Electric tunable metasurface and method of fabrication thereof

Abstract

Provided herein are metasurfaces and methods of fabrication thereof. The metasurface of the disclosure can comprise a liquid crystal (LC) region comprising a LC structure; a pillar or antenna region, at least a portion of the pillar or antenna region being surrounded by the LC region; and a reflective layer below the pillar or antenna region. Provided are also methods of fabrication of a metasurface. The metasurface structure of the disclosure can enhance theperformance and stability of metasurface applications.

Description

ELECTRIC TUNABLE METASURFACE AND METHOD OF FABRICATION THEREOFBACKGROUND

[0001] Metasurfaces have garnered significant attention due to their ability to manipulate electromagnetic waves with subwavelength resolution. These ultra-thin, planar structures can control the phase, amplitude, and polarization of light, leading to a myriad of applications. Phase modulation and beam steering are particularly notable, enabling advancements in areas such as holography, optical communications, and Light Detection and Ranging (LiDAR) systems. By precisely controlling the phase of light across the surface, metasurfaces can direct beams to specific locations without the need for bulky mechanical components, thus miniaturizing and potentially revolutionizing optical devices. The widespread adoption of metasurfaces is contingent upon the ability to produce them on a large scale, which remains a challenge. Current fabrication techniques, while precise, are often slow and costly, limiting the practicality for mass production of metasurfaces.SUMMARY

[0002] There is a pressing need to develop methods that can reliably manufacture metasurfaces at a scale and cost that are feasible for commercial and industrial applications. To address the burgeoning demand for advanced optical components, there is a pressing need to establish a massive production method for metasurfaces. The integration of metasurface fabrication with the established CMOS production process presents a promising avenue. This synergy could leverage the precision and scalability of CMOS technology to produce metasurfaces on a large scale, thereby reducing costs and enhancing the accessibility of these sophisticated elements. The ability to mass-produce metasurfaces would not only make them more accessible but also accelerate the development of new technologies that leverage their unique properties.

[0003] In some aspects, provided herein is a metasurface. The metasurface can comprise: (a) a liquid crystal (LC) region comprising a LC structure; (b) a pillar or antenna region, at least a portion of the pillar or antenna region being surrounded by the LC region; and (c) a reflective layer below the pillar or antenna region.

[0004] In some embodiments, one or more properties of the metasurface can be tunable via application of an energy. In some instances, the one or more properties of the metasurface can be configured to be tuned via altering one or more properties of the LC region. In some instances, the energy can comprise electrical energy, magnetic energy, electromagnetic energy, or any combination thereof. In some embodiments, the metasurface can comprise or be an active metasurface. In some instances, the LC structure can comprise a first orientation and a second  orientation. In some instances, the metasurface can be connected to at least two electrodes configured to apply a voltage to the metasurface, and the voltage can be configured to change the orientation from the first orientation to the second orientation. In some instances, the first orientation can correspond to a first refractive index of the LC region, and the second orientation can correspond to a second refractive index of the LC region.

[0005] In some embodiments, the metasurface can be configured for: (a) receiving an input wave; (b) reflecting an output wave; and (c) altering at least a property of the output wave. In some instances, the output wave can be reflected by the reflective layer. In some instances, the input wave can comprise an input light. In some instances, the input light can be irradiated on the metasurface at a first angle, the output wave can comprise an output light, and the output light can be reflected from the metasurface at a second angle different from the first angle. In some instances, the first angle can be an in-plane oblique angle. In some instances, the first angle can be an out-of-plane oblique angle. In some instances, a signal-to-noise ratio of the output wave can be not substantially compromised as compared to the input wave. In some instances, the input wave can be steered into the output wave.

[0006] In some embodiments, the reflective layer can comprise a pattern. In some instances, the pattern can be an etched pattern. In some embodiments, the reflective layer can comprise aluminum (Al) . In some embodiments, the pillar or antenna region can comprise a copper (Cu) -doped aluminum (Al) region. In some embodiments, the metasurface can further comprise a silicon wafer, an oxide layer, one or more adhesion layers, an electron diffusion barrier layer, a dielectric layer, a protection layer, one or more anchoring layers, an electrode region, an anti-reflection layer, a substrate, and any combination thereof.

[0007] In some embodiments, the metasurface can further comprise a silicon wafer below the reflective layer. In some instances, the metasurface can further comprise an oxide layer on the silicon wafer. The oxide layer can comprises silicon dioxide (SiO2) . In some instances, the metasurface can further comprises a first adhesion layer on the oxide layer. The first adhesion layer can comprise titanium (Ti) . In some instances, the metasurface can further comprise an electron diffusion barrier layer on the first adhesion layer. In some instances, the reflective layer can be on the electron diffusion barrier layer. In some instances, the electron diffusion barrier layer can comprise titanium nitride (TiN) . In some instances, the metasurface can further comprise a second adhesion layer on the reflective layer. The second adhesion layer can comprise silicon oxynitride (SiON) . In some instances, the metasurface can further comprise a dielectric layer on the second adhesion layer. The dielectric layer can comprise silicon dioxide (SiO2) . In some instances, the metasurface can further comprises a third adhesion layer on the dielectric layer. The third adhesion layer can comprise silicon oxynitride (SiON) . In some  instances, the metasurface can further comprise a fourth adhesion layer on the third adhesion layer. The fourth adhesion layer can comprise titanium (Ti) . The pillar or antenna region can be on the fourth adhesion layer. In some instances, the metasurface can further comprise a fifth adhesion layer on the pillar or antenna region. The fifth adhesion layer can comprise silicon oxynitride (SiON) . In some instances, the metasurface can further comprise a protection layer on the fifth adhesion layer. The protection layer can comprise silicon nitride (SiN) . In some instances, the metasurface can further comprise a first anchoring layer on the protection layer. The first anchoring layer can comprise azo compound. Azo compounds are organic compounds bearing the functional group diazenyl -N=N-as linking unit and can act as a bridge attaching at least two moieties. The properties of an azo compound depend on the moieties on both sides of the azo bridge. The LC region can be on the first anchoring layer. In some instances, the metasurface can further comprise a second anchoring layer on the LC region. The second anchoring layer can comprise polyimide (PI) . In some instances, the metasurface can further comprise an electrode region on the second anchoring layer. In some instances, the electrode region can comprise indium tin oxide (ITO) . In some instances, the metasurface can further comprise an anti-reflection layer on the electrode region. The anti-reflection layer can comprise tantalum oxide (TaO) . In some instances, the metasurface can further comprise a substrate on the anti-reflection layer. The substrate can comprise glass, silica, quartz, sapphire, or any combination thereof. In some instances, the one or more adhesion layers can comprise titanium (Ti) , silicon oxynitride (SiON) , or any combination thereof. In some instances, the one or more anchoring layers can comprise azo compound, polyimide (PI) , or any combination thereof. In some instances, the one or more anchoring layers can be configured to align the LC structure. In some instances, the one or more adhesion layers can be configured to enhance the adhesion with an adjacent region. In some instances, the one or more adhesion layers can be configured to provide a high transparency of the metasurface. In some instances, the electron diffusion barrier layer can be configured to eliminate the electron diffusion into the dielectric layer. In some instances, the reflective layer can be configured to eliminate the internal stress of the metasurface.

[0008] In some aspects, provided herein is a method of fabricating a metasurface. The method can comprise forming a reflective layer over a silicon wafer; forming a pillar or antenna region over the reflective layer; and filling the pillar or antenna region with a liquid crystal (LC) region, wherein the LC region comprises a LC structure.

[0009] In some embodiments, the metasurface can be the metasurface of any aspect as described hereinabove. In some embodiments, the method can further comprise etching a pattern on the reflective layer. In some embodiments, the method can further comprise, before forming the  reflective layer, fabricating an oxide layer on the silicon wafer. The oxide layer can comprise silicon dioxide (SiO2) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the oxide layer, fabricating a first adhesion layer on the oxide layer. The first adhesion layer can comprise titanium (Ti) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the first adhesion layer, fabricating an electron diffusion barrier layer on the first adhesion layer. The electron diffusion barrier layer can comprise titanium nitride (TiN) . In some instances, forming the reflective layer can comprise depositing and etching a reflective layer on the electron diffusion barrier layer according to a pattern via photolithography. The reflective layer can enhance the metasurface performance by providing high reflectance. In some embodiments, the method can further comprise, after depositing and etching the reflective layer, fabricating a second adhesion layer on the reflective layer. The second adhesion layer can comprise silicon oxynitride (SiON) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the second adhesion layer, fabricating a dielectric layer on the second adhesion layer. The dielectric layer can enhance light propagation. The dielectric layer can comprise silicon dioxide (SiO2) .

[0010] In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the dielectric layer, fabricating a third adhesion layer on the dielectric layer. The  third adhesion layer can improve the metasurface performance by providing high transparency of light path to the metasurface. In some instances, the third adhesion layer can comprise silicon oxynitride (SiON) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the third adhesion layer, fabricating a fourth adhesion layer on the third adhesion layer. The fourth adhesion layer can comprise titanium (Ti) . In some embodiments, forming the pillar or antenna region can comprise fabricating the pillar or antenna region on the fourth adhesion layer. In some instances, the pillar or antenna region can comprise a copper (Cu) -doped aluminum (Al) region. In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the pillar or antenna region, fabricating a fifth adhesion layer on the pillar or antenna region. The fifth adhesion layer can improve the metasurface performance by providing high transparency of light path to the metasurface. The fifth adhesion layer can comprise silicon oxynitride (SiON) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the fifth adhesion layer, etching the fifth adhesion layer, the pillar or antenna region, the fourth adhesion layer, and the third adhesion layer sequentially according to a pattern via photolithography, thereby generating a fifth adhesion layer, the pillar or antenna region, a fourth adhesion layer, and a third adhesion layer with a fabricated pattern. In some embodiments, the method can further comprise, after etching the fifth adhesion layer, the pillar or antenna region, the fourth adhesion layer, and the third adhesion layer sequentially, depositing and etching a protection layer on the fifth adhesion layer and the dielectric layer according to a pattern via photolithography, thereby generating a  fifth adhesion layer with a fabricated pattern on the fifth adhesion layer and the dielectric layer. The protection layer can comprise silicon nitride (SiN) .

[0011] In some embodiments, the method can further comprise, after depositing and etching the protection layer, depositing and etching a first anchoring layer on the protection layer according to a pattern via photolithography, thereby generating a first anchoring layer with a fabricated pattern on the protection layer. In some instances, the first anchoring layer can comprise azo compound. In some instances, forming the LC region can comprise depositing the LC region on and into the void spaces in the fabricated pattern, thereby generating a filled fabricated pattern; and wherein the LC layer alters the reflective index of the metasurface. In some embodiments, the method can further comprise, after depositing the LC region, fabricating a second anchoring layer on the LC region. In some instances, the second anchoring layer can be a photo-alignment layer or a rubbing layer. In some instances, the second anchoring layer can comprise azo compound  or polyimide (PI) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the second anchoring layer, fabricating an electrode region on the second anchoring layer. The electrode region can comprise indium tin oxide (ITO) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the electrode region, fabricating an anti-reflection layer on the electrode region. The anti-reflection layer can comprise tantalum oxide (TaO) . In some embodiments, the method can further comprise, after fabricating the anti-reflection layer, bonding a substrate onto the anti-reflection layer. The substrate can comprise glass, silica, quartz, sapphire, or any combination thereof.

[0012] Additional aspects and advantages of the present disclosure will become readily apparent to those skilled in this art from the following detailed description, wherein only illustrative embodiments of the present disclosure are shown and described. As will be realized, the present disclosure is capable of other and different embodiments, and its several details are capable of modifications in various obvious respects, all without departing from the disclosure. Accordingly, the drawings and description are to be regarded as illustrative in nature, and not as restrictive.

[0013] INCORPORATION BY REFERENCE

[0014] All publications, patents, and patent applications mentioned in this specification are herein incorporated by reference to the same extent as if each individual publication, patent, or patent application was specifically and individually indicated to be incorporated by reference.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0015] The novel features of the invention are set forth with particularity in the appended claims. A better understanding of the features and advantages of the present invention will be  obtained by reference to the following detailed description that sets forth illustrative embodiments, in which the principles of the invention are utilized, and the accompanying drawings of which:

[0016] FIG. 1 schematically illustrates an exemplary metasurface configuration according to an embodiment of the present disclosure;

[0017] FIG. 2 schematically illustrates an exemplary 3D scheme of metasurface structure according to an embodiment of the present disclosure;

[0018] FIGs. 3A-3H schematically illustrate an exemplary method of fabrication of a metasurface according to an embodiment of the present disclosure;

[0019] FIG. 4 illustrates an exemplary application of steering voltage according to an embodiment of the disclosure; and

[0020] FIGs. 5A and 5B schematically illustrate a beam steering performance of a metasurface structure according to an embodiment of the disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0021] While various embodiments of the present invention have been shown and described herein, it will be obvious to those skilled in the art that such embodiments are provided by way of example only. Numerous variations, changes, and substitutions can occur to those skilled in the art without departing from the invention. It should be understood that various alternatives to the embodiments of the invention described herein can be employed.

[0022] As used in the specification and claims, the singular form “a, ” “an, ” and “the” include plural references unless the context clearly dictates otherwise. For example, the term “a layer” includes a plurality of layers.

[0023] The advancement of metasurface structures has opened up a plethora of applications due to their ability to manipulate electromagnetic waves with precision. The design and fabrication of metasurfaces with complex and varying shapes are crucial for technologies ranging from high-resolution imaging to advanced LiDAR system. Recent developments have shown promising strides in overcoming the challenges of mass production of these intricate structures. In the present disclosure, semiconductor fabrication techniques, such as lithography and etching, can be used to create silicon-based metasurfaces suitable for large-scale production. This method allows for the efficient patterning of nano-pillar arrays, which are essential for controlling the wavefront of light beams. By integrating the semiconductor fabrication techniques, it's possible to fabricate metasurfaces having complicated pillar structures rapidly, significantly reducing the time and cost compared to traditional methods.

[0024] The present invention relates to a metasurface structure comprising a multilayer configuration that is designed to enhance the performance and stability of metasurface applications. FIG. 1 schematically illustrates an exemplary metasurface configuration according to an embodiment of the present disclosure. The metasurface of the present disclosure can comprise or be an active metasurface in which one or more properties of the metasurface are tunable via application of an energy. In some embodiments, the energy can comprise an electrical energy, a magnetic energy, an electromagnetic energy, or any combination thereof. In some embodiments, the one or more properties of the metasurface can be tuned through altering one or more properties of embedded liquid crystal regions. This tuning can be achieved by altering parameters such as the orientation, permittivity, and birefringence of the liquid crystals, which in turn affects the metasurface's interaction with electromagnetic waves. For instance, by applying an external voltage, the orientation of the liquid crystal molecules can be reconfigured, leading to a change in the metasurface's refractive index profile, reflective index profile and its resonant behavior. This allows for the control of various properties including phase, amplitude, and polarization of the transmitted or reflected electromagnetic wave.

[0025] The construction of the metasurface of the disclosure can comprise a stack of layers, each with a specific function to optimize the metasurface 's performance. Some of the layers can be optional. In the embodiment shown in FIG. 1, the metasurface 100 can comprise a liquid crystal (LC) region 101 comprising a LC structure, a pillar or antenna structure 102, and a reflective layer 103. At least a portion of the pillar or antenna structure 102 can be surrounded by the LC region 101. The reflective layer 103 can be positioned below the LC region 101 and the pillar or antenna structure 102. The LC region 101 can comprise a first orientation and a second orientation. A transition from the first orientation to the second orientation can be achieved by application of an energy, as discussed hereinabove. In some instances, the energy can comprise an electrical energy such as a voltage. In an exemplary embodiment, the metasurface can be connected to at least two electrodes configured to apply a voltage to the metasurface. The voltage can be configured to change the orientation of the LC region 101 from the first orientation to the second orientation. In some instance, the first orientation can correspond to a first refractive index of the LC region 101, and the second orientation can correspond to a second refractive index of the LC region 101.

[0026] In some embodiments, the metasurface structure can further comprise silicon substrate 107, providing a robust base for subsequent layers. The substrate 107 can be a transparent or reflective substrate. The substrate can comprise glass, silica, silicon, quartz, sapphire, or any combination thereof. Optionally, the metasurface structure can further comprise an oxide layer 105 atop the substrate to improve adhesion properties. The oxide layer 105 can comprise SiO2.  Alternatively, the metasurface structure can further comprise a SiN layer atop the substrate to improve adhesion properties. Optionally, a first adhesion layer 104 can be provided on the oxide layer 105. In some instance, first adhesion layer 104 can comprise titanium (Ti) , a silicon oxynitride (SiON) , or any combination thereof. Optionally, a barrier layer 106 can be provided on the first adhesion layer 104 as a means to prevent electron diffusion into other layers, thereby preserving the integrity of the structure's electrical properties. In some instance, the barrier layer 106 can comprise titanium nitride (TiN) . The reflective layer 103 can be positioned on the barrier layer 106. The reflective layer 103 can offer a high reflectance for the metasurface's operational efficiency. The reflective layer 103 can be configured to eliminate the internal stress of the metasurface. The reflective layer 103 can be patterned in a large size to mitigate wafer bending caused by internal strain. In some instances, the pattern of the reflective layer 103 can be an etched pattern. In some instances, the reflective layer 103 can comprise aluminum (Al) . In some embodiments, an optional dielectric layer 112 can be provided on the reflective layer 103 to create a separation between the reflective layer and the metasurface (e.g., the LC region 101 and antenna 102) , allowing for an effective light propagation. In some instance, the dielectric layer 112 can comprise a SiO2 layer. To further enhance an adhesion between the reflective layer 103 and the dielectric layer 112, a second adhesion layer 108 can be optionally provided between the reflective layer 103 and the dielectric layer 112. In some instances, the second adhesion layer 108 can comprise a titanium (Ti) , a silicon oxynitride (SiON) , or any combination thereof. The second adhesion layer 108 can maintain a transparency of the light path, which is vital for the metasurface's performance.

[0027] In some embodiments, pillar structure 102 can be provided on the dielectric layer 112. The pillars can function as antennas of the metasurface of the disclosure. The pillar or antenna 102 can have a high depth-to-width ratio. In some instances, the pillar or antenna 102 can comprise a copper-doped aluminum (Cu-doped Al) . This material choice can be strategic. Copper-doped aluminum is more conducive to the high depth-to-width ratio etching process, ensuring the manufacturing yield. Moreover, the hardness of copper-doped aluminum surpasses that of pure aluminum, which contributes to the antenna's stability throughout subsequent processing steps. Optionally, a third adhesion layer 109 can be provided on the dielectric layer 112. The third adhesion layer 109 can reinforce a bond between the dielectric layer 112 and the pillar structure 102 while ensuring the transparency of the light path. In some instance, the third adhesion layer 109 can comprise a titanium (Ti) , a silicon oxynitride (SiON) , or any combination thereof. Further optionally, an additional fourth adhesion layer 110 can be provided between the third adhesion layer 109 and the pillar structure 102, augmenting the third adhesion layer 109 to bolster the adhesion of the metasurface antenna 102. Given the antenna's high  depth-to-width ratio structure, this strong adhesion can be essential for stabilizing the structure. In some instances, the fourth adhesion layer 110 can comprise a titanium (Ti) , a silicon oxynitride (SiON) , or any combination thereof.

[0028] In some embodiments, a protection layer 114 can be provided to cover the antenna 102 and underlying structure / layers. The protection layer 114 can cover both a top side and lateral sides of the antenna 102 as well as a top side of the dielectric layer 114 where the antenna 102 is not provided. The protection layer 114 can safeguard the underlying components and layers. In some instances, the protection layer 114 can comprise a Silicon Nitride (SiN) material. A fifth adhesion layer 111 can be optionally provided between the antenna 102 and the protection layer 114. In some instances, the fifth adhesion layer 111 can comprise a Silicon Oxynitride (SiON) . The fifth adhesion layer 111 can maintain a structural integrity between the antenna 102 and the protection layer 114. The fifth adhesion layer 111 can also ensure that the high transparency required for an effective light path is preserved.

[0029] The liquid crystal (LC) region 101 can be provided to fill the gap between neighboring pillars / antennas 102 and to extend over the upper sides of the pillars / antennas 102, such that at least a portion of the pillar or antenna structure 102 is encapsulated by the LC region 101. Put is another way, the upper side and at least a portion of a height of the pillar or antenna structure 102 are enveloped within the LC region 101, as illustrated in FIG. 1. The LC region 101 is instrumental in modulating the refractive properties of the metasurface. By altering the refractive index in response to external stimuli (e.g., voltage applied at the antennas 102) , the LC region 101 can change an amplitude and / or phase of the reflected electromagnetic waves (e.g., light) , enabling dynamic control over the metasurface's behavior. In some embodiments, a first anchoring layer 113 can be optionally provided between the pillar or antenna structure 102 and the LC region 101. As illustrate in FIG. 1, the first anchoring layer 113 can be provided to cover the entire upper surface of the protection layer 114. In some instances, the first anchoring layer 113 can comprise azo compound, polyimide (PI) , or any combination thereof. For example, the AZO-compound can be used for photo-alignment. For example, PI can be used for rubbing. The first anchoring layer 113 can function as a photo-alignment layer to align the surface liquid crystal orientation into a desired direction precisely. With its nanometer-scale thickness, the first anchoring layer 113 can minimize any adverse effects on the steering capabilities of the metasurface. Optionally, a second anchoring layer 115 can be provided atop the LC region 101. In some instance, the second anchoring layer 115 can comprise azo compound, polyimide (PI) , or any combination thereof.

[0030] In some embodiments, a top electrode 116 can be provided on the LC region 101. In examples including the second anchoring layer 115, the top electrode 116 can be provided on the  second anchoring layer 115. The top electrode 116 can be a transparent conductor that facilitates an application of an electric field across the LC region 101. In some instances, the top electrode 116 can comprise Indium Tin Oxide (ITO) . Optionally, an anti-reflection layer 117 can be provided on the top electrode 116 to minimize any potential reflective losses, thereby enhancing the overall efficiency of the metasurface. In some instances, the anti-reflection layer 117 can comprise Tantalum Oxide (TaO) , SiO, SiN, TiO, HfO, AlO, or any combination thereof. Optionally, a protective barrier 118, for example a cover glass, can be provided on the anti-reflection layer 117, preserving the integrity of the metasurface while allowing light to pass through with minimal interference.

[0031] The metasurface structure as described with reference to FIG. 1 can be a “cell” metasurface structure. By integrating multiple such unit structures, these metasurfaces can function cohesively as an integrated component to achieve desired effects such as phase modulation and beam steering.

[0032] FIG. 2 schematically illustrates an exemplary 3D scheme of metasurface structure according to an embodiment of the present disclosure. A plurality “cell” metasurface structures as described with reference to FIG. 1, each of which having a pair of antennas, can be layered over a common reflective layer. The plurality of “cell” metasurface structures sharing the same reflective layer can collectively function as an integrated component 201. This integration allows for sophisticated control over the incident electromagnetic waves, enabling functionalities such as phase modulation and beam steering. In the example of FIG. 2, the reflective layer between adjacent “cell” metasurface structures can be separated (e.g., discontinuous) to eliminate internal stress.

[0033] A plurality of such integrated components can be arranged on a single substrate, as shown in FIG. 2, for complex patterns of wave manipulation. The adjacent integrated components 201 and 202 can be configurated to modulate incident electromagnetic wave (e.g., light) in either uniform or distinct patterns, thus offering a versatile platform for applications ranging from advanced optics to advanced LiDAR system. In the example in FIG. 2, a uniform alteration of incident light can be achieved. The ability to expand the device on the same substrate can enhance the functionality and versatility of the device. This configuration permits the modulation of incident electromagnetic waves across different sections of the metasurface, allowing for complex control of the phase, amplitude, and polarization of electromagnetic waves at such a fine scale that makes metasurfaces a powerful tool in various field.

[0034] FIGs. 3A-3H schematically illustrate an exemplary method of fabrication of a metasurface according to an embodiment of the present disclosure. The fabrication of a metasurface is a multi-step process that begins with a substrate 107, which serves as the  foundational base, as illustrated in FIG. 3A. The substrate can comprise glass, silica, silicon, quartz, sapphire, or any combination thereof. A reflective layer 103 can be deposited on the substrate 107. In some embodiments, an oxide layer 105, a first adhesion layer 104 and a barrier layer 106 can be optionally provided on the substrate 107 but below the reflective layer 103. The oxide layer 105 can provide insulation and surface preparation for subsequent layers. The first adhesion layer 104 can ensure that the barrier layer 106 adheres properly. The barrier layer 106 can prevent diffusion between layers, maintaining the integrity of the structure. The reflection layer 103 can be patterned into a predetermined shape (e.g., a square) to cover the entire active area of the metasurface, ensuring uniform functionality across its surface.

[0035] As illustrated in FIG. 3B, subsequent steps can involve the deposition of a pillar or antenna layer 102 on the reflective layer 103. In some embodiments, multiple adhesion layers can be optionally provided on the reflective layer 103 but below the pillar or antenna layer 102. Each of the multiple adhesion layers can serve a specific purpose in the adherence and function of the layers that follow. Between these adhesion layers, a dielectric layer can be introduced to manage the electromagnetic properties of the metasurface. In some embodiments, the method of fabrication can further comprise depositing a second adhesion layer 108 on the reflective layer 103, depositing a dielectric layer 112 on the second adhesion layer 108, depositing a third adhesion layer 109 on the dielectric layer 112, and depositing a fourth adhesion layer 110 on the third adhesion layer 109. In some embodiments, the method of fabrication can further comprise depositing a fifth adhesion layer 111 on the pillar or antenna layer 102. In some embodiments, the pillar or antenna layer 10 can comprise copper (Cu) doped aluminum (Al) .

[0036] Next, as illustrated in FIG. 3C, the method of fabrication can comprise patterning and etching the fifth adhesion layer 111. The patterning and etching can be implemented with a mask having the predetermined pattern / shape of the antennas. The etching process can be either wet or dry etching. In wet etching, chemicals are used to dissolve the unprotected areas of the fifth adhesion layer 111, while in dry etching, typically a plasma is used to remove the unprotected areas of the fifth adhesion layer 111.

[0037] A particularly critical layer is the pillar or antenna layer 102, which is used to form the antenna structures essential for the metasurface's operation. This layer can be carefully etched, using the patterned fifth adhesion layer as a mask, into antenna structures having predetermined pattern, shape and height, as illustrated in FIG. 3D. In some embodiments, an over-etching technique can be employed to remove parts of the underlying adhesion and dielectric layers, shaping the antenna structures precisely. In some embodiments, the fifth adhesion layer 111 and the pillar or antenna layer 102 can be etched in separate processing. For example, the fifth adhesion layer 111 can be first etched with a first mask, and the pillar or antenna layer 102 can  subsequently etched using the patterned fifth adhesion layer as a mask. In some embodiments, the fifth adhesion layer 111 and the pillar or antenna layer 102 can be etched in a single etching processing. For example, a same photolithography mask can be used for both the fifth adhesion layer 111 and the antenna layer 102, therefore, only one photolithography process is required to etch the fifth adhesion layer and antenna sequentially, using different etchant or method.

[0038] The method of fabrication continues with the deposition of a protection layer 114 on the antenna structures 102, which safeguards the delicate underlying structures, as illustrated in FIG. 3E. The protection layer 114 can cover both a top side and lateral sides of the antenna 102 as well as a top side of the dielectric layer 114 where the antenna 102 is not provided. This is followed by the deposition of a first photo-alignment anchoring layer 113. As illustrate in FIG. 3F, the first anchoring layer 113 can be provided to cover the entire upper surface of the protection layer 114. The first anchoring layer 113, through a photo-alignment process, can reinforce this alignment, ensuring the liquid crystals that are subsequently filled into the structure maintain the intended direction, as illustrated in FIG. 3G.

[0039] Subsequently, the method of fabrication can comprise sealing the “cell” metasurface structure, as illustrated in FIG. 3H. In some embodiment, a second anchoring layer 115 can be optionally deposited on the LC region 101. The second anchoring layer 115, through a rubbing process, can further reinforce the alignment of the surface liquid crystal orientation into a desired direction, ensuring the liquid crystals maintain the intended direction. The “cell” metasurface structure can be sealed by depositing a top electrode 116 on the second anchoring layer 115. Optionally, an anti-reflection layer 117 can be provided on the top electrode 116 to minimize any potential reflective losses, thereby enhancing the overall efficiency of the metasurface. Optionally, a protective barrier 118, for example a cover glass, can be provided on the anti-reflection layer 117, preserving the integrity of the metasurface while allowing light to pass through.

[0040] FIG. 4 illustrates an exemplary phase modulation of the metasurface device according to an embodiment of the disclosure. The metasurface device of the disclosure can be used in various fields. Among others, the metasurface device of the disclosure can be capable of phase modulation and beam steering. In the application of phase modulation, the top electrode 116 of the metasurface device can be set to a constant voltage, and a voltage pattern can be applied onto adjacent electrodes 102 to alter the orientation of the liquid crystal between the adjacent electrodes. This three-point electric input can fine-tune the metasurface's performance, allowing for precise manipulation of the liquid crystal molecules. The alteration in the orientation of the liquid crystal between the adjacent electrodes can be facilitated while maintaining the liquid crystal orientation between the antenna and the anchoring layer (for example, the second  anchoring layer 115 which functions as a photo-alignment layer) , due to the constant voltage at the top electrode 116. The innovative design allows for precise control over the phase modulation process.

[0041] FIGs. 5A and 5B schematically illustrate a beam steering performance of a metasurface structure according to an embodiment of the disclosure. In some embodiments, the metasurface device of the disclosure can be operated by irradiating incident light at an in-plane oblique angle, as illustrated in FIG. 5A. The metasurface can be engineered to modify the reflective angle in-plane by applying a varied phase map. This results in a significant suppression of the side lobe, in the meantime, the range of angle alteration is limited by the angle of incidence. In some embodiments, the metasurface device of the disclosure can be operated by irradiating incident light at an out-of-plane oblique angle, as illustrated in FIG. 5B. The metasurface can adjust the reflective angle in-plane across a wide spectrum, ranging from -90 to 90 degrees. This feature is particularly advantageous as it maintains a high signal-to-noise ratio, thereby enhancing the device's performance in beam steering applications. The steering function follows the grating function: p*n [sin (i) +sin (r) ] = m *λ, where p is the equivalent grating period, n is the refractive index, i is the incident angle, r is the reflective angle, m is the order, and λ is incident wavelength. The in-plane steering can offers a large incident angle, so only limited number of order m is allowed. Therefore, the side lobe is suppressed, leading to high signal-to-noise ratio. However, the large in-plane incident angle can limit the reflective angle range with a determined λ / p. On the other hand, the out-of-plane steering can make the in-plane incident angle equal to zero (i = 0) . Therefore, a large steering angle can be achieved as the period can be decreased to a subwavelength range (λ  / p > 1, sin (r) can reach 1) . However, this may result in much more orders (m) as compared to the in-plane steering, leading to a relatively low SNR.

[0042] While preferred embodiments of the present invention have been shown and described herein, it will be obvious to those skilled in the art that such embodiments are provided by way of example only. Numerous variations, changes, and substitutions will now occur to those skilled in the art without departing from the invention. It should be understood that various alternatives to the embodiments of the invention described herein can be employed in practicing the invention. It is intended that the following claims define the scope of the invention and that methods and structures within the scope of these claims and their equivalents be covered thereby.

Claims

1.A metasurface comprising:a. a liquid crystal (LC) region comprising a LC structure;b. a pillar or antenna region, at least a portion of the pillar or antenna region being surrounded by the LC region; andc. a reflective layer below the pillar or antenna region.2.The metasurface of claim 1, wherein one or more properties of the metasurface are tunable via application of an energy.3.The metasurface of claim 2, wherein the one or more properties of the metasurface are configured to be tuned via altering one or more properties of the LC region.4.The metasurface of claim 2, wherein the energy comprises electrical energy, magnetic energy, electromagnetic energy, or any combination thereof.5.The metasurface of any one of claims 1 to 4, wherein the metasurface comprises or is an active metasurface.6.The metasurface of any one of claims 1 to 5, wherein the LC structure comprises a first orientation and a second orientation.7.The metasurface of claim 6, wherein the metasurface is connected to at least two electrodes configured to apply a voltage to the metasurface, wherein the voltage is configured to change the orientation from the first orientation to the second orientation.8.The metasurface of claim 7, wherein the first orientation corresponds to a first refractive index of the LC region and the second orientation corresponds to a second refractive index of the LC region.9.The metasurface of any one of claims 1 to 8, wherein the metasurface is configured for:a. receiving an input wave;b. reflecting an output wave; andc. altering at least a property of the output wave.10.The metasurface of claim 9, wherein the output wave is reflected by the reflective layer.11.The metasurface of claim 9, wherein the input wave comprises an input light.12.The metasurface of claim 11, wherein the input light is irradiated on the metasurface at a first angle, the output wave comprises an output light, and the output light is reflected from the metasurface at a second angle different from the first angle.13.The metasurface of claim 12, wherein the first angle is an in-plane oblique angle.14.The metasurface of claim 12, wherein the first angle is an out-of-plane oblique angle.15.The metasurface of any one of claims 9 to 14, wherein a signal-to-noise ratio of the output wave is not substantially compromised as compared to the input wave.16.The metasurface of any one of claims 9 to 15, wherein the input wave is steered into the output wave.17.The metasurface of any one of claims 1 to 16, wherein the reflective layer comprises a pattern.18.The metasurface of claim 17, wherein the pattern is an etched pattern.19.The metasurface of any one of claims 1 to 18, wherein the reflective layer comprises aluminum (Al) .20.The metasurface of any one of claims 1 to 19, wherein the pillar or antenna region comprises a copper (Cu) -doped aluminum (Al) region.21.The metasurface of any one of claims 1 to 20, wherein the metasurface further comprises a silicon wafer, an oxide layer, one or more adhesion layers, an electron diffusion barrier layer, a dielectric layer, a protection layer, one or more anchoring layers, an electrode region, an anti-reflection layer, a substrate, and any combination thereof.22.The metasurface of any one of claims 1 to 20, further comprising a silicon wafer below the reflective layer.23.The metasurface of claim 22, further comprising an oxide layer on the silicon wafer.24.The metasurface of claim 21 or 23, wherein the oxide layer comprises silicon dioxide (SiO2) .25.The metasurface of claim 23, further comprising a first adhesion layer on the oxide layer.26.The metasurface of claim 25, wherein the first adhesion layer comprises titanium (Ti) .27.The metasurface of claim 25, further comprising an electron diffusion barrier layer on the first adhesion layer.28.The metasurface of any one of claims 21 to 27, wherein the reflective layer is on the electron diffusion barrier layer.29.The metasurface of claim 21 or 27, wherein the electron diffusion barrier layer comprises titanium nitride (TiN) .30.The metasurface of claim 28, further comprising a second adhesion layer on the reflective layer.31.The metasurface of claim 30, wherein the second adhesion layer comprises silicon oxynitride (SiON) .32.The metasurface of claim 30, further comprising a dielectric layer on the second adhesion layer.33.The metasurface of claim 21 or 32, wherein the dielectric layer comprises silicon dioxide (SiO2) .34.The metasurface of claim 32, further comprising a third adhesion layer on the dielectric layer.35.The metasurface of claim 34, wherein the third adhesion layer comprises silicon oxynitride (SiON) .36.The metasurface of claim 34, further comprising a fourth adhesion layer on the third adhesion layer.37.The metasurface of claim 36, wherein the fourth adhesion layer comprises titanium (Ti) .38.The metasurface of claim 21 or 36, wherein the pillar or antenna region is on the fourth adhesion layer.39.The metasurface of claim 38, further comprising a fifth adhesion layer on the pillar or antenna region.40.The metasurface of claim 39, wherein the fifth adhesion layer comprises silicon oxynitride (SiON) .41.The metasurface of claim 39, further comprising a protection layer on the fifth adhesion layer.42.The metasurface of claim 21 or 41, wherein the protection layer comprises silicon nitride (SiN) .43.The metasurface of claim 41, further comprising a first anchoring layer on the protection layer.44.The metasurface of claim 43, wherein the first anchoring layer comprises an azo compound.45.The metasurface of claim 43, wherein the LC region is on the first anchoring layer.46.The metasurface of claim 46, further comprising a second anchoring layer on the LC region.47.The metasurface of claim 46, wherein the second anchoring layer comprises polyimide (PI) .48.The metasurface of claim 46, further comprising an electrode region on the second anchoring layer.49.The metasurface of claims 21 or 48, wherein the electrode region comprises indium tin oxide (ITO) .50.The metasurface of claim 48, further comprising an anti-reflection layer on the electrode region.51.The metasurface of claims 21 or 50, wherein the anti-reflection layer comprises tantalum oxide (TaO) .52.The metasurface of claim 50, further comprising a substrate on the anti-reflection layer.53.The metasurface of claim 21 or 52, wherein the substrate comprises glass, silica, quartz, sapphire, or any combination thereof.54.The metasurface of claim 21, wherein the one or more adhesion layers comprise titanium (Ti) , silicon oxynitride (SiON) , or any combination thereof.55.The metasurface of claim 21, wherein the one or more anchoring layers comprise azo compound, polyimide (PI) , or any combination thereof.56.The metasurface of claim 21, wherein the one or more anchoring layers are configured to align the LC structure.57.The metasurface of claim 21, wherein the one or more adhesion layers are configured to enhance the adhesion with an adjacent region.58.The metasurface of claim 21, wherein the one or more adhesion layers are configured to provide a high transparency of the metasurface.59.The metasurface of claim 21 or 27, wherein the electron diffusion barrier layer is configured to eliminate the electron diffusion into the dielectric layer.60.The metasurface of any one of claims 1 to 59, wherein the reflective layer is configured to eliminate the internal stress of the metasurface.61.A method of fabricating a metasurface, the method comprising:forming a reflective layer over a silicon wafer;forming a pillar or antenna region over the reflective layer; andfilling the pillar or antenna region with a liquid crystal (LC) region, wherein the LC region comprises a LC structure.62.The method of claim 61, wherein the metasurface is the metasurface of any one of claims 1 to 60.63.The method of claim 61 or 62, further comprising etching a pattern on the reflective layer.64.The method of any one of claims 61 to 63, further comprising, before forming the reflective layer, fabricating an oxide layer on the silicon wafer.65.The method of claim 64, wherein the oxide layer comprises silicon dioxide (SiO2) .66.The method of claim 64, further comprising, after fabricating the oxide layer, fabricating a first adhesion layer on the oxide layer.67.The method of claim 66, wherein the first adhesion layer comprises titanium (Ti) .68.The method of claim 66, further comprising, after fabricating the first adhesion layer, fabricating an electron diffusion barrier layer on the first adhesion layer.69.The method of claim 68, wherein the electron diffusion barrier layer comprises titanium nitride (TiN) .70.The method of claim 69, wherein forming the reflective layer comprises depositing and etching a reflective layer on the electron diffusion barrier layer according to a pattern via photolithography, wherein the reflective layer enhances the metasurface performance by providing high reflectance.71.The method of claim 70, further comprising, after depositing and etching the reflective layer, fabricating a second adhesion layer on the reflective layer.72.The method of claim 71, wherein the second adhesion layer comprises silicon oxynitride (SiON) .73.The method of claim 71, further comprising, after fabricating the second adhesion layer, fabricating a dielectric layer on the second adhesion layer, wherein the dielectric layer enhances light propagation.74.The method of claim 73, wherein the dielectric layer comprises silicon dioxide (SiO2) .75.The method of claim 73, further comprising, after fabricating the dielectric layer, fabricating a third adhesion layer on the dielectric layer, wherein the third adhesion layer improves the metasurface performance by providing high transparency of light path to the metasurface.76.The method of claim 75, wherein the third adhesion layer comprises silicon oxynitride (SiON) .77.The method of claim 75, further comprising, after fabricating the third adhesion layer, fabricating a fourth adhesion layer on the third adhesion layer.78.The method of claim 77, wherein the fourth adhesion layer comprises titanium (Ti) .79.The method of claim 77, wherein forming the pillar or antenna region comprises fabricating the pillar or antenna region on the fourth adhesion layer.80.The method of any one of claims 61 to 79, wherein the pillar or antenna region comprises a copper (Cu) -doped aluminum (Al) region.81.The method of claim 79, further comprising, after fabricating the pillar or antenna region, fabricating a fifth adhesion layer on the pillar or antenna region, wherein the fifth adhesion layer improves the metasurface performance by providing high transparency of light path to the metasurface.82.The method of claim 81, wherein the fifth adhesion layer comprises silicon oxynitride (SiON) .83.The method of claim 81, further comprising, after fabricating the fifth adhesion layer, etching the fifth adhesion layer, the pillar or antenna region, the fourth adhesion layer, and the third adhesion layer sequentially according to a pattern via photolithography, thereby  generating a fifth adhesion layer, the pillar or antenna region, a fourth adhesion layer, and a third adhesion layer with a fabricated pattern.84.The method of claim 83, further comprising, after etching the fifth adhesion layer, the pillar or antenna region, the fourth adhesion layer, and the third adhesion layer sequentially, depositing and etching a protection layer on the fifth adhesion layer and the dielectric layer according to a pattern via photolithography, thereby generating a fifth adhesion layer with a fabricated pattern on the fifth adhesion layer and the dielectric layer.85.The method of claim 84, wherein the protection layer comprises silicon nitride (SiN) .86.The method of claim 84, further comprising, after depositing and etching the protection layer, depositing and etching a first anchoring layer on the protection layer according to a pattern via photolithography, thereby generating a first anchoring layer with a fabricated pattern on the protection layer.87.The method of claim 86, wherein the first anchoring layer comprises an azo compound.88.The method of claim 86, wherein forming the LC region comprises depositing the LC region on and into the void spaces in the fabricated pattern, thereby generating a filled fabricated pattern; and wherein the LC layer alters the reflective index of the metasurface.89.The method of claim 88, further comprising, after depositing the LC region, fabricating a second anchoring layer on the LC region.90.The method of claim 89, wherein the second anchoring layer is a photo-alignment layer or a rubbing layer.91.The method of claim 89, wherein the second anchoring layer comprises azo compound or polyimide (PI) .92.The method of claim 89, further comprising, after fabricating the second anchoring layer, fabricating an electrode region on the second anchoring layer.93.The method of claim 92, wherein the electrode region comprises indium tin oxide (ITO) .94.The method of claim 92, further comprising, after fabricating the electrode region, fabricating an anti-reflection layer on the electrode region.95.The method of claim 94, wherein the anti-reflection layer comprises tantalum oxide (TaO) .96.The method of claim 94, further comprising, after fabricating the anti-reflection layer, bonding a substrate onto the anti-reflection layer.97.The method of claim 96, wherein the substrate comprises glass, silica, quartz, sapphire, or any combination thereof.

Images