纳米空气柱阵列-SiO2复合超材料的制备和折射率调控

doi:10.7503/cjcu20250338

摘要/Abstract

摘要：

提出并验证了一种基于二次化学刻蚀宽范围调控折射率并获得超低折射率的新策略. 首先，采用多靶磁控共溅射技术制备Ag纳米线阵列-SiO₂复合超材料薄膜，经过一次化学刻蚀工艺去除金属相从而构建了纳米空气柱阵列-SiO₂复合超材料薄膜，引入二次化学刻蚀实现了对纳米空气柱阵列直径的扩孔以增大孔隙率，获得了具有超低折射率(<1.2)的超材料薄膜. 利用光谱型椭偏仪和扫描电子显微镜对薄膜的光学性能与微观结构进行了表征，并基于各向异性有效介质理论(EMA)模型对椭偏参数Ψ和Δ进行拟合，得出孔隙率与各向异性折射率的对应关系，明确了一次刻蚀可实现的最低折射率水平. 探讨和总结出二次刻蚀时间与刻蚀液浓度对折射率变化的影响规律. 所提出的超低折射率调控方法具有良好的工艺可重复性，实现了寻常折射率在1.367~1.159之间，异常折射率在1.392~1.191宽范围内的可控制备.

关键词: 超材料薄膜, 低折射率, 纳米空气柱阵列, 化学刻蚀, 磁控溅射

Abstract:

This study proposes and validates a novel strategy for fabricating ultra-low refractive index films based on nanostructure regulation via secondary chemical etching. Initially， Ag nanowire array-silica composite metamaterial films were prepared using multi-target magnetron co-sputtering technology. After the first-step chemical etching process to remove the metallic phase， an air-nanocolumn array-silica composite metamaterial film was constructed. However， due to the limited porosity achieved by the first etching step， the resulting refractive index could not meet the requirement for further reduction. To address this issue， this work introduces a secondary chemical etching step to enlarge the diameter of the air nanocolumns， thereby increasing the porosity and successfully obtaining a composite metamaterial with an ultra-low refractive index（<1.2）. The optical properties and microstructure of the films were characterized using spectroscopic ellipsometry and scanning electron microscopy. Based on the anisotropic effective medium approximation（EMA） model， the ellipsometric parameters Ψ and Δ were fitted to establish the relationship between porosity and anisotropic refractive indices， clarifying the minimum refractive index achievable by the first etching step. The effects of secondary etching time and etchant concentration on the refractive index were systematically investigated， demonstrating that the proposed ultra-low refractive index tuning method exhibits excellent process repeatability. This enables the controllable preparation of films with an ordinary refractive index ranging from 1.367 to 1.159 and an extraordinary refractive index between 1.392 and 1.191. This research provides a new pathway for the controllable preparation of ultra-low refractive index materials， holding significant application potential in photonic devices such as automotive lenses and display panels.

Key words: Metamaterial film, Low refractive index, Nano-air column array, Chemical etching, Magnetron sputtering

中图分类号:

O611.2

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Incident angel⁃dependent optical density curves(A) and XRD patterns before and after etching in hydrogen peroxide solution(B) of the typical Ag nanowire array⁃SiO2 composite metamaterial filmThe insets in （B） show the corresponding optical photographs of the sample before and after etching.

Fig.2 SEM image of the sample surface(A) and cross⁃sectional TEM bright⁃field image(B) before etching, and the corresponding SEM image(C) and TEM image(D) after etching

Fig.3 Optical density curves of the Ag⁃nanowire array⁃SiO2 metamaterial films prepared with different sputtering powers of 11(A), 12(B), 14(C) and 15 W(D), and the corresponding nxx，yy (E) and nzz (F) of them after the first etching process

Fig.4 Porosity variations of the air nanocolumn array⁃SiO2 composite metamaterial films on the etching time and etching solution concentrations(A) and the porosity⁃time relationship of the air nanocolumn array⁃SiO2 composite metamaterial films with a porsity of 19.7% in 0.075 mol/L etching solution(B)

Fig.5 Schematic diagram of the air nanocolumn array⁃SiO2 composite metamaterial film and anisotropic refractive index(A), the ordinary refractive index(B), extraordinary refractive index(C) and isotropic refractive index(D) of the obtained air nanocolumn array⁃SiO2 composite metamaterial films with different porosities

Fig.6 Surface SEM images of the samples after secondary etching with different etchant concentrations of 0.010(A), 0.025(B), 0.050(C), 0.075 (D) and 0.100 mol/L(E)

Fig.7 Surface AFM topography images of the samples from Fig.6(D)(A), Fig.6(E)(B) and the bare silicon substrate(C)

Table 1 Specific parameters of the secondary etching process

Sample	Initial porosity（%）	Solution concentration/ （mol·L^-1）	Second etching time/min	Final porosity（%）
Sample 1	18.0	0.100	30	57.5
Sample 2	18.4	0.100	30	61.6
Sample 3	18.9	0.100	30	62.1
Sample 4	17.9	0.100	30	60.4
Sample 5	18.6	0.100	30	63.8
Sample 6	18.7	0.100	30	63.8

Fig.8 Ordinary refractive index(A), extraordinary refractive index(B) and isotropic refractive index(C) of the samples after 30 min etching in 0.100 mol/L etching solution

参考文献 30

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纳米空气柱阵列-SiO₂复合超材料的制备和折射率调控

Fabrication and Refractive Index Tuning of Air Nanocolumn Array-Silica Composite Metamaterials

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