光学器件及其形成方法与流程

光学器件及其形成方法相关申请的交叉引用1.本技术要求于2019年7月19日提交的新加坡专利申请第10201906719y号的优先权的权益，其内容通过引用方式整体并入本文以用于所有目的。技术领域2.本公开的各个方面涉及一种光学器件。本公开的各个方面涉及一种形成光学器件的方法。背景技术：3.成像科学和技术的进步使我们能够更细致且更立体地观察并展示世界。从传统的球面透镜到平面超透镜，成像分辨率得到了极大的提高，瑞利衍射极限已经不再是特别设计的平面超透镜的“极限”。例如，超振荡透镜在理论上可以在衍射极限以下操作若干次。全息术是另一种重要的成像技术，其通过精确操纵光场来实现三维(3d)视觉观看。近年来，通过使用超表面和光子筛在纳米尺度上设计的全息图案已显示出极具前景的性能和多用途功能，并且显示出在集成光学和光子应用方面的巨大潜力。4.对光的高效操纵对于推动这些先进的光学系统走向工业应用非常重要。金属材料因其等离子体共振、高反射率和易于纳米制造的特点在许多超器件中得到了广泛的应用。然而，金属材料的损耗性质导致透射模式的操作效率低下。又或者，低损耗电介质诸如硅和氧化钛可有效提高这些超器件的效率，但它们只能在较长的波长范围内使用。对于较短的波长范围(诸如在400nm以下的紫外(uv)范围内)，需要合适的材料来满足高效、宽带操作的严格要求，同时保持成像质量。技术实现要素：5.各种实施方案可涉及一种光学器件。该光学器件可包括堆叠结构，该堆叠结构具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。该堆叠结构可包括从该第一表面向该第二表面延伸的多个孔或凹槽。该堆叠结构可包括过渡金属硫族化合物材料(tmdc)材料。该堆叠结构的厚度可以是小于100nm的任何值。6.各种实施方案可以涉及一种形成光学器件的方法。该方法可包括形成多个孔或凹槽，该多个孔或凹槽从堆叠结构的第一表面向该堆叠结构的与该第一表面相对的第二表面延伸。该堆叠结构可包括过渡金属硫族化合物材料(tmdc)材料。该堆叠结构的厚度可以是小于100nm的任何值。附图说明7.当结合非限制性实施例和附图考虑本发明时，参考具体实施方式将得到更好的理解，其中：图1a示出了(上图)常规透镜的示意图，以及(下图)平面透镜的示意图。图1b是示出了全息图的生成的示意图。全息图在理想情况下可具有大视角和宽带操作。图2是根据各种实施方案的光学器件的一般示意图。图3是根据各种实施方案的形成光学器件的方法的一般示意图。图4是吸收与波长(以纳米或nm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的通过磁控溅射、物理气相沉积(pvd)生长的15层二硫化钼(mos2)的吸收光谱。图5a是示出了根据各种实施方案的形成光学器件的方法的示意图。图5b示出了(左图)根据各种实施方案的覆盖有金层的超振荡透镜(sol)的光学图像；以及(右图)根据各种实施方案的示出于左侧的覆盖有金层的超振荡透镜(sol)的一部分的放大图像。图5c示出了(左图)根据各种实施例的超振荡透镜(sol)(未覆盖金层)的光学图像；以及(右图)根据各种实施方案的示出于左侧的超振荡透镜(sol)的一部分的放大图像。图6a是沿x维度(以微米或μm为单位)与沿z维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)沿z＝0μm至27μm的区域中的传播距离的模拟强度分布。图6b是沿y维度(以微米或μm为单位)与沿x维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)在横向焦平面中的模拟强度分布。图6c是沿x维度(以微米或μm为单位)与沿z维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)沿z＝0μm至27μm的区域中的传播距离的测量强度分布。图6d是沿y维度(以微米或μm为单位)与沿x维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)在横向焦平面中的测量强度分布。图6e是强度与沿x维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的沿焦点的x轴的测量强度分布。图7a示出了根据各种实施方案的光子筛的扫描电子显微镜(sem)图像。图7b示出了(左图)根据各种实施方案的光子筛的原子力显微镜(afm)图像；以及(右图)沿z轴(以纳米或nm为单位)与沿x轴的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的光子筛的厚度分布。图8a示出了根据各种实施方案的光子筛在约450nm的波长处生成的全息图像投影。图8b是总效率与波长(以纳米或nm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的光子筛在约400nm至约500nm生成二维全息图过程中的总效率(te)。图8c是吸收与波长(以纳米或nm为单位)的关系的曲线图，其比较了层状二硫化钼(mos2)的吸收光谱和根据各种实施方案的光子筛在生成全息图过程中的波长依赖性衍射效率。图9a示出了根据各种实施方案的光子筛在相对于光子筛的法线的不同入射角生成的全息图像投影的通过实验方法捕获的光学图像。图9b是效率与倾斜角(以度为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的光子筛在不同倾斜角的总效率(te)和衍射效率(de)的变化。具体实施方式8.以下具体实施方式参考以说明的方式示出了可以实践本发明的具体细节和实施方案的附图。这些实施方案进行了充分详细地描述以使本领域技术人员能够实践本发明。在不偏离本发明的范围的情况下可以利用其他实施方案，并且可以进行结构和逻辑上的改变。各种实施方案不一定是相互排斥的，因为一些实施方案可与一个或多个其他实施方案组合以形成新的实施方案。9.在方法或器件之一的上下文中描述的实施方案对于其他方法或器件同样有效。类似地，在方法的上下文中描述的实施方案对于器件同样有效，反之亦然。10.在一个实施方案的上下文中描述的特征部可以相应地适用于其他实施方案中的相同或相似特征部。在一个实施方案的上下文中描述的特征部可以相应地适用于其他实施方案，即使这些特征部并未在这些其他实施方案中进行明确地描述。此外，在一个实施方案的上下文中针对特征部描述的补充和/或组合和/或替代方案可以相应地适用于其他实施方案中的相同或相似特征部。11.如本文所述的器件可以各种取向操作，并且因此应当理解，术语“顶部”、“底部”等当用于以下描述中时是为了提供便利并且帮助理解相对位置或方向，而不旨在限制器件的取向。12.在各种实施方案的上下文中，针对特征部或元件所用的冠词“一”、“一个”和“该”包括对特征部或元件中的一个或多个特征部或元件的引用。13.在各种实施方案的上下文中，应用于数值的术语“约”或“大约”包括精确值和合理的方差。14.本文所用的术语“和/或”包括相关所列项中一项或多项的任何和所有组合。15.各种实施方案可尽最大程度解决或缓解常规光学器件诸如常规平面透镜或常规光子筛所面临的问题。平面透镜可以是这样的透镜：其平面形状使其能够提供无畸变成像，同时可能具有任意大的孔径。图1a示出了(上图)常规透镜的示意图，以及(下图)平面透镜的示意图。光子筛可以是使用衍射和干涉来聚焦光的器件。光子筛可用于生成全息图，该全息图可以是对光场的摄影记录，以显示全息对象的完整三维图像。图1b是示出了全息图的生成的示意图。用于生成全息图的光子筛在理想情况下可具有大视角和宽带操作。16.常规的基于金属材料的光子筛的一个缺点是在透射模式中的效率低。常规的平面透镜和光子筛需要足够的厚度来阻挡光，例如对于au来说，需要数百纳米尺度的厚度。金属材料的损耗性质和较大的厚度导致透射效率低下。17.各种实施方案可涉及包括过渡金属硫族化合物(tmdc)二维材料的光学器件。由于tmdc材料诸如二硫化钼(mos2)表现出的高吸收，光学器件诸如超透镜或光学筛的厚度可从几百纳米厚减小到仅10nm的厚度。因此，光穿过超器件的效率与常规的金属器件相比可大大提高。18.图2是根据各种实施方案的光学器件的一般示意图。该光学器件可包括堆叠结构202，该堆叠结构具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。堆叠结构202可包括从该第一表面向该第二表面延伸的多个孔或凹槽。堆叠结构202可包括过渡金属硫族化合物(tmdc)材料。该堆叠结构的厚度可以是小于100nm的任何值。19.换句话说，该光学器件可以是限定从堆叠结构202的第一表面向该堆叠结构的第二相对表面延伸的特征部(诸如多个孔或多个凹槽)的堆叠结构。该堆叠结构的厚度可以是小于100nm的任何值。20.在各种实施方案中，堆叠结构202可包括过渡金属硫族化合物材料(tmdc)材料的多个层。可例如经由诸如物理气相沉积(pvd)或化学气相沉积(cvd)的方法通过沉积该tdmc材料的第一层、在该tdmc材料的该第一层上沉积该tdmc材料的第二层来形成光学器件。如此，可以通过沉积多个层使得该多个层堆叠在一起来形成堆叠结构202。21.在各种实施方案中，堆叠结构202可以是等于或小于50nm的任何值，例如等于或小于10nm的任何值。22.在各种实施方案中，过渡金属硫族化合物(tmdc)材料可以是二维(2d)过渡金属硫族化合物(tmdc)材料。过渡金属硫族化合物(tmdc)材料可包含过渡元素(例如，钛、钼、钨和铌)和硫族元素(例如，硒、硫或碲化物)。过渡金属硫族化合物(tmdc)材料可以是例如二硫化钼(mos2)、二硫化钨(ws2)或二硒化钨(wse2)。23.在各种实施方案中，光学器件可以是平面超振荡透镜(sol)。多个凹槽可以形成多个同心环结构。该超振荡透镜可被构造成在光入射到该平面透镜上时生成亚衍射极限聚焦点，使得该亚衍射极限聚焦点的半峰全宽(fwhm)等于或小于该光的波长的0.4倍，并且该亚衍射极限聚焦点的强度等于或大于入射到该平面透镜上的该光的强度的80倍。24.在各种实施方案中，光学器件可以是平面衍射透镜，诸如菲涅耳波带片(fzp)或超临界透镜(scl)。25.在各种实施方案中，光学器件可被构造成在光入射到该光学器件上时生成亚衍射极限聚焦点，使得该亚衍射极限聚焦点的半峰全宽(fwhm)等于或小于该光的波长的0.515倍除以该光学器件的数值孔径。26.在各种实施方案中，光学器件可以是光子筛。多个孔可从堆叠结构的第一表面延伸到堆叠结构的第二表面。该光子筛可被构造成在光沿该光子筛的法线入射到该光子筛上后以大于20％的总效率(te)生成全息图。在各种实施方案中，当光以30°角入射到光子筛上时的总效率可以是大于当光沿法线入射到光子筛上时的总效率的75％的值。在各种实施方案中，当光以与法线成30°的角入射到光子筛上时，可以大于15％的总效率生成全息图。总效率(te)是投影图像中的光功率与入射到光学器件上的功率相比的量度。另一方面，衍射效率(de)是投影图像中的光功率与来自光学器件的光功率相比的量度。27.在当前的上下文中，光可以是可见光、紫外(uv)光和/或红外(ir)光。28.在各种实施方案中，光学器件可包括衬底，诸如蓝宝石衬底。堆叠结构202可在该衬底上。该衬底可被构造成允许至少一些光穿过。29.图3是根据各种实施方案的形成光学器件的方法的一般示意图。该方法可包括，在302中，形成从堆叠结构的第一表面向该堆叠结构的与该第一表面相对的第二表面延伸的多个孔或凹槽。该堆叠结构可包括过渡金属硫族化合物材料(tmdc)材料。该堆叠结构的厚度可以是小于100nm的任何值。30.换句话说，该方法可包括在厚度小于100nm的tmdc材料的薄堆叠结构上形成特征部诸如孔或凹槽，以制造光学器件。31.在各种实施方案中，堆叠结构的厚度可以是等于或小于10nm的任何值。32.在各种实施方案中，该方法还可包括在形成多个孔或凹槽之前，经由物理气相沉积或化学气相沉积在衬底上形成堆叠结构。33.在各种实施方案中，该方法可包括在形成堆叠结构之后并且在形成多个孔或凹槽之前，在该堆叠结构上沉积掩模层。该掩模层可包括合适的材料，诸如金属、聚合物或电介质材料。该金属可例如是金(au)或铬(cr)。该聚合物可以是例如聚(甲基丙烯酸甲酯)或光阻材料。该电介质材料可以是例如氧化硅(sio2)或氧化铝(al2o3)。34.在各种实施方案中，多个孔或凹槽可通过蚀刻(例如，聚焦离子束(fib)蚀刻、等离子体蚀刻或反应离子蚀刻)掩模层而形成。35.在各种实施方案中，该方法还可包括在堆叠结构上形成多个孔或凹槽之后，从该堆叠结构去除掩模层。掩模层可通过化学蚀刻去除。36.在各种实施方案中，光学器件可以是平面衍射透镜，诸如菲涅耳波带片(fzp)、超振荡透镜(sol)或超临界透镜(scl)。37.在各种其他实施方案中，光学器件可以是光子筛。38.图4是吸收与波长(以纳米或nm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的通过磁控溅射、物理气相沉积(pvd)生长的15层二硫化钼(mos2)的吸收光谱。在450nm附近观察到近80％的高吸收，这是由于2d mos2中具有独特的带嵌套效应。各种实施方案可以基于该15层mos2。39.图5a是示出了根据各种实施方案的形成光学器件的方法的示意图。在步骤1中，可例如经由物理气相沉积(pvd)在衬底诸如蓝宝石衬底上形成多层二硫化钼(mos2)叠层。在步骤2中，可在该多层二硫化钼(mos2)叠层上形成掩模层，例如金掩模层。在步骤3中，可进行聚焦离子束(fib)蚀刻以去除该多层二硫化钼(mos2)叠层的一部分以及金掩模层的覆盖部分，从而形成孔或凹槽。在步骤4中，可例如经由化学蚀刻去除该金掩模层。40.近年来，人们对二元超振荡透镜(sol)进行了研究。众所周知，sol具有很强的聚焦能力，但是也有效率低的缺点。所用的厚金属材料大部分在100nm以上，这是效率低的部分原因。在各种实施方案中，10nm厚的mos2多层叠层可用作基底。可在该叠层上形成同心凹槽结构。测量所得sol的透射系数。结果表明，大幅度减小透镜厚度可以大大提高透光率，从而提高总效率。本文所述的结果还表明，可以在sol设计中使用透射性材料来代替常规的金属掩模。41.图5b示出了(左图)根据各种实施方案的覆盖有金层的超振荡透镜(sol)的光学图像；以及(右图)根据各种实施方案的示出于左侧的覆盖有金层的超振荡透镜(sol)的一部分的放大图像。42.图5c示出了(左图)根据各种实施例的超振荡透镜(sol)(未覆盖金层)的光学图像；以及(右图)根据各种实施方案的示出于左侧的超振荡透镜(sol)的一部分的放大图像。43.图5b至图5c表明可在多层二硫化钼(mos2)叠层上形成精细结构。44.图6a是沿x维度(以微米或μm为单位)与沿z维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)沿z＝0μm至27μm的区域中的传播距离的模拟强度分布。图6b是沿y维度(以微米或μm为单位)与沿x维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)在横向焦平面中的模拟强度分布。45.图6c是沿x维度(以微米或μm为单位)与沿z维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)沿z＝0μm至27μm的区域中的传播距离的测量强度分布。图6d是沿y维度(以微米或μm为单位)与沿x维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的超振荡透镜(sol)在横向焦平面中的测量强度分布。46.图6e是强度与沿x维度(以微米或μm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的沿焦点的x轴的测量强度分布。47.图6a至图6e表明2d sol的模拟和实验结果一致性较好。此处的设计波长是450nm，对应于层状mos2的吸收峰。值得注意的是，在较短波长下工作的sol可能对制造的精细度和精度有更高的要求。研究已表明，原子级薄2d sol可生成具有0.4λ的半高全宽(fwhm)的低于衍射极限的焦点尺寸。2d sol热点中的光强度为入射光的光强度的80多倍。这可能是首次报道了在500nm以下的较短波长处的sol的浓度比。与之前报道的在640nm工作波长处显示25倍的浓度比的sol相比，在450nm处的各种实施方案显示超过3倍的更高聚焦效率。这对于sol的实际使用是非常有益的。演示sol的目的是验证该2d平台的适用性。在各种实施方案中，光学器件可以是菲涅耳波带片(fzp)或超临界透镜(scl)。人们普遍认为，与传统的菲涅耳波带片(fzp)和超临界透镜(scl)相比，sol的实现在制造和测量方面有更高的要求，这表明各种实施方案可以广泛地应用于平面衍射透镜。48.如今，计算机生成全息术(cgh)是用于重建二维(2d)和三维(3d)显示器图像的主要方法，并且已经开发了各种技术来实现cgh。其中，超高容量的非周期性光子筛在生成具有不依赖偏振、操作带宽、视角大等优点的高质量全息图像方面引起了人们的强烈关注。然而，所报道的基于金属的光子筛的效率非常低，小于2％，这几乎不能达到实际应用的要求。49.本文描述了一种基于多层mos2的光子筛，该光子筛能够实现超过10倍的更高成像效率和进一步扩大的视角。50.在激光照射下，光子筛可以作为在目标平面内显示干涉的次级惠更斯点源。衍射图可主要由孔径形状控制，因为该孔径内的所有纳米孔都可干扰衍射图。可以采用基于遗传算法的技术来确定光子筛上的纳米孔的位置，以重建由字母“nano”组成的图像。51.所用的2d材料和纳米制造方法可类似于上文提到的2d sol。图7a示出了根据各种实施方案的光子筛的扫描电子显微镜(sem)图像。图7b示出了(左图)根据各种实施方案的光子筛的原子力显微镜(afm)图像；以及(右图)沿z轴(以纳米或nm为单位)与沿x轴的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的光子筛的厚度分布。52.可以看出，光子筛上的纳米孔各自的直径为约200nm。纳米孔之间的间距约为225nm。在10nm厚的多层mos2叠层上制造了纳米孔，这再次证明了所开发的纳米制造方法是高效的。53.图8a示出了根据各种实施方案的光子筛在约450nm的波长处生成的全息图像投影。图像显示了单词“nano”。此外，还研究了光子筛在约400nm至约500nm的整个波长范围内的总效率。图8b是总效率与波长(以纳米或nm为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的光子筛在约400nm至约500nm生成二维全息图过程中的总效率(te)。可以看出，在整个范围内获得了大于20％的te。该te超过先前关于该波长范围所报道的te的10倍。54.图8c是吸收与波长(以纳米或nm为单位)的关系的曲线图，其比较了层状二硫化钼(mos2)的吸收光谱和根据各种实施方案的光子筛在生成全息图过程中的波长依赖性衍射效率。这两条曲线示出了类似的趋势，这是可以理解的。由于较高的吸收可减少从光子筛的非结构化区域投射到目标平面上的无用光，而通过纳米孔的光的能量基本不变，这可以导致较高的信噪比。55.进一步研究了光子筛对光的倾斜入射的容限。图9a示出了根据各种实施方案的光子筛在相对于光子筛的法线的不同入射角生成的全息图像投影的通过实验方法捕获的光学图像。入射光相对于法线的角度(即，倾斜角)以5度的间隔(即，5度、10度、15度、20度、25度和30度)变化。图9a显示，即使在倾斜角为30度的情况下，全息图像仍然是可分辨的。图9b是效率与倾斜角(以度为单位)的关系的曲线图，其示出了根据各种实施方案的光子筛在不同倾斜角的总效率(te)和衍射效率(de)的变化。图9b显示，当倾斜角增加时，总效率(te)和衍射效率(de)仅略微降低。在倾斜角为30度的情况下，总效率(te)仍大于15％。56.各种实施方案可涉及一种由原子级薄过渡金属硫族化合物(tmdc)层实现的成像平台。通过在2d tmdc层上制造精心设计的纳米结构，光子筛和sol的厚度从几百纳米厚减小到仅10nm，这既能实现具有放大视角的超高效率全息成像，又能实现具有0.4λ的亚衍射极限焦点尺寸的超振荡聚焦。57.尽管已经参照具体实施方案特别示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下，可以对其进行各种形式和细节上的改变。因此，本发明的范围由所附权利要求指明，因此，在权利要求的含义和等效范围内的所有变化都将被包含在内。