基于PS纳米球的磁光全介质结构的制备

王会丽

摘 要：本文利用聚苯乙烯（Polystyrene，PS）纳米球自组装技术，结合介质磁光材料，制备了三种磁光全介质结构，分别为介质纳米柱阵列、三角纳米点阵以及纳米孔阵列。在这些结构的制备过程中，逐渐摆脱了传统的微纳制造技术，如光刻、刻蚀等。制备方法快速、工艺过程简单、成本低。制备的磁光器件结构简单、加工容易、调控幅度较高，在光隔离器、磁光传感器等方面具有潜在的应用。

关键词：全介质结构;PS纳米球;磁光材料;磁光器件

入射光进入具有固有磁矩的物质内部传输或者在物质界面反射时所产生的各种现象，光波的传播特性，例如偏振面，相位或者散射特性会发生变化，这个物理现象被称为磁光效应（Magneto-Optical Effect）。[1]利用材料的磁光效应制作的各类光信息功能器件被称为磁光器件，其在工业、国防、航空航天和医学等领域有广泛的应用。

目前磁光表面等离激元共振器件主要采用磁性金属材料，损耗高;同时等离激元器件本征的散射损耗依然制约了器件优值。研究发现，高介电常数的介质纳米颗粒的Mie谐振可以避免金属层的色散吸收和能量损耗，实现高Q值共振。[2]于是本文基于PS纳米球自组装技术以及高介电常数的磁光材料YIG/Ce：YIG（n=2.22），成功制备了三种磁光全介质结构，这将为磁光器件的制备提供一些新的参考。结构中的磁光材料Ce：YIG相比于铁磁金属材料，在可见光及近红外波段有着较低的光学损耗，并且具有较高的磁光效应[3]以及较高的稳定性。

1 介质纳米柱阵列

介质纳米柱阵列制备流程如图1所示。（a）首先选用SOI基底，主要是利用SOI的顶层硅以及中间的绝缘层SiO2。（b）在SOI基片上再用磁控溅射技术生长约60nm的SiO2，以及排列颗粒尺寸为540nm的PS纳米球，并用氧等离子体处理，得到大小合适的纳米球阵列。本文氧等离子体处理工艺为90w，200s，最后所得纳米球直径为340nm左右。（c）在PS纳米球做掩膜下，刻蚀生长的SiO2，刻蚀气体及比例为Ar∶He∶CHF3=5∶50∶50。刻蚀完毕，用甲苯溶液洗去PS纳米球。（d）以SiO2为掩膜版刻蚀SOI的顶层硅，刻蚀气体及比例为O2：SF6：CHF3=10：15：15。（e）在浓度为1：10的HF溶液中，去除SiO2掩膜层以及刻蚀SOI中间的绝缘层SiO2。（f）用脉冲激光沉积技术在硅纳米柱阵列上生长YIG/Ce：YIG材料。制备过程中得到的表面形貌如图2所示，图2（a）为流程图中（c）步骤所得结构的SEM。图2（b）为流程图中（d）步骤所得结构的SEM。图2（c）为流程图中（e）步骤所得结构的截面图。由SEM图片可见，纳米柱阵列大面积整齐有序。

2 三角纳米点阵

三角纳米点阵的制备采用颗粒直径为800nm的PS纳米球。不同尺寸的纳米球在溶液配比上略有不同。首先在硅片上得到六角密排的PS纳米球，如图3（a）所示。在104℃的电热板上加热20s，提高PS小球在硅片上的粘附性。然后不经过氧等离子体的刻蝕而直接在室温下沉积YIG/Ce：YIG薄膜，于是薄膜一部分沉积在纳米球表面，一部分沉积在纳米球的三角形缝隙间。用甲苯溶液去除PS纳米球，便得到大面积三角纳米点阵的介质结构，如图3（b）所示。再经后续的快速退火处理，可使介质磁光材料晶化。

3 介质纳米孔阵列

介质纳米孔阵列结合了前两种结构工艺的优点，工艺进一步简化，性能进一步提高。首先在双抛的石英基底上排列颗粒尺寸为1μm的PS纳米球，经氧等离子体处理500s～700s，使纳米球直径缩小至700nm左右。然后用脉冲激光沉积技术沉积YIG/Ce：YIG薄膜。用甲苯溶液去除纳米球，便制备了大面积六角周期的全介质纳米孔结构，如图4所示。该结构相比结构1，工艺大大简化;相比结构2，介质材料占空比大大提高，在后续的快速热处理过程中，更容易晶化，可以显著提高结构的磁光效应。

4 结论

本文提出了三种基于PS纳米球自组装技术的磁光全介质结构的制备方法。PS纳米球在制备过程中起到掩膜版的作用。磁光介质纳米颗粒的Mie谐振可以提高器件优值，增强磁光效应。

参考文献：

[1]P.S.Pershan.Magneto-optical effects[J].Journal of applied physics，1967，38（3）：1482-1490.

[2]L.Shi，J.T.Harris，R.Fenollosa，et al.Monodisperse silicon nanocavities and photonic crystals with magnetic response in the optical region[J].Nature communications，2013，4：1904.

[3]J.Qin，Y.Zhang，X.Liang，et al.Ultrahigh Figure-of-Merit in Metal–Insulator–Metal Magnetoplasmonic Sensors Using Low Loss Magneto-optical Oxide Thin Films[J].ACS Photonics，2017，4（6）：1403-1412.