[发明专利]一种空间交错混合材料薄膜的制备方法及其在消色差超透镜中的应用

说明书

一种空间交错混合材料薄膜的制备方法及其在消色差超透镜中的应用，首先利用薄硅片加工出多扇区空间沉积掩模，利用该多扇区掩模进行分区遮盖，在超透镜基底上沉积第一种电介质材料薄膜；利用刻蚀技术去除掩模和多余材料后，再更换另一个多扇区掩模，在剩余扇区沉积出相同厚度的第二种电介质材料薄膜；最后通过电子束光刻等微纳技术加工出该超透镜的纳米结构。本发明为制备高效率双波长消色差超透镜并用于双光子显微成像及双光子STED超分辨微内窥成像提供一种新的思路，该超透镜实现红外波段激发光和可见波段荧光或损耗光高效率共焦，从而有望用于活体深层生物组织的超分辨微内窥成像中，进一步实现低侵入损伤和高分辨率的动态实时超分辨成像。

技术领域

本发明涉及电介质超表面领域中空间交错混合材料薄膜的制备方法及其在消色差超透镜的应用，特别涉及一种基于多步沉积空间交错混合材料薄膜的消色差超透镜的制备方法，以及该超透镜在双光子荧光显微成像与双光子受激发射损耗(Stimulatedemission depletion,STED)超分辨微内窥成像中的应用，属于超表面加工技术领域。

背景技术

超透镜作为一种微型的平面光学元件，能够在纳米尺度灵活操控光的相位、偏振和振幅。由于其具有高自由度和高集成度等优点，超透镜作为微型物镜已经应用于荧光显微成像中。在荧光显微成像中，为了获取更深的成像深度，需要利用近红外光实现双光子激发。而适用于双光子荧光成像及双光子STED显微成像的超透镜，需要满足近红外波段激发光和可见波段荧光或损耗光的消色差聚焦。但单一材料加工的消色差超透镜难以同时满足如此大的波长差距。因此可以利用空间复用技术在空间上实现两种半导体材料交错构成的超透镜，一种材料用于近红外光的调制，另一种材料实现可见光波段的调制，同时满足超宽带(可见波段到红外波段)的高折射率和高透过率的消色差聚焦。

现阶段制备用于超透镜加工的半导体材料薄膜通常使用物理溅射、蒸发或化学沉积等方法。而这些加工方法的特点在于对基底的整体均匀覆盖，因此只能制备出单一半导体材料薄膜，对于多种材料复合结构也只能是多层堆积或局部嵌套，难以实现指定区域、指定材料的针对性沉积。而空间复用的双材料超透镜需要在不同扇区沉积不同的半导体材料，现有的加工技术面临着无指向性沉积的问题，在交叉扇区沉积不同材料需要沉积过程的精确定位。因此，仅利用现阶段无指向性的加工方法同时完成两种材料的定域沉积在技术上是难以实现的。加工制备用于空间复用分区结构超透镜的交叉扇区混合材料薄膜是当前亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明目的是解决现有超表面器件加工方法难以同时实现两种半导体材料交错定域沉积的技术难题，提供一种空间交错混合半导体材料薄膜的制备方法及其在消色差超透镜中的应用。

本发明制备的空间交错多步沉积混合材料薄膜，能够在空间上满足两种材料交错分布。并且在预期的空间位置实现两种材料的独立沉积以及在沉积时序上的分离。进而可以实现基于双材料薄膜的双波长消色差超透镜。改善了传统单一材料超透镜难以同时满足近红外波段和可见光波段高效率消色差聚焦的缺点，成为实现高度集成化的双光子荧光成像及双光子STED微内窥成像系统的关键。

本发明的技术方案

一种基于多步沉积空间交错混合材料薄膜的制备方法及其在消色差超透镜中的应用。利用薄硅片加工出多扇区沉积掩模，从而实现多步沉积过程中的空间分区遮盖，分别在基底上沉积出两种材料混合交错分布的双材料薄膜。最后利用电子束光刻等高精度微纳加工工艺在混合材料薄膜上加工出超透镜的纳米阵列结构。

一种空间交错混合材料薄膜的制备方法，利用多扇区薄硅片作为空间掩模在沉积过程中进行分区遮盖，分别在基底上先后沉积出具有两种材料的混合材料薄膜，具体制备步骤如下：

(1)制备具有多扇区结构的空间沉积掩模：空间沉积掩模选用厚度大于待沉积薄膜层厚度的薄硅片；在显微加工平台下，利用聚焦离子束刻蚀或飞秒激光直写技术在薄硅片上加工出多扇区结构，其直径和预期超透镜的直径相当；此空间沉积掩模用于在后续混合材料沉积过程进行分区域交替遮盖；