Návrh a výroba dielektrických metapovrchů pro ultrafialové vlnové délky

Abstract

Tato práce se zabývá metapovrchy, které jsou určeny pro ultrafialové (UV, z anglického ultraviolet) vlnové délky a slouží jako alternativa ke konvenčně používaným optickým prvkům jakými jsou například čočky a hologramy. Výhodou metapovrchů oproti konvenčně používaným optickým prvkům je jejich kompaktní rozměr ale také multifunkčnost, která je v této práci demonstrována zpracovanou rešeršní studií zabývající se metačočkami a metahologramy pro UV vlnové délky. V této práci je kladen důraz na dva různé materiály vhodné pro UV vlnové délky --- HfO2 a AlN, které byly vybrány pro svůj poměrně vysoký index lomu (>2) a nízkou absorpci i pro vlnové délky odpovídající hlubokému UV záření. V práci jsou tyto materiály představeny dva odlišné výrobní postupy, kdy pro HfO2 se využívá depozice atomárních vrstev do předem rezistových připravených masek strukturovaných pomocí elektronové litografie, zatímco pro AlN se využívá leptání přes chromové nebo rezistové masky. Následně je demonstrována úspěšná výroba metačočky z HfO2 využívající nanostruktur s vysokým poměrem stran ve tvaru válečků s kruhovým průřezem. Plně funkční metapovrch z AlN se nepodařilo demonstrovat z důvodu nedostatečné optimalizace výrobního procesu. Metačočky z HfO2 byly charakterizovány v experimentální optické sestavě, která umožňuje měřit intenzitní profil a kdy získané výsledky ukazují schopnost metačoček z HfO2 fokusovat světlo o vlnové délce 325 nm. V naměřených intenzitních profilech čoček se objevují odchylky, které jsou diskutovány a zdůvodněny na základě teoretických výpočtů. Hlavním výsledkem této práce je optimalizovaný výrobní proces HfO2 nanostruktur s vysokým poměrem stran, který umožňuje výrobu funkčních metapovrchů pro UV vlnové délky a který bude využit v budoucích projektech zabývajících se výrobou UV metapovrchů.This thesis explores metasurfaces operating at ultraviolet (UV) wavelengths as alternatives to conventional optical elements like lenses or holograms. Metasurfaces offer advantages over traditional optical elements such as a reduced footprint of optical systems or multifunctionality within a single device. We start this work with a literature review devoted to UV metalenses and UV metaholograms. We mainly focus on HfO2 and AlN material platforms because of their high index of refraction (>2) and low losses down to deep-UV region, and we compare fabrication approaches involving these materials. The most promising fabrication recipes were optimized in the practical part of the thesis: HfO2 metasurfaces were fabricated using atomic layer deposition into masks pre-patterned by electron beam lithography, while AlN metasurfaces were etched through hard chromium masks. We demonstrated successful fabrication of HfO2 metalenses made of high aspect-ratio nanopillars with circular cross-sections, while the fabrication of AlN metasurfaces faced challenges, which were thoroughly discussed as well. Characterization of the final HfO2 metalenses in terms of intensity profiles was done in a custom-made experimental optical setup. The metalenses showed promising performance for the wavelength 325 nm, although slight deviations from the design were observed and are discussed in the context of theoretical calculations. The findings of this work emphasize the importance of thorough optimization for the future fabrication of UV metasurfaces.