CN101973512B - 紫外激光干涉灼蚀金属微纳结构直写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了紫外激光干涉灼蚀金属微纳结构直写方法，属于纳米光电子材料及器件技术领域。利用化学合成金纳米颗粒胶体，结合热处理工艺，通过紫外脉冲激光干涉灼蚀技术，直接作用于金属薄膜表面，实现了一种新的一维或者二维金属光子晶体的制备技术。本发明方法具有成本低、效率高，可制备大面积金属光子晶体等优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米光电子材料及器件技术领域，涉及利用紫外激光干涉灼蚀方法在金属薄膜上直接写出周期可控的金属光子晶体结构。
背景技术
周期排列的金属纳米线、金属纳米柱或金属纳米孔结构通常被称为金属光子晶体。入射到金属光子晶体上的电磁波将引起金属中电子的集体振荡，从而产生粒子等离子共振或局域表面等离子体共振，在光物理学上表现为强烈的特征消光光谱，主要包含了等离子共振吸收和光散射两种物理机制。利用粒子等离子共振与金属光子晶体周期性结构的耦合作用，可以实现窄带滤波器、全光开关、分布式反馈激光腔和生物传感器等新型光电子学器件。这就使得金属纳米结构和金属光子晶体的制备技术显得格外重要。目前，已有的制备方法基本上基于包括电子束刻蚀结合真空蒸镀和后续剥离技术、激光干涉光刻结聚焦离子束刻蚀技术、激光干涉光刻结合真空蒸镀和剥离技术等。然而，这些制备方法存在制备工艺过程复杂、制备设备昂贵、效率低、成本高等问题，从而极大的限制了金属光子晶体的广泛应用和实用技术开发。简单、快捷、成本低廉、重复性好的方法一直是金属光子晶体制备技术所追求的目标。
发明内容
本发明目的是提出一种单脉冲曝光紫外激光干涉灼蚀方法直接写出金属光子晶体结构，即将一个高能量的紫外光脉冲经分束和再次空间叠加后形成的干涉图案直接作用于金属薄膜表面，干涉图案亮条纹区的金属薄膜在瞬间灼蚀掉，而使得干涉图案暗条纹区的金属薄膜保留下来，形成一维或二维金属光子晶体。
本发明中金属光子晶体制备技术具体方案如下：
1)将化学合成的金属纳米颗粒(平均直径约5nm，分布范围2-10nm)，溶解于有机溶剂中，制成浓度为70-150mg/ml的金属纳米颗粒胶体溶液；
2)将金属纳米颗粒胶体溶液旋涂在玻璃基底上，旋涂速度为1500-4000rpm，以转速为2000rpm时为最佳，获得厚度均匀的金属纳米颗粒胶体薄膜，金属纳米颗粒胶体薄膜厚度的为50-250nm；
3)将旋涂有金属纳米颗粒胶体薄膜的基片置于加热板上，加热温度为250℃，时间为25s，获得连续性的金属薄膜结构；
4)将强紫外激光干涉图案与连续金膜作用，使得干涉亮条纹区的金属薄膜在瞬间被灼蚀掉，而留下未曝光区，形成高质量的金属纳米光栅结构，紫外激光干涉灼蚀技术制备金属光栅结构的光路示意图见图1。
在上述已实现的一维金属纳米光栅制备技术的基础上，将样品绕其法线旋转90°，再进行第二次曝光灼蚀，即可实现二维金属纳米光栅结构的制备。
上述所述的金属纳米颗粒为金、银或铂纳米颗粒；所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、环己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一种；基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片等；所述紫外激光为波长小于等于400nm的高能量脉冲激光。
本发明的优势特点：
1)本发明方法无需使用庞大的蒸镀或刻蚀设备，成本低廉，可大面积制备一维、二维金属光子晶体，重复性好，制备效率高。
2)本发明所制备的金属光子晶体的周期可控，改变干涉光路的干涉角θ，便可制备周期为200nm-2μm的金属光子晶体。
3)采用本发明方法制备金属光子晶体时，金属薄膜的加热形成过程以及紫外激光干涉灼蚀过程中，都能够促进的金属纳米结构和基片进一步紧密结合，从而提高金属光子晶体的附着性和牢固性，不易损伤和脱落
附图说明
图1、紫外激光干涉灼蚀技术制备金属光栅结构的光路示意图
其中，1为脉冲紫外激光器；2为介质膜全反镜；3为扩束用透镜组；4为分束镜；5为待加工的样品。
图2、所获得的一维金属光栅结构的光学显微镜照片
图3、所获得的一维金属光栅结构的扫描电子显微镜(SEM)照片。
其中，6标示为金线；7为灼蚀后暴露的基底。
具体实施方式
实施例1：一维金纳米线光子晶体结构的制备。
1)将化学合成的平均直径为5nm的金纳米颗粒溶解于甲苯或二甲苯等有机溶剂中，制成浓度为100mg/ml的金纳米颗粒胶体溶液；
2)将金纳米颗粒胶体溶液旋涂在玻璃基底上。旋涂速度为2000rpm，相应的膜厚约为200nm；
3)将旋涂有金纳米颗粒胶体薄膜的样品放置于加热板上，在250℃下加热25秒，获得厚度均匀、连续的金薄膜结构样品。
4)将上述制备的金薄膜样品置于干涉光路中，如图1所示，其中两光束的夹角θ＝7.8°。利用手动触发使激光器发射一个能量为20mJ，脉冲宽度6ns，波长266nm的激光脉冲，即可在金属薄膜上刻蚀出周期性的一维金属光栅结构。
5)所制备的一维金属光栅的结构的光学显微图像如图2所示，在θ＝7.8°的情况下，所制备的金属光栅的周期约为1μm。
实施例2：
1)将化学合成的平均直径为5nm的金纳米颗粒溶解于甲苯或二甲苯等有机溶剂中，制成浓度为100mg/ml的金纳米颗粒胶体溶液；
2)将金纳米颗粒胶体溶液旋涂在玻璃基底上。旋涂速度为2000rpm，相应的膜厚约为200nm；
3)将旋涂有金纳米颗粒胶体薄膜的样品放置于加热板上，在250℃下加热25秒，获得厚度均匀、连续的金薄膜结构样品。
4)将上述制备的金薄膜样品置于干涉光路中，如图1所示，两束光夹角θ＝26.3°。利用手动触发使激光器发射一个能量为20mJ，脉冲宽度6ns，波长266nm的激光脉冲，即可在金属薄膜上刻蚀出周期性的一维金属光栅结构。
5)所制备的一维金属光栅的结构的扫描电子显微镜(SEM)图像如图3所示，金属光栅的周期约为300nm。
实施例3：二维金纳米线光子晶体结构的制备
在实施例1已实现的一维金属纳米光栅制备技术的基础上，将样品绕其法线旋转90°，再进行第二次曝光灼蚀，即可实现二维金属纳米光栅结构的制备。
Claims (6)
1.紫外激光干涉灼蚀微纳结构直写方法，其特征在于，采用单脉冲曝光紫外激光干涉灼蚀方法直接写出金属光子晶体结构，包括以下步骤：
1)将平均直径约5nm，分布范围2-10nm的金属纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成70-150mg/ml的金属纳米颗粒溶胶；
2)以1500-4000rpm的转速，将胶体溶液旋涂在基底上，制备出厚度为50-250nm的金属纳米颗粒胶体薄膜；
3)将旋涂有金属纳米颗粒胶体薄膜的基片置于加热板上，加热温度为250℃，时间为25s，获得连续性的金属薄膜结构；
4)将紫外激光干涉图案与连续性的金属薄膜结构作用，使得干涉亮条纹区的金属薄膜在瞬间被灼蚀掉，而留下未曝光区，形成金属纳米光栅结构样品。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于，步骤1)中所述的金属纳米颗粒为金、银或铂纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、环己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤2)中所述的基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤4)中所述的紫外激光为波长小于等于400nm的高能量脉冲激光。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：5)在已实现的一维金属纳米光栅制备技术的基础上，将样品绕其法线旋转90°，再进行第二次曝光灼蚀，即可实现二维金属纳米光栅结构的制备。
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