CN105891949B - 基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，属制备光子晶体技术领域。本发明主要通过控制膜的厚度、孔径大小和孔间隙，来调节反射的颜色的不同。本发明是通过磁控溅射的方法在硅（Si）衬底上沉积铬（Cr）层和氧化硅（SiOx）层，然后在氧化硅（SiOx）层通过激光刻蚀的方法刻蚀空气柱来制备二维光子晶体。通过激光能量来调节孔径大小和孔间隙。本发明的二维光子晶体可以应用于光学防伪方面。

Description

基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光子晶体的制备方法，特别是涉及一种二维光子晶体的制备方法，应用于膜的光学结构制备和应用技术领域。
背景技术
美国Science杂志在1998、1999年连续两年将光子晶体列为十大科学进展之一，预示了光子晶体在信息技术领域的广阔发展前景。在过去几年中，具有人造周期性结构或者准周期性结构的光子晶体和准光子晶体已经进入了深入研究阶段。如今，利用其介质材料及几何特征的周期性开发制造了一些具备商业应用前景的器件，如硅拉曼激光器、光纤、光学滤波器、高Q值光子晶体微腔、全光开关、太赫兹光学元件。
光子带隙是光子晶体最本质的特征，即频率位于光子带隙中的光被禁止在光子晶体内部传播。如果光子晶体的带隙位于380～780 nm的可见光区域，那么特定波长的可见光将无法在光子晶体结构中传播而反射到空气中，从而在光子晶体表面形成结构色。光子晶体这种优异的光调制特性提高了人对光子的操控能力，结构色的典型特征也使光子晶体具有广阔的应用前景，如防伪油墨、反射式平板显示器、气体传感器、涂料、化妆品。
目前，材料与制备、设计与模拟、测试与表征是光子晶体研究的几个主要方向。相比三维光子晶体，二维光子晶体实际应用更广泛，制备技术更成熟。现有的二维光子晶体制备方法制备的膜的光学结构的精细度和变色效果还不够理想，影响了二维光子晶体在更多领域的推广应用。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，采用磁控溅射法在硅衬底表面依次制备铬Cr层和硅氧膜，再通过激光刻蚀法使硅氧膜呈现周期排列的空气柱，通过合理调整孔洞直径、间隙参数，以期产生与普通多层膜光学结构不同的随角度变色特征。本发明是用激光刻蚀的方法来制备二维光子晶体，相比之前的一维光子晶体，其具有更好的变色效果。
为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：
一种基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，通过磁控溅射法和激光纳米刻蚀法，来制备空气柱二维光子晶体，包括如下步骤：
a. 衬底的预处理：选择硅衬底，将衬底清洗干净，干燥，备用；
b. Cr层制备：通过磁控溅射法在所述步骤a中的硅衬底上直流溅射制备厚度为5~25nm的铬层，控制氩气体流量为10 mL/min，控制溅射的直流功率为5~25W；当进行Cr层制备工艺时，优选保持硅衬底温度为20~100℃，并优选控制氩气体辉光气压不高于1×10-4Pa；
c. 氧化硅层制备：通过磁控溅射法在所述步骤b中制备的Cr层上射频溅射氧化硅，在Cr层上继续制备厚度为300~600nm的氧化硅层，控制氩气与氧气质量流量比为5:2~5:4，控制溅射的射频功率为150~250W；当进行氧化硅层制备工艺时，优选保持硅衬底温度为20~150℃，并优选控制氩气和氧气的混合气体的辉光气压不高于1×10-4Pa；
d. 空气柱的刻蚀制备：通过激光刻蚀光刻的方法，对在所述步骤c中制备的氧化硅层进行刻蚀，在氧化硅层上刻蚀一系列正方阵列排布的孔洞，使单一孔洞的直径为300~1000nm，相邻孔洞的侧边缘间距为400~1000nm，使氧化硅层上的孔洞作为空气柱，形成正方阵列排布的空气柱群，就得到二维光子晶体。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤b和c中制备的Cr层和氧化硅层的厚度分别对应为15 nm和400 nm，在所述步骤d中，刻蚀氧化硅层制备空气柱时，使单一孔洞的直径为800nm，相邻孔洞的侧边缘间距为600~800 nm。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明用激光刻蚀的方法制备二维光子晶体，激光刻蚀孔洞与孔隙更为精细，能够获得精度更高的表面膜的光学结构；
2. 本发明制成的二维光子晶体在颜色上更具有多变性，变色效果可从360°全方位观察到；
3. 本发明通过控制磁控溅射工艺和激光能量，来调节膜的厚度、孔径大小和孔间距，进而来调节二维光子晶体反射的颜色的不同，发明制备的二维光子晶体完全能满足应用于光学防伪方面的要求。
附图说明
图1为本发明实施例一在激光刻蚀空气柱后制备的二维光子晶体的模拟反射强度图谱。
图2为本发明实施例一制备的空气柱形二维光子晶体的金相显微图。
图3为本发明实施例一制备的二维光子晶体的彩虹色光学效果示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～3，一种基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，通过磁控溅射法和激光纳米刻蚀法，来制备空气柱二维光子晶体，包括如下步骤：
a. 衬底的预处理：选择硅衬底，将衬底清洗干净，干燥，备用；
b. Cr层制备：通过磁控溅射法在所述步骤a中的硅衬底上直流溅射制备厚度为15nm的铬层，控制氩气体流量为10 mL/min，控制溅射的直流功率为15W，保持硅衬底温度为20~100℃，控制氩气体辉光气压在1×10-4Pa以下；
c. 氧化硅层制备：通过磁控溅射法在所述步骤b中制备的Cr层上射频溅射氧化硅（SiOX），在Cr层上继续制备厚度为400nm的氧化硅层，控制氩气与氧气质量流量比为5:2，控制溅射的射频功率为230W，保持硅衬底温度为20~150℃，控制氩气和氧气的混合气体的辉光气压1×10-4Pa以下；
d. 空气柱的刻蚀制备：通过激光刻蚀光刻的方法，对在所述步骤c中制备的氧化硅层进行刻蚀，在氧化硅层上刻蚀一系列正方阵列排布的孔洞，使单一孔洞的直径为800nm，相邻孔洞的侧边缘间距为800nm，使氧化硅层上的孔洞作为空气柱，形成正方阵列排布的空气柱群，就得到二维光子晶体。
本实施例通过控制膜的厚度、孔径大小和孔间隙，来调节反射的颜色的不同。本实施例是通过磁控溅射的方法在硅（Si）衬底上沉积铬（Cr）层和氧化硅（SiOx）层，然后在氧化硅（SiOx）层通过激光刻蚀的方法刻蚀空气柱来制备二维光子晶体。从图1可知，通过激光刻蚀空气柱后二维光子晶体的模拟反射强度图谱，完全可以看到不同角度观察到颜色的不同。从图2可知，通过空气柱形二维光子晶体的放大5000倍的金相显微图，可以看到其孔大小与孔间隙的精细的排布。从图3可知，通过光子晶体彩虹色光学效果图，可以得知本实施例制备二维光子晶体颜色的多变性。本实施通过激光能量来调节孔径大小和孔间隙，本实施例制备的二维光子晶体的颜色的多变性和360°观察性，使其完全能够应用在光学的防伪方面。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，通过磁控溅射法和激光纳米刻蚀法，来制备空气柱二维光子晶体，包括如下步骤：
a. 衬底的预处理：与实施例一相同；
b. Cr层制备：与实施例一相同；
c. 氧化硅层制备：与实施例一相同；
d. 空气柱的刻蚀制备：通过激光刻蚀光刻的方法，对在所述步骤c中制备的氧化硅层进行刻蚀，在氧化硅层上刻蚀一系列正方阵列排布的孔洞，使单一孔洞的直径为800nm，相邻孔洞的侧边缘间距为600nm，使氧化硅层上的孔洞作为空气柱，形成正方阵列排布的空气柱群，就得到二维光子晶体。也能通过控制膜的厚度、孔径大小和孔间隙，来调节反射的颜色的不同，本实施例制备的二维光子晶体变色效果明显。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，通过磁控溅射法和激光纳米刻蚀法，来制备空气柱二维光子晶体，其特征在于，包括如下步骤：
a.衬底的预处理：选择硅衬底，将衬底清洗干净，干燥，备用；
b.Cr层制备：通过磁控溅射法在所述步骤a中的硅衬底上直流溅射制备厚度为5～25nm的铬层，控制氩气体流量为10mL/min，控制溅射的直流功率为5～25W；
c.氧化硅层制备：通过磁控溅射法在所述步骤b中制备的Cr层上射频溅射氧化硅，在Cr层上继续制备厚度为300～600nm的氧化硅层，控制氩气与氧气质量流量比为5:2～5:4，控制溅射的射频功率为150～250W；
d.空气柱的刻蚀制备：通过激光刻蚀光刻的方法，对在所述步骤c中制备的氧化硅层进行刻蚀，在氧化硅层上刻蚀一系列正方阵列排布的孔洞，使单一孔洞的直径为300～1000nm，相邻孔洞的侧边缘间距为400～1000nm，使氧化硅层上的孔洞作为空气柱，形成正方阵列排布的空气柱群，就得到二维光子晶体。
2.根据权利要求1所述基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，当进行Cr层制备工艺时，保持硅衬底温度为20～100℃，并控制氩气体辉光气压不高于1×10-4Pa。
3.根据权利要求1所述基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，当进行氧化硅层制备工艺时，保持硅衬底温度为20～150℃，并控制氩气和氧气的混合气体的辉光气压不高于1×10-4Pa。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述基于激光刻蚀空气柱二维光子晶体的制备方法，其特征在于：在所述步骤b和c中制备的Cr层和氧化硅层的厚度分别对应为15nm和400nm，在所述步骤d中，刻蚀氧化硅层制备空气柱时，使单一孔洞的直径为800nm，相邻孔洞的侧边缘间距为600～800nm。
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