CN104808284B - 光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的柔性转印方法 - Google Patents

Abstract

光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的柔性转印方法，属于纳米光子材料及器件技术领域。在镀有金属氧化物薄膜的大面积平板衬底上制备金属或介电材料光子晶体或微纳光栅结构，采用“剥离转印”和“焊接转印”两种不同工艺过程实现光子晶体到光纤端面的转印：“剥离转印”中，首先利用缓冲层腐蚀工艺，将光子晶体从大面积平板衬底上剥离下来，直接贴覆于光纤端面；“焊接转印”中，首先将光纤固定在制备于平板衬底表面地大面积光子晶体的表面，将其在接触点用柔性物质连接，再利用缓冲层腐蚀工艺，将光子晶体从大面积平板衬底上剥离下来，而转移在光纤的端面。此转印工艺的成功率达100％，是一种无损转印方法。

Description

光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的柔性转印方法

技术领域

本发明属于纳米光子材料及器件技术领域。实现了制备在平板衬底上的大面积介电/金属材料光子晶体在光纤端面的转印。

背景技术

“Lab-on-Fiber”技术是纳米光子学及其应用领域的重要内容和发展趋势。在光纤端面上实现不同结构形式、不同尺度、不同材料纳米光子结构的制备，是相关研究和器件研制的前提和核心内容。特别是，纳米光子结构与光纤端面的集成为探针式传感器的研制创造了优势途径。

尽管光纤端面的纳米图案化激发了众多研究兴趣和新型纳米制备方法，但这些方法基本上以百微米尺度的光纤端面为制备平台，以传统的电子束刻蚀、激光微纳直写、干涉光刻为核心技术。然而，由于光纤作为结构制备的衬底，光纤端面尺寸小、光纤本身特点与纳米制备方法要求间的矛盾，导致了相关纳米制备面临的多方面技术挑战和获得的纳米结构质量的局限性。

在大面积平板衬底上，可以利用灵活多样的纳米图案化方法实现各种纳米光子结构的制备。由此获得的高质量纳米光子结构为功能化器件的研制和应用创造优势条件。

将光子晶体制备在镀有金属氧化物的平板衬底上，再利用金属氧化物与盐酸、硫酸溶液间的化学反应，去除氧化物薄膜而使光子晶体完整地脱离衬底，实现薄膜光子晶体的制备。为光子晶体到光纤端面的转印提供了现实可行的。

本发明基于上述问题和背景技术，提出了一种模型简单、制备工艺实用强的光子晶体到光纤端面转印方法，即利用缓冲层腐蚀工艺将制备在平板衬底上的各类高质量光子晶体无损转移至光纤端面。

发明内容

首先将介电材料或金属材料光子晶体制备在镀有金属氧化物薄膜的平板衬底上。利用缓冲层腐蚀方法将薄膜光子晶体结构转移至光纤的端面。克服了光纤端面上直接制备光子晶体的难度，实现了平板衬底上制备的大面积、高质量光子晶体功能在光纤端面的微缩和集成化。此转印方法可通过两种途径实现，分别称为“剥离转印”和“焊接转印”。

光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的“剥离转印”方法(附图1)，其特征在于，包括以下步骤：

1)在镀有缓冲层薄膜的平板衬底上制备介电材料或金属材料薄膜光子晶体或微纳光栅结构，产生用于转印的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品器件；

2)将1)中制备的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品在浸入盐酸溶液中，令缓冲层薄膜与盐酸充分反应，直至薄膜光子晶体或微纳光栅结构脱离平板衬底，浮于盐酸溶液的表面；

3)从盐酸溶液中取出薄膜光子晶体或微纳光栅结构，置于纯净水中，洗去薄膜光子晶体或微纳光栅结构表面残留的盐酸溶液；

4)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构置于中空支架上，使其在空气中干燥。

5)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构覆盖在光纤端面，使光子晶体或微纳光栅结构质量最好、均匀程度最高区域与光纤端面接触并贴合；优选薄膜光子晶体或微纳光栅结构置于中空支架上，光纤端面穿过中空支架直接与薄膜光子晶体接触贴合。

6)去除支架，修整器件。

光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的“焊接转印”方法(附图2)，其特征在于，包括以下步骤：

1)在镀有金属氧化物薄膜的平板衬底上制备介电材料或金属材料薄膜光子晶体或微纳光栅结构，产生用于转印的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品器件。

2)将薄膜光子晶体样或微纳光栅结构样品水平放置，而将光纤竖直固定，并使光纤下端面自由接触于薄膜光子晶体或微纳光栅结构上表面。

3)在光纤与薄膜光子晶体或微纳光栅结构的接触点处滴下微量的透明高分子材料溶液，使高分子材料能够充分填充光纤与薄膜光子晶体或微纳光栅结构间的空间，并将光纤牢固焊接于光子晶体表面；

4)将3)中样品整体置于盐酸溶液中，使盐酸与氧化物薄膜充分反应，而使得焊接于光纤端面的薄膜光子晶体或微纳光栅结构脱离平板衬底。

5)将焊接于光纤端面的薄膜光子晶体或微纳光栅结构在纯净水中清洗后干燥成型，修整光子晶体边缘，完成转印工艺。

本发明的盐酸溶液优选质量浓度为20％。

缓冲层可采用任何溶于酸性溶液金属氧化物或其它无机物质材料的薄膜，厚度大于100nm。

用于焊接光纤端面与光子晶体表面的高分子材料为柔性材料，采用不溶于酸和丙酮的任何有机高分子材料。

采用常规的石英或玻璃光纤，对纤芯直径和包层厚度无限制。

本发明的优势特点：

1)本发明实现了具有柔性特点的薄膜金属和介电材料光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面上的转印。

2)克服了光纤端面上直接纳米结构化的挑战。

3)充分利用了大面积平板衬底上制备的光子晶体质量高、均匀性好、方法灵活多样、工艺成熟等优势特点。

4)此转印工艺的成功率达100％，是一种无损转印方法。

5)制备方法简便、易行，无需昂贵的设备、复杂的工艺过程、特殊昂贵的材料、精密的操控和技能，制备过程高效。

6)此方法可以实现单次制备在平板衬底上的大面积薄膜光子晶体向多根光纤端面的一次性转印。

7)将光子晶体或微纳光栅结构转移至光纤端面，不仅实现了光子器件和光学测试系统的微缩化和集成化，而且实现了光子晶体应用的探针化，可用于遥测传感器和柔性光电子器件的研制。

8)此转移技术不受光子晶体维度、结构形式、结构参数的限制，适于任何不溶于酸性溶液、有机溶剂和丙酮的光子晶体材料，即可实现金属、介电或半导体材料，一维、二维或三维，具有各类晶格阵列的光子晶体或微纳光栅结构的转移。

附图说明

图1、“剥离转印”方法的工艺过程示意图。

①金属或介电材料光子晶体；②金属氧化物缓冲层；③衬底；④装有20％盐酸的烧杯等玻璃容器；⑤装有纯净水的培养皿等玻璃容器；⑥中空支架；⑦光纤。

图2、“焊接转印”方法的工艺过程示意图。

①金属或介电材料光子晶体；②金属氧化物缓冲层；③衬底；④高分子材料焊点；⑤光纤；⑥装有20％盐酸的烧杯等玻璃容器；⑦装有纯净水的培养皿等玻璃容器。

图3、“剥离转印”实例示意图。

(a)在ITO玻璃衬底上旋涂光刻胶；(b)利用干涉光刻法制备光刻胶光栅结构；(c)将光刻胶光栅样品至于20％盐酸溶液中，完成缓冲层氧化物与盐酸的充分反应；(d)光刻胶光栅从衬底剥离，浮于盐酸溶液表面；(e)将剥离后的薄膜光栅在纯净水中清洗后贴覆于光纤端面，修整边缘，完成转印过程；(f)转印于光纤端面的光刻胶光栅结构实物照片。

图4、“焊接转印”实例示意图。

(a)在ITO玻璃表面制备光刻胶光栅结构；(b)在光刻胶光栅表面旋涂金纳米颗粒胶体；(c)将样品加热至350℃，使金纳米颗粒熔融、结晶并组装于光刻胶光栅凹槽中，形成金纳米线与光刻胶纳米线相间的金属光子晶体结构；(d)将光纤垂直于金属光子晶体表面自由直立固定；(e)在光纤端面与金属光子晶体表面的接触点处滴下一滴PMMA/氯仿溶液，使其间在溶液蒸干后牢固焊接；(f)将样品在20％的盐酸溶液中浸泡，经充分反应，金属氧化物缓冲层完全溶解于盐酸，焊接于光纤端面的金属光子晶体脱离基片；(g)将(f)中获得的样品在纯净水中清洗后再在丙酮中浸泡，去除光刻胶，获得经PMMA焊接于光纤端面的金属光子晶体；(h)转印于光纤端面的金属光子晶体实物照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

实例1：光子晶体在光纤端面的剥离转印。

(1)利用干涉光刻法在面积为10×10mm²的ITO玻璃的表面制备周期为500nm的光刻胶光栅结构。干涉光刻采用输出波长为325nm的He-Cd激光器作为紫外光源，S1805光刻胶作为记录介质。S1805以每秒2000转的转速旋涂在ITO玻璃的表面，其厚度约为500nm。见图3(a)。

(2)控制曝光和显影时间，使得光刻胶光栅的调制深度约为300nm。见图3(b)。

(3)将上述光刻胶光栅样品在浓度为20％的盐酸中浸泡60分钟。见图3(c)。

(4)ITO薄膜完全溶解，光刻胶光栅脱离基底，飘浮于盐酸溶液表面。见图3(d)。

(5)取出薄膜光栅，在纯净水中浸泡、清洗，并在空气中干燥后，覆盖在光纤端面上，使得光栅的中心部分与光纤充分接触、贴合，而使其它区域在其自身重力作用下，自然柔性下垂并贴合与光纤侧壁。

(6)修正光纤侧壁，获得集成于光纤端面的光子晶体结构。见图3(e)。

(7)实物图见图3(f)。

实例2：金属光子晶体在光纤端面的焊接转印。

(1)在实例(2)中获得光刻胶光栅(图4(a))上旋涂化学合成的金纳米颗粒在甲苯中的胶体溶液，浓度为100mg/ml。见图4(b)。

(2)将样品在马弗炉中于300℃加热20分钟，然后自然冷却至室温，获得周期为500nm的金属光子晶体。见图4(c)。

(3)将纤芯直径为400μm光纤固定在金属光子晶体的上方，使光纤端面与金属光子晶体的上表面自然接触。见图4(d)。

(4)在光纤与金属光子晶体的接触点处滴微量PMMA的氯仿溶液，浓度为15mg/ml。在通风柜中静止100分钟，使氯仿溶剂充分挥发。光纤端面与金属光子晶体表面经PMMA薄膜牢固“焊接”在一起。见图4(e)。

(5)将上述样品在浓度为20％的盐酸中浸泡60分钟。ITO薄膜完全溶解，镶嵌于光刻胶光栅中的金属光子晶体完全脱离衬底，转移至光纤端面。见图4(f)。

(6)将光纤顶端浸于丙酮中，去除光刻胶，获得经PMMA焊接于光纤端面的金属光子晶体。见图4(g)。

(7)实物图见图4(h)。

Claims (7)

1.基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在镀有缓冲层薄膜的平板衬底上制备介电材料或金属材料薄膜光子晶体或微纳光栅结构，产生用于转印的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品器件；

2)将1)中制备的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品浸入盐酸溶液中，令缓冲层薄膜与盐酸充分反应，直至薄膜光子晶体或微纳光栅结构脱离平板衬底，浮于盐酸溶液的表面；

3)从盐酸溶液中取出薄膜光子晶体或微纳光栅结构，置于纯净水中，洗去薄膜光子晶体或微纳光栅结构表面残留的盐酸溶液；

4)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构置于中空支架上，使其在空气中干燥；

5)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构覆盖在光纤端面，使光子晶体或微纳光栅结构质量最好、均匀程度最高区域与光纤端面接触并贴合；

6)去除支架，修整器件。

2.基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在镀有缓冲层薄膜的平板衬底上制备介电材料或金属材料薄膜光子晶体或微纳光栅结构，产生用于转印的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品器件；

2)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品水平放置，而将光纤竖直固定，并使光纤下端面自由接触于薄膜光子晶体或微纳光栅结构上表面；

3)在光纤与薄膜光子晶体或微纳光栅结构的接触点处滴下微量的透明高分子材料溶液，使高分子材料能够充分填充光纤与薄膜光子晶体或微纳光栅结构间的空间，并将光纤牢固焊接于薄膜光子晶体表面；

4)将3)中样品整体置于盐酸溶液中，使盐酸与缓冲层薄膜充分反应，而使得焊接于光纤端面的薄膜光子晶体或微纳光栅结构脱离平板衬底；

5)将焊接于光纤端面的薄膜光子晶体或微纳光栅结构在纯净水中清洗后干燥成型，修整光子晶体边缘，完成转印工艺。

3.按照权利要求1或2的基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，盐酸溶液优选质量浓度为20％。

4.按照权利要求1或2的基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，缓冲层可采用任何溶于酸性溶液金属氧化物或其它无机物质材料的薄膜，厚度大于100nm。

5.按照权利要求2的基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，用于焊接光纤端面与光子晶体表面的高分子材料为柔性材料，采用不溶于酸和丙酮的有机高分子材料。

6.按照权利要求1或2的基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，光纤为玻璃光纤。

7.按照权利要求1或2的的基于金属或介电材料的光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的转印方法，其特征在于，光纤为石英光纤。