CN103772721A - 一种新型的锥状阵列结构制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的锥状阵列结构制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)一次复型：取低熔点合金，加热熔融，向熔融合金熔体中插入模板，待合金凝固后拔出模板，在凝固的低熔点合金表面制备出孔洞阵列，形成一次复型结构；(2)二次复型：在一次复型所得孔洞阵列表面均匀涂覆预聚合的有机物单体，待有机物聚合固化后，将有机物膜与一次复型结构表面分离，即在有机物膜表面制备出锥状阵列结构。本发明可通过调整模板的粗细调整锥状阵列结构的尺寸，制备过程简单，成本低，复制出的锥状阵列结构在紫外-可见-近红外宽频率范围内均具有抗反射效果。

Description

一种新型的锥状阵列结构制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的锥状阵列结构制备方法，通过复制不锈钢针灸针的针尖结构，在透明有机物表面制备出锥状阵列结构，降低材料的表面反射，制备的锥状阵列结构在紫外-可见-近红外宽频率范围内均具有抗反射效果。

背景技术

在光学系统中，由于光学器件的表面反射，使得光学器件对入射光的利用率大大降低。因此，采取抗反射措施，降低材料表面的光反射，对于提高光伏器件的性能及光学传感器的灵敏度等具有非常重要的意义。传统的抗反射方法是通过单层或多层薄膜系减少入射光的损失，但是淀积膜层有其固有的缺陷，如膜层之间存在热胀失配和组分渗透、膜层在强激光作用下可能发生脱落等。近年来，通过在材料表面构筑微结构的方法来降低表面反射率已成为研究热点。与传统镀膜相比，此方法不存在热胀失配和组分渗透的问题，不仅可以直接成型于器件表面，也有助于解决薄膜在强激光作用下的脱落问题。因此，它在光电传感、微电子器件、光伏电池等领域有着非常好的应用前景。

目前在材料表面构筑微结构的主要制备工艺方法可分为干法和湿法两类。干法制备主要包括电子束刻蚀、离子束刻蚀、纳米压印技术、等离子刻蚀和光刻蚀等。通过干法制备能够构筑出有序的阵列结构，且分辨率高，但由于干法制备往往对仪器设备要求高，产品价格昂贵，工艺产率低，使其生产应用在一定程度上受到限制。湿法制备包括溶液刻蚀、胶体晶体自组装技术和X射线印刷技术等。其中，溶液刻蚀方法会产生腐蚀性废液，污染环境。X射线印刷技术产率高，然而光刻掩膜板和曝光系统非常复杂且昂贵，不利于大规模的生产。

因此，研究一种新型的微结构制备方法，在实现宽频谱抗反射效果的同时，简化制备流程，提高制备效率，降低制备成本，实现制备过程的环保节能，具有积极的意义。目前，通过复制不锈钢针灸针的针尖结构，经过二次复型，在透明有机物表面制备出锥状阵列结构的方法还未见报道。

发明内容：

本发明的目的是为了降低材料的表面反射而提供一种制备抗反射表面的新方法，在实现减反射效果的同时，降低对设备的要求，减轻生产成本。

发明内容

一种新型的锥状阵列结构制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)一次复型：取低熔点合金，加热熔融，向熔融合金熔体中插入模板，待合金凝固后拔出模板，在凝固的低熔点合金表面制备出孔洞阵列，形成一次复型结构；所述的模板是人工排序的不锈钢针灸针的针尖结构，且所有的针尖端部位于同一平面；

所述低熔点合金的熔点不高于200℃，可采用废弃的焊锡丝、保险丝作为原料，降低生产成本的同时实现废弃物的回收利用。

(2)二次复型：在一次复型所得孔洞阵列表面均匀涂覆预聚合的有机物单体，待有机物聚合固化后，将有机物膜与一次复型结构表面分离，即在有机物膜表面制备出锥状阵列结构。

所述的加热方法，为烘箱鼓风加热、水浴加热、油浴加热或电烙铁加热中的一种，加热时间为1-8小时，使低熔点合金充分熔融。其中，烘箱鼓风加热、水浴加热或油浴加热的加热温度不高于200℃。

所述的有机物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或氟碳树脂中的一种。

有益效果：

本发明采用二次结构复型的方法，在有机膜表面制备出大面积锥状阵列结构，工艺简单易行，无需大型设备和昂贵的掩膜，且可通过调整模板采用的不锈钢针灸针的粗度来调整锥状阵列结构的尺寸；制备成本低，可回收利用废弃的低熔点合金，经济节约；不产生腐蚀性废液，绿色环保。通过本发明制备的锥状阵列结构在紫外-可见-近红外宽频率范围内均具有抗反射效果。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；1-针灸针尖，2-低熔点合金，3-有机物预聚体，4-固化后的有机物膜。

图2伍德合金表面孔洞阵列结构的光学显微图；

图3PDMS表面锥状阵列结构的SEM图；

图4PDMS平面和PDMS锥状阵列结构的镜面反射率比较图；(a)抛光的PDMS平面、(b)PDMS锥状阵列结构；

图5保险丝合金表面孔洞阵列结构的光学显微图；

图6PMMA表面锥状阵列结构的SEM图；

图7PMMA平面和PMMA锥状阵列结构的镜面反射率比较图。(a)抛光的PMMA平面(b)PMMA锥状阵列结构。

具体实施方式

以下通过具体的实施四例对本发明作进一步的详细描述，但本发明不限于所给出的实施实例。

图1是本发明的工艺流程图，一种新型的锥状阵列结构制备方法，利用人工有序针尖作为模板，采用二次结构复型方法，构筑锥形阵列结构；具体步骤如下：

(1)以针灸针尖1为模板，将其浸入熔融的低熔点合金溶液2；

(2)逐步降温，待低熔点合金溶液2冷却凝固后，移除针灸针尖，在低熔点合金表面形成孔洞结构阵列(一次复型)；

(3)将适量有机物预聚体3涂覆于孔洞结构表面；

(4)有机物固化后，将其与低熔点合金孔洞分离，形成有机物表面的锥状阵列结构(二次复型)。

实施例1：

一种新型的锥状阵列结构制备方法，包括以下步骤：(1)将30g伍德合金(上海科丰化学试剂有限公司，铋50％、铅26.7％、锡13.3％、镉10％)放入培养皿中，置于烘箱内，将烘箱温度升至150℃，保温1小时，使合金完全熔化。将人工有序的不锈钢针灸针捆针尖向下插入熔化的合金中，在室温下自然冷却。待合金凝固后，将培养皿连同合金和针捆从烘箱中取出，拔出合金内的针灸针，在合金表面形成孔洞阵列，将其作为二次复型的模板。如图2所示，孔洞直径在100μm左右，孔洞间距约为100μm。

(2)将步骤(1)所得模板浸入酒精中，超声清洗5分钟，烘干。以Dow Corning公司生产的Sylgard184型硅树脂为原料，按照主成分(Base)∶固化剂(Agent)的质量比为10∶1配制PDMS预聚体10g，搅拌均匀后，放入真空干燥箱中抽真空10分钟，去除其中的气泡。取上述PDMS预聚体，将PDMS预聚体均匀涂覆在孔洞表面，在60℃下静置1小时，待PDMS预聚体固化成型后，将固化的PDMS膜层与孔洞模板分离，在PDMS膜层表面制备出锥状阵列结构。锥状阵列结构高度约为300μm，尺寸均一，分布均匀，如图3所示。

(3)将相同厚度的PDMS块状薄膜材料表面打磨、抛光后得到光滑平面。测试PDMS平面以及PDMS锥状阵列结构的反射率图谱，如图4所示。可见制备的锥状阵列结构在紫外-可见-近红外宽频率范围内均具有抗反射效果。

实施例2：

一种新型的锥状阵列结构制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50g保险丝熔体部分，置于烧杯中，用500W电烙铁加热使其熔融。将人工有序的不锈钢针灸针捆(针尖结构向下)插入熔化的保险丝合金中，在室温下自然冷却。待金属凝固后，将培养皿连同金属和针捆一起从烘箱中取出，拔出金属内的针灸针，在金属表面形成孔洞阵列，将其作为二次复型的模板。如图5所示，孔洞直径在50μm左右，孔洞间距约为50μm。

(2)将一次复型所得的孔洞模板浸入酒精中，超声清洗3分钟，烘干。称取MMA(甲基丙烯酸甲酯单体)20g、偶氮二异丁腈0.02g(引发剂，用量为MMA质量的0.1％)，依次加入烧瓶中，搅拌使其完全溶解，置烧瓶于70℃左右水浴锅中并电动搅拌，直至粘度1Pa.s左右，完成MMA的预聚合。取上述预聚合的MMA，涂覆在孔洞结构表面，在80℃下静置1小时，待MMA聚合完全、固化成型后，将固化的PMMA膜层与孔洞模板分离，在PMMA膜层表面制备出锥状阵列结构。锥状阵列结构高度约为150μm，如图6所示。

(3)将相同厚度的PMMA块状薄膜材料表面打磨、抛光后得到光滑平面。测试PMMA平面以及PMMA锥状阵列结构的反射率图谱，如图7所示。制备的锥状阵列结构在紫外-可见-近红外宽频率范围内均具有抗反射效果。

实施例3

所采用的有机物膜是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其余内容同实施例2。

实施例4

所采用的有机物膜是氟碳树脂，其余内容同实施例2。

Claims (3)

1.一种新型的锥状阵列结构制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)一次复型：取低熔点合金，加热熔融，向熔融合金熔体中插入模板，待合金凝固后拔出模板，在凝固的低熔点合金表面制备出孔洞阵列，形成一次复型结构；

(2)二次复型：在一次复型所得孔洞阵列表面均匀涂覆预聚合的有机物单体，待有机物聚合固化后，将有机物膜与一次复型结构表面分离，即在有机物膜表面制备出锥状阵列结构。

2.根据权利要求1所述的新型的锥状阵列结构制备方法，其特征在于步骤(1)所述的模板是人工排序的不锈钢针灸针的针尖结构，且所有的针尖端部位于同一平面；所述低熔点合金的熔点不高于200℃。

3.根据权利要求1所述的新型的锥状阵列结构制备方法，其特征在于步骤(2)所述的有机物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或氟碳树脂中的一种。

Images