Les réseaux de nano-piliers de la métasurface affichant les lettres I, M et E en rouge, vert et bleu, respectivement. Crédit : Réimprimé avec la permission de la réf 1, La Société d'optique (OSA)
La production en série de dispositifs optiques plats avec des structures sub-longueur d'onde pourrait bientôt être une réalité, grâce à une technique de fabrication de métasurfaces développée par des chercheurs d'A*STAR.
Les métasurfaces sont synthétiques, matériaux bidimensionnels recouverts de minuscules formes individuelles avec des tailles et des espacements inférieurs aux longueurs d'onde de la lumière visible. Ces structures de « sous-longueur d'onde » permettent aux scientifiques de contrôler avec précision la forme de propagation, ou front d'onde, de faisceaux lumineux. En tant que tel, les métasurfaces sont prometteuses pour de nombreuses applications, de l'imagerie haute résolution et de l'impression couleur au contrôle de la polarisation de la lumière. Production en série de métasurfaces, cependant, s'est avéré difficile, limité par la complexité de la réalisation de modèles aussi précis.
Maintenant, Ting Hu et ses collègues de l'Institut de microélectronique (IME) d'A*STAR ont développé une méthode de construction de métasurfaces à base de silicium en introduisant des techniques existantes de fabrication de semi-conducteurs. Leur nouvelle conception de métasurface peut produire des écrans couleur rouge-vert-bleu (RVB) haute résolution.
Jusqu'à maintenant, les métasurfaces ont été principalement fabriquées par lithographie par faisceau d'électrons (EBL), qui n'est pas applicable à la production de masse, comme Hu l'explique :
"Avec EBL, le faisceau d'électrons focalisé se déplace lentement, pas à pas, à travers le substrat de la métasurface. Les métasurfaces contenant des millions, voire des milliards, d'éléments nécessitent un temps très long pour être modelées via EBL. Nous souhaitions une méthode de structuration plus rapide et plus efficace."
Hu et l'équipe ont basé leur technique sur la « lithographie par immersion », qui a longtemps été utilisé pour graver des motifs sur des composants électroniques. Avec plusieurs expositions, des modèles complexes peuvent être construits. Les chercheurs ont utilisé la lithographie à base d'ultraviolets (UV) pour la structuration initiale sur des substrats de silicium, suivi d'une gravure au plasma pour former les dessins en petits blocs de pixels qui ont été assemblés en une surface d'affichage de 12 pouces (voir image).
"Notre outil de lithographie UV est un scanner, qui peut modeler une tranche entière de 12 pouces avec des appareils conçus en une demi-heure, " dit Hu. "Nous avons conçu les dimensions physiques des réseaux de nano-piliers de la métasurface pour afficher avec précision les couleurs, avec des résultats fantastiques, par exemple afficher les lettres I, M et E en rouge, respectivement vert et bleu."
Hu et son équipe espèrent optimiser leur conception et améliorer le processus de gravure afin de minimiser les pertes induites par la diffusion de la lumière et les défauts dans les réseaux de nanostructures. Ils font également des efforts pour réaliser des plats, des « méta-lentilles » et des projecteurs de points légers avec des utilisations potentielles dans les technologies de reconnaissance faciale.