曲面金属-电介质多层复合结构超分辨特性及其光刻效应研究

摘要

本论文推导了柱坐标系下曲面金属-电介质多层复合结构的等效介质理论和色散方程，分析了曲面金属-电介质多层复合结构实现超分辨效应的物理机理及其条件；研究了结构的几何参数、介电常数和结构所处的环境介质对其远场超分辨特性的影响，提出并数值验证了利用阻抗匹配方法增强曲面金属-电介质多层复合结构远场超分辨能力的技术方案；研究了曲面金属-电介质多层复合结构的近场光刻效应，提出利用阻抗匹配方法提高结构超衍射极限近场光刻质量的方法；研究了金属-电介质多层阵列结构和柱对称曲面金属-电介质多层阵列结构的聚焦效应，实现了焦点位置的动态调控，上述研究在近场光刻领域存在重要的潜在应用价值。
　　 本论文的研究工作和成果如下：
　　 1.研究了柱坐标系下曲面金属-电介质多层复合结构的等效介质理论和色散方程，讨论了该结构中电磁波的能流特性对结构色散的依赖关系，明晰了曲面金属-电介质多层复合结构实现超分辨效应的物理机理及其条件，为超分辨和近场光刻的曲面金属-电解质复合结构的结构设计及其性能优化做了理论铺垫。
　　 2.建立了色散时域有限差分方法(FDTD)和电磁场的有限元方法(FEM)的数值计算平台，通过理论分析和数值计算相结合的方法，研究了金属-电介质多层复合结构的几何参数、介电常数分布、光源位置、波长以及结构所处的环境介质等因素对其远场超分辨成像的影响。提出了一种利用阻抗匹配的方法提高结构超分辨成像质量的设计方案，结构的成像对比度提高为未采用阻抗匹配的方法条件下的4倍。
　　 3.利用电磁场的有限元方法(FEM)，研究了金属-电介质多层复合结构的几何参数、介电常数分布、入射光波波长以及结构所处的环境介质等因素对于其近场光刻效应的影响。对用于近场光刻的金属-电介质多层复合结构的相关参数进行了优化设计；根据阻抗匹配原理，提出并数值验证了一种提高结构近场光刻质量的技术方案，得到了40nm的横向光刻分辨率和0.39的光场强度对比度，取得了很好的效果。
　　 4.研究了锥状金属-电介质多层阵列结构和柱对称曲面金属-电介质多层阵列结构的聚焦效应，着重讨论了几何参数(结构出射端锥角)、光波入射角度对其近场聚焦特性的影响，分析了聚焦效应产生的物理机理。研究了金属-电介质多层阵列结构的近场偏折聚焦效应，实现了聚焦焦斑的横向动态调控，横向调控的角度范围可达45°；研究了锥状曲面金属-电介质多层阵列结构对径向偏振光的聚焦效应，数值实现了较理想的调焦深度(＞3.5μm)和聚焦焦斑半径(＜170nm)。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 负折射材料的历史背景和研究现状概述

1.2负折射材料的基本电磁理论

1.2.1 负折射材料实现的理论基础

1.2.2负介电常数材料的实现

1.2.3负磁导率材料的实现

1.3基于负折射材料的光学超透镜效应研究概述

1.3.1“完美透镜”的概念

1.3.2超级透镜效应的研究进展

1.3.3负折射材料及超透镜效应研究的热点及其发展方向

1.4本文的主要内容

参考文献

第二章 电磁场的时域有限差分方法和有限元方法

2.1 亚波长金属-电介质复合结构研究的数值计算方法简介

2.2色散时域有限差分方法(Dispersive FDTD Method)

2.2.1 时域有限差分法的基本原理

2.3.3金属的色散FDTD

2.2.3 FDTD的边界条件和数值稳定性

2.3电磁场的有限元(FEM)方法

2.3.1变分原理

2.3.2求解二维电磁场问题有限元方法的基本原理

2.3.3有限元方程的求解和系数矩阵的存储

2.4本章小结

参考文献

第三章 曲面多层复合结构的等效介质理论和色散关系研究

3.1曲面金属-电介质复合结构的等效介质理论

3.2曲面多层复合结构的色散关系与远场超分辨的实现

3.2.1曲面金属-电介质复合结构的色散关系

3.2.2超分辨曲面金属-电介质复合结构的色散曲线构造

3.4本章小结

参考文献

第四章 曲面金属-电介质(M-D-M)复合结构远场超分辨成像特性研究

4.1引言

4.2介电常数对曲面M-D-M复合结构超分辨成像的影响研究

4.2.1曲面M-D-M复合结构的光线追迹理论

4.2.2介电常数对曲面M-D-M复合结构中点源远场发散角的影响

4.3几何参数对曲面M-D-M复合结构远场超分辨成像的影响研究

4.4阻抗匹配对曲面金属-电介质复合结构超分辨成像的影响研究

4.5本章小结

参考文献

第五章 曲面金属-电介质复合结构近场光刻效应研究

5.1引言

5.2近场光刻曲面金属-电介质复合结构的参数设计研究

5.3曲面金属-电介质复合结构近场光刻的液体浸没技术研究

5.4本章小结

参考文献

第六章 金属-电介质多层阵列结构近场聚焦效应研究

6.1引言

6.2金属-电介质多层波导阵列结构光束聚焦效应研究

6.3柱对称金属-电介质曲面复合结构聚焦特性研究

6.4本章小结

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文与取得的研究成果

致 谢