具有大于3的长宽比(例如，高度(H)314对直径306的比率(H/D))，诸如在约3与约12之间，例如约4与9之间，诸如约6。

图4根据本公开内容的实施方式描绘了纳米结构106a的实例的透视图。在此实例中，可在基板104及纳米结构106a之间设置额外结构402。注意到，图4的实例中的纳米结构可为任何合适的纳米结构，诸如上文描绘的纳米结构106a、106b、303、302。在一个实例中，结构402可由与形成在结构402上的纳米结构106a和/或与设置基板104的材料相似的材料制成。在一个实例中，结构402可包括与来自纳米结构106a或来自基板104的材料基本上相同的材料。在一个实例中，结构402可为二氧化钛、氮化硅、非晶硅、晶体硅、氮化镓及氧化铝锌中的一者。

图5描绘了超颖表面502的又一个实施方式，该超颖表面具有被封装在封装层504下的多个纳米结构506。当纳米结构具有相对较高的高度(诸如，大于900nm)时，可使用封装层504。在利用多个堆叠结构的一些实例中，本文所述的封装层504可依需求来协助将设置在其上方的结构进行包装及堆叠。在一个实例中，封装层504可为介电材料或导电层。封装层504通常在纳米结构具有相对较高的高度(例如，或更大的长宽比)时使用。注意到，当纳米结构具有相对较低的高度时，所选择来制造封装层504的材料也需要具有相对较低的折射率。

注意到，可利用本公开内容的纳米结构的超颖表面是指在其操作中产生光或使用光的装置。纳米结构也可用于半导体应用中的纳米压印结构中。在一些实施方式中，光学装置可为光电二极管、发光二极管、光伏(photovoltaic)装置或半导体激光器。这些光学装置可用于各种应用。应用的实例包括显示器、光探测器、透镜、滤光器、通用照明灯、照相机、显示应用、光纤通信或合适的平坦光学组件。

因此，提供了具有不同配置及不同材料的纳米结构的实施方式。纳米结构可具有特定轮廓，所述轮廓可增强有纳米结构实现于其中的光学装置中的光吸收或反射效能。通过适当地选择纳米结构的材料及几何配置，纳米结构之间的间隙也可扩大，从而降低制造的限制及复杂性。

尽管在此已经详细显示并描述了结合本发明的教导的各种实施方式，本领域技术人员可轻易地设计出许多其他仍结合这些教导的变化实施方式。