CN101303524A - 全禁带三维光子晶体压印成型方法及全禁带三维光子晶体结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳制造技术领域，介绍了一种全禁带三维光子晶体的压印成型制造方法及全禁带三维光子晶体结构。以高分子聚合物硅橡胶或聚甲基丙烯酸甲酯作为基体材料，采用纳米压印的方式在高分子聚合物基体材料中填入单分散胶体颗粒(聚苯乙烯、二氧化硅或二氧化钛)，使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料中形成面心立方结构。在压印模板凸起部分吸附单分散胶体颗粒，并以微接触式纳米压印工艺使单分散胶体颗粒在液态高分子聚合物基体材料上形成了具有面心立方111面的二维结构，其中单分散胶体颗粒即为面心立方111面上的基元，之后逐层叠加，最终形成具有面心立方结构的全禁带三维光子晶体。

Description

全禁带三维光子晶体压印成型方法及全禁带三维光子晶体结构

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种全禁带三维光子晶体的压印成型制造方法及全禁带三维光子晶体结构。

背景技术

光子晶体根据其介电常数在空间中的分布情况可分为：一维、二维和三维光子晶体。三维光子晶体的结构包括晶体的几何构形与介质的填充比例。常见的晶体几何构形包括面心立方、体心立方、密堆六方结构等。其中面心立方结构最有利于得到完全光子禁带。三维光子晶体的制造目前主要采取两种基本方式。一种是自上而下的加工方式，包括机械法和半导体加工法等。机械法指利用微加工相关技术如打孔等方式对材料进行机械加工，制得三维光子晶体。半导体加工法指在基材上制备介质层，再采用半导体加工技术获得所需的二维结构，并逐层叠加，即可得到三维光子晶体。另一种是自下而上的加工方式，即自组装法。自组装法是指利用包括氢键、范德华力等非共价作用，利用重力自然沉降的方法，使单分散胶体颗粒自发组织成光子晶体结构，这种方法是目前三维光子晶体加工所采取的主要方法。选取适合的单分散胶体颗粒和实验条件，即可通过自组装方法制得三维光子晶体结构。自上而下的加工方式，难以加工单元结构更小、适用于可见光及紫外光区域的光子晶体。自下而上的加工方式，加工过程可控性较差，制得的光子晶体内部缺陷较多。

随着光电子技术和微加工技术的发展，工业界对光子晶体材料的需求不断增加，同时对光子晶体加工技术的精确度要求也越来越高。同时希望制得能适用于可见光及紫外光区域、单元结构更小、内部缺陷更少的光子晶体。而上述的加工方式都存在着一些不足之处，不能完全满足目前对于光子晶体加工技术的要求。

近几年来出现的纳米压印工艺，其所需设备成本低，加工时间短，并且纳米压印复型的特征尺度最小可达6nm，具有很高的加工精度。纳米压印工艺采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米级结构图案加工在压印模板上，之后用预先图案化的压印模板使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。本发明采用微接触式纳米压印工艺加工全禁带三维光子晶体。

发明内容

针对现有光子晶体加工技术中的不足之处，结合目前两种主要加工方式的特点，本发明采用自下而上加工方式中使用单分散胶体颗粒的方法，使光子晶体的单元结构更小；采用自上而下加工方式过程中逐层叠加的方法，使光子晶体的缺陷更少。最终确定采取如下技术解决方案：

一种新型全禁带三维光子晶体结构设计及其制造方法，以高分子聚合物(硅橡胶或聚甲基丙烯酸甲酯)作为基体材料，采用纳米压印的方式在高分子聚合物基体材料中填入单分散胶体颗粒(聚苯乙烯、二氧化硅或二氧化钛)，使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料中形成面心立方结构。在压印模板凸起部分吸附单分散胶体颗粒，并以微接触式纳米压印工艺使单分散胶体颗粒在液态高分子聚合物基体材料上形成了具有面心立方111面的二维结构，其中单分散胶体颗粒即为面心立方111面上的基元，之后逐层叠加，最终形成具有面心立方结构的全禁带三维光子晶体。单分散胶体颗粒的粒径为纳米级，分散系数小于5％。每层高分子聚合物基体材料的厚度为微米级，共制备至少1层或者不少于2层的二维结构。

上述全禁带三维光子晶体的制作方法，包括下列步骤：

1.将所需的压印模板制成面心立方111面的结构。其中压印模板上的凸起部分即为面心立方111面上的基元位置，在压印模板上溅射沉积金属薄层(铜或铝)，之后用特氟龙层遮蔽压印模板凹陷部分的金属薄层；

2.对平面基材或者硅片进行必要的表面处理，用匀胶机在基材上均匀涂铺一层液态高分子聚合物基体材料，等待其自由流平；

3.将纳米级单分散胶体颗粒，用电晕荷电的方式使单分散胶体颗粒带有负电荷。

4.将压印模板表面的金属薄层外接高压电源，使压印模板凸起部分带有正电荷。压印模板凸起部分即可吸附带有负电荷的单分散胶体颗粒。改变外接高压电源的电压，可以调节压印模板凸起部分分布的正电荷的大小，使每一个凸起部分恰好能吸附一个单分散胶体颗粒；

5.使吸附单分散胶体颗粒的压印模板接触涂铺好的液态高分子聚合物材料。单分散胶体颗粒将在高分子聚合物基体材料上形成面心立方111面的二维结构，其中单分散胶体颗粒即为面心立方111面上的基元；

6.改变外接高压电源的电压方向，使压印模板凸起部分金属薄层上分布的正电荷变为负电荷，单分散胶体颗粒与压印模板间的吸附作用变为排斥作用，即可脱去压印模板。

7.待高分子聚合物基体材料固化后，在制得的第一层二维结构上如步骤1涂铺一层厚度为微米级的液态高分子聚合物基体材料，之后重复步骤4至步骤6制得多层二维结构。

8.重复上述步骤，叠加至少1层或者不少于2层的相同的二维结构，最后用液态高分子聚合物基体材料将制得的结构顶层涂铺成水平面，经过固化，即可获得具有面心立方111结构的全禁带三维光子晶体。

上述方法制得的全禁带三维光子晶体尺寸组合为：至少1层或者不少于2层的二维结构，每层中单分散胶体颗粒粒径dn为纳米级，分散系数Cv＜5％，二维平面内单分散胶体颗粒中心间距da为亚微米级，每层高分子聚合物基体材料的厚度h为微米级，三维光子晶体的厚度H为微米级。压印模板凸起部分的尺寸组合为：凸起部分宽度w为纳米级，凸起部分间隔v为纳米级。

本发明的全禁带三维光子晶体采用了面心立方结构，这种结构更容易形成完全光子禁带，设计并制得具有面心立方111面结构的压印模板，使压印模板凸起部分分布有正电荷，吸附带有负电荷的单分散胶体颗粒，将压印模板接触液态高分子聚合物基体材料，使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料上形成如面心立方111面的二维结构，重复多次纳米压印工艺并逐层叠加，使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料中形成包埋结构，得到所需的三维光子晶体。采用这种方法制造的全禁带三维光子晶体的内部缺陷更少，单元结构更小。

本发明采用微接触式纳米压印工艺使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料中形成全禁带三维光子晶体的方法具有独特的优点，可以精确控制单分散胶体颗粒作为面心立方基元的位置，消除了过去传统自组装方式制造光子晶体时不可避免会产生的大量内部缺陷。光子晶体能否产生所需要的光子禁带，很大程度上取决于制得的光子晶体的内部缺陷情况。其内部缺陷越少，越接近于理想的设计结构，就越容易产生完全光子禁带。并且由于本发明是使用逐层叠加的方式将二维结构制成三维光子晶体，因此加工过程具有高度的灵活性。采用具有不同结构的压印模板可以得到具有体心立方或密堆六方结构的光子晶体；改变压印模板的微观尺寸或选用不同粒径的单分散胶体颗粒可以改变光子晶体适用的光波波长范围；改变压印模板的宏观尺寸或选取不同的叠加层数可以改变光子晶体的宏观尺寸。

本发明的技术方案，可用于制作各种具有独特性能的光电子器件，如低能量损耗光子晶体光纤、有机太阳能电池阴极板、低阈值的激光器、宽带阻光滤波器、新型陀螺仪、高性能光子晶体全反射镜等器件。在光子晶体中引入预定的光子缺陷态，可用于制造具有高品质因数的微谐振腔、极窄带的选频滤波器、低损耗的光波导等器件。

附图说明

图1为按面心立方111面结构制备的压印模板的主视示意图；

图2为按面心立方111面结构制备的压印模板的仰视示意图；

图3为在平面基材6上匀胶制备第一层高分子聚合物基体材料示意图；

图4为经电晕荷电处理带有负电荷的单分散胶体颗粒示意图；

图5为在压印模板凸起部分吸附单分散胶体颗粒示意图；

图6为在高分子聚合物基体材料上制备面心立方111面的二维结构示意图；

图7为压印模板脱模过程示意图；

图8为制得的两层二维结构示意图；

图9为最终制得的全禁带三维光子晶体和光子晶体中的单个晶格示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细说明全禁带三维光子晶体的纳米压印制作方法。

这种全禁带三维光子晶体为将单分散胶体颗粒8，包埋在高分子聚合物基体材料7中，经固化后形成具有面心立方结构的三维光子晶体。

本发明的基本工作原理为：选取适合材料，如单分散胶体颗粒选用聚苯乙烯，高分子聚合物基体材料选用硅橡胶；或单分散胶体颗粒选用二氧化钛，高分子聚合物基体材料选用聚甲基丙烯酸甲酯。使单分散胶体颗粒和高分子聚合物基体材料间产生大于2的介电常数比。同时单分散胶体颗粒在三维空间中形成面心立方结构，这两点满足了光子晶体产生完全光子禁带的物理条件。这种全禁带三维光子晶体结构产生了完全光子禁带，使频率位于光子禁带内的光波无法在光子晶体内传播，产生无吸收100％全反射、无损耗波导等物理现象。其特点为：内部缺陷更少、单元结构更小、具有全方向完全光子禁带、光子晶体尺寸具有较高的灵活性、成本低廉。

全禁带三维光子晶体制作的主要工艺要素包括：具有面心立方结构的压印模板1制造、压印模板金属薄层3的溅射沉积、用热蒸镀工艺制备特氟龙遮蔽层4、压印模板凸起部分2分布电荷的控制、以电晕荷电方式使单分散胶体颗粒8带有负电荷、以微接触式纳米压印工艺使单分散胶体颗粒8在高分子聚合物基体材料7中形成包埋结构。其中，以压印模板1吸附单分散胶体颗粒8，采用微接触式纳米压印工艺在高分子聚合物基体材料7上形成具有面心立方111面5的二维结构是加工三维光子晶体的关键。参见附图4、5、6，此工艺可实现的三维微结构的尺寸组合为：单分散胶体颗粒粒径dn 13为纳米级，二维平面内单分散胶体颗粒中心间距da 14为亚微米级，每层高分子聚合物基体材料的厚度h 17为微米级。与常规的光子晶体加工方法相比，本发明可以实现内部缺陷更少、单元结构更小的三维光子晶体结构，且灵活性较高，可制备采用多种单元结构或材料的光子晶体。

本发明的全禁带三维光子晶体制作方法包括以下工艺的组合：制备压印模板1，之后溅射沉积金属薄层3，并用特氟龙层4遮蔽凹陷部分金属薄层的工艺(附图1)、高分子聚合物基体材料7涂铺工艺(附图2)、采用电晕荷电方式使单分散胶体颗粒8带负电荷9的工艺(附图3)、压印模板凸起部分2吸附单分散胶体颗粒8工艺(附图4)、在高分子聚合物基体材料7上制备二维结构的微接触式纳米压印工艺(附图5)、压印模板1的脱模工艺(附图6)。与传统光子晶体加工技术相比，本发明所采用的工艺组合结合了自上而下和自下而上加工方式的优点，可以精确控制加工过程，制得的光子晶体内部缺陷更少、单元结构更小，且在灵活性和成本等方面具有一定优势。

这种全禁带三维光子晶体制造的具体实施过程如下：

1.压印模板的制备。采用电子束光刻系统、刻蚀机制备压印模板。压印模板1按面心立方111面5的结构设计制造，其中每一个凸起部分即代表了面心立方的一个基元的位置。凸起部分宽度w15为纳米级，两凸起部分间隔v16为纳米级。用溅射沉积设备在压印模板1上溅射金属薄层3，该压印模板凹陷部分的金属薄层由金属铜或者铝构成。之后用微接触方式使压印模板凸起部分2上覆盖一层光刻胶，并用镀膜机在压印模板表面蒸镀特氟龙层4。最后洗去压印模板凸起部分的光刻胶和特氟龙层4，未被洗去的特氟龙层将遮蔽压印模板凹陷部分的金属薄层；

2.高分子聚合物基体材料的涂铺。用匀胶机将经过稀释的液态高分子聚合物基体材料7旋转涂铺在平板基材6或经过抛光的硅片表面，等待其自然流平；

3.单分散胶体颗粒带负电荷。外购单分散胶体颗粒8，单分散胶体颗粒8的粒径d_n 13为纳米级，分散系数Cv＜5％。用电晕放电设备处理单分散胶体颗粒8，使其表面分布有足量负电荷9；

4.压印模板吸附单分散胶体颗粒。采用高压电源(电压调节范围500V-500kV)，将压印模板1表面的金属薄层3外接高压电源，使压印模板凸起部分2上带有正电荷10。可调节高压电源电压的大小，使压印模板凸起部分2所带的正电荷10的大小恰好能满足在压印模板1的每一个凸起部分吸附一个带有负电荷9的单分散胶体颗粒8；

5.在高分子聚合物基体材料上压印二维结构。采用微接触式纳米压印工艺，将已吸附单分散胶体颗粒8的压印模板1接触液态高分子聚合物基体材料7后，单分散胶体颗粒8会在高分子聚合物基体材料7上形成面心立方111面5的二维结构。要求二维平面内单分散胶体颗粒8中心间距为da 14为亚微米级；

6.压印模板脱模。改变外接高压电源电压方向，使压印模板凸起部分2的正电荷10变为负电荷9，与带有负电荷9的单分散胶体颗粒8之间的吸附作用变为排斥作用，脱去压印模板1。

7.重复压印二维结构。脱去压印模板1，待有高分子聚合物基体材料7固化后，以步骤2所采用的工艺涂铺第二层高分子聚合物基体材料12，每层高分子聚合物基体材料的厚度h 17为微米级。之后重复步骤4至步骤6制备第二层二维结构，

8.重复步骤7，并叠加至少1层或者不少于2层的相同的二维结构。之后用高分子聚合物基体材料7将制得的结构顶层涂铺成水平面，待高分子聚合物基体材料完全固化后即制成所需的三维光子晶体。最终制得的全禁带三维光子晶体厚度H 18为微米级。

本发明的全禁带三维光子晶体采用了面心立方结构，这种结构更容易形成完全光子禁带，设计并制得具有面心立方111面结构的压印模板，使压印模板凸起部分分布有正电荷，吸附采用经电晕荷电方式处理、带有负电荷的单分散胶体颗粒，将压印模板接触液态高分子聚合物基体材料，使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料上形成如面心立方111面的二维结构，重复多次纳米压印工艺并叠加，使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料中形成包埋结构，得到所需的三维光子晶体。采用这种方法制造的全禁带三维光子晶体的内部缺陷更少，单元结构更小。

本发明采用微接触式纳米压印工艺使单分散胶体颗粒在高分子聚合物基体材料中形成全禁带三维光子晶体的方法具有独特的优点，可以精确控制单分散胶体颗粒作为面心立方基元的位置，消除了过去采用自组装方式制造光子晶体时不可避免会产生的大量内部缺陷。光子晶体能否产生所需要的光子禁带，很大程度上取决于制得的光子晶体的内部缺陷情况。其内部缺陷越少，越接近于理想的设计结构，就越容易产生完全光子禁带。并且由于本发明使用逐层叠加的方式将二维结构制成三维光子晶体，因此加工过程具有高度的灵活性。采用具有不同结构的压印模板可以得到具有体心立方或密堆六方结构的光子晶体；改变压印模板的微观尺寸并选用不同粒径的胶体颗粒可以改变光子晶体适用的光波波长范围；改变压印模板的宏观尺寸或选取不同的叠加层数可以改变光子晶体的宏观尺寸。

Claims (6)

1、一种全禁带三维光子晶体的纳米压印制作方法，包括下列步骤：

步骤一、制备压印模板(1)，使其凸起部分(2)符合面心立方111面(5)上的基元位置，在压印模板(1)上溅射沉积金属薄层(3)，并用特氟龙层(4)遮蔽压印模板凹陷部分的金属薄层(3)；

步骤二、首先在平面基材(6)表面上均匀涂铺一层液态高分子聚合物基体材料(7)，待其自由流平；

步骤三、采用电晕荷电方式处理单分散胶体颗粒(8)，使单分散胶体颗粒(8)表面分布有负电荷(9)；

步骤四、外接高压电源，压印模板凸起部分(2)即带正电荷(10)，使压印模板凸起部分(2)吸附带有负电荷(9)的单分散胶体颗粒(8)；

步骤五、采用微接触式纳米压印工艺，使已吸附单分散胶体颗粒(8)的压印模板(1)接触高分子聚合物基体材料(7)，单分散胶体颗粒(8)在高分子聚合物基体材料(7)上形成如面心立方111面(5)的二维结构；

步骤六、改变外接高压电源电压方向，使压印模板凸起部分(2)的正电荷(10)变为负电荷(9)，单分散胶体颗粒(8)与压印模板(1)间的吸附作用变为排斥作用，脱去压印模板(1)；

步骤七、按上述步骤叠加至少1层或多层相同的二维结构，并用高分子聚合物基体材料(7)将制得的结构顶层涂铺成水平面，之后待高分子聚合物基体材料完全固化后即得全禁带三维光子晶体。

2、根据权利要求1所述纳米压印制作方法，其特征在于：所述压印模板凹陷部分的金属薄层(3)由铜或者铝构成。

3、根据权利要求1所述纳米压印制作方法，其特征在于：所述均匀涂铺的液态高分子聚合物基体材料(7)是硅橡胶或者聚甲基丙烯酸甲酯。

4、根据权利要求1所述纳米压印制作方法，其特征在于：所述采用电晕荷电方式处理的单分散胶体颗粒(8)为聚苯乙烯、二氧化硅或者二氧化钛。

5、根据权利要求1所述纳米压印制作方法，其特征在于：所述压印模板吸附单分散胶体颗粒(8)时，采用的高压电源的调节范围为500V-500kV。

6.一种采用纳米压印制造方法加工的全禁带三维光子晶体结构，包括单分散胶体颗粒(8)和高分子聚合物基体材料(7、12)，其特征在于：

采用高分子聚合物基体材料(7、12)，令单分散胶体颗粒(8)作为晶格基元，最终制得单分散胶体颗粒(8)在高分子聚合物基体材料(7、12)中呈三维面心立方结构；

所述的全禁带三维光子晶体的微观尺寸组合为：单分散胶体颗粒(8)粒径dn(13)为纳米级，分散系数Cv＜5％，二维平面内单分散胶体颗粒(8)中心间距da(14)为亚微米级；

所述的全禁带三维光子晶体的宏观尺寸组合为：单分散胶体颗粒(8)共有至少1层，或者不少于2层，高分子聚合物基体材料(7、12)共有不少于2层，每层高分子聚合物基体材料(7、12)的厚度h(17)为微米级，全禁带三维光子晶体的厚度H(18)为微米级。

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