CN106170725A - 利用剥离‑粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用剥离‑粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法，先于基底上制作与之结合力较低的金属微纳米结构，然后于光纤端面涂敷粘合剂或于所述金属微纳米结构表面涂敷粘合剂，接着以预设角度粘合所述光纤端面及所述金属微纳米结构，最后固化所述粘合剂并将所述光纤端面及金属微纳米结构从基底剥离以完成制备。本发明借鉴了剥离‑粘贴中将贵金属从与之弱结合的基底剥离的思想，展示了一种新的可以在光纤端面高质量地制备金属微纳米结构，而且过程简单快速、成本低的方法。

Description

利用剥离 -粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法
技术领域
本发明属于微纳加工领域，特别是涉及一种利用剥离-粘贴法在光纤端面制作 金属微纳米结构的方法。 背景技术
将微纳米器件集成在光纤的端面， 通过光纤导波技术用光波激发与探测微纳 米器件， 将带来简便灵活、 易于携带的光学功能器件； 同时因为光纤很细， 这类 器件可以插入很小的空间和体内环境进行工作。 然而使用现有的主流微纳米图形 加工技术， 包括紫外光刻、 电子束光刻、 聚焦离子束刻蚀等， 很难在光纤端面直 接有效地制备微纳米图形和器件。 这是因为如果使用紫外光刻或电子束光刻在光 纤端面直接制备微纳米图形， 则需要在样品上均匀可控地涂敷光刻胶， 为达到较 高的加工精度， 整个光纤端面的光刻胶厚度需要非常均匀， 而因为光纤端面的面 积非常小（例如光纤通信使用的光纤， 其包层直径通常仅有 125微米左右）， 无法 采用半导体行业常用的旋涂方法来涂敷光刻胶。 人们采用了在光纤端面沾上光刻 胶的液滴然后用气枪将光刻胶液滴吹平的技术， 但是这种方法对光刻胶厚度的控 制非常不准确，使用这种方法在光纤端面制备微纳米图形的成品率很低（Shengfei Feng, Xinping Zhang, Hao Wang, Mudi Xin, and Zhenzhen Lu, "Fiber coupled waveguide grating structures," Appl. Phys. Lett. 96, 133101 (2010))。而如果使用聚焦 离子束刻蚀的方法在光纤端面制备微纳米图形， 虽然可以获得所需要的图形， 但 是聚焦离子束刻蚀的制备时间很长， 制备成本非常高； 并且每在一根新的光纤的 端面制作前都需要重新校准聚焦离子束刻蚀仪器的聚焦参数 （A. Dhawan, J. F. Muth, D. N. Leonard, M. D. Gerhold, J. Gleeson, T. Vo-Dinh, and P. E. Russell, "Focused ion beam fabrication of metallic nanostructures on end faces of optical fibers for chemical sensing applications," J. Vac. Sci. Technol. B 26, 2168 (2008))。
本发明是基于先在其他基底上制备金属微纳米结构， 然后将其剥离并粘贴到 光纤端面的方法来制作光纤端面的金属微纳米结构。 类似的剥离 -粘贴 （template stripping ) 方法已经被用于在较大面积的平面衬底上制作高表面质量的金属微纳 米结构 （P. Nagpal, N.C.lindquist, S.H. Oh and D.J. Norris, "Ultrasmooth Patterned Metals for Plasmonics and Metamaterials," Science 325, 594(2009) ), 但是如上已报 道的方法需要与金属附着力强的目标衬底， 不适于在光纤端面制作金属微纳米结 构。 在光纤端面制作金属微纳米结构是非常吸引人的课题， 文献里多有尝试， 但 是并无报道用剥离-粘贴的方法来实现之。 在此介绍一下剥离-粘贴法， 其主要原 理是利用贵金属与一些固体材料 （如玻璃， 云母， 硅等） 基底之间的弱表面结合 力。 首先在与金属表面结合力弱的基底上刻蚀微纳米图形， 然后将金属沉积在此 已有微纳米图形的基底上， 之后将金属层剥离并转移至另一平面衬底并使原先金 属与基底的结合面朝上， 以完成在此衬底上制备金属微纳米结构。 当使用云母或 者硅等具有极高表面平滑度的基底时，通过剥离 -粘贴法制作的金属微纳米结构也 有非常平滑的表面。 已有的剥离-粘贴均为大面积剥离-粘贴， 即将整个基底上的 金属微纳米结构剥离并转移到其他衬底。
另外， 由于受到光纤切割精度的限制， 制作前的光纤本身的端面与光纤之间 的角度并非完全垂直， 例如为 90±1 度， 也就是说具有一定的角度偏差， 因此， 传统的于光纤端面制作微纳米结构的方法难以实现微纳米结构平面与光纤之间的 精确垂直， 从而会在一定程度上影响光纤端面集成器件的最终的光学性能。
鉴于现有技术的以上缺陷，本发明借鉴了剥离-粘贴中将贵金属从与之弱结合 的基底剥离的思想， 展示了一种新的可以在光纤端面高质量地制备金属微纳米结 构， 而且过程简单快速、 成本低的方法。 并且， 本发明通过光纤与基底呈预设角 度 90度的过程可以把完成制作后的光纤端面微纳米结构平面与光纤之间的角度 纠正到精确的 90度。 发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用剥离-粘贴法 在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 以实现一种可以在光纤端面高质量地制 备金属微纳米结构， 可以把完成制作后的光纤端面微纳米结构平面与光纤之间的 角度纠正到精确的 90度， 而且过程简单快速、 成本低的方法。
为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种利用剥离-粘贴法在光纤端 面制作金属微纳米结构的方法，所述方法至少包括以下步骤： 1 )提供基底及光纤， 于所述基底表面制备金属微纳米结构； 2)于所述光纤的端面或所述金属微纳米结 构的表面涂敷粘合剂； 3 )使所述光纤与所述基底呈预设角度并通过所述粘合剂粘 合所述光纤端面及所述金属微纳米结构； ； 4)固化所述粘合剂， 并将所述光纤端 面与所述金属微纳米结构从所述基底表面进行剥离， 以完成制作。
在本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法，其特征 在于： 所述金属微纳米结构为相对于所述基底表面具有低结合力特性的金属微纳 米结构。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 所述基底为硅基底， 所述金属微纳米结构为金微纳米结构。
对于上述方案， 更进一步地， 所述金属微纳米结构为金纳米线槽阵列结构。 作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 步骤 3 ) 中所述的预设角度为 90°。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 实现所述光纤与基底呈 90°预设角度的方法为使光纤及光纤在基底 的镜像成一条直线。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 完成制作后的金属微纳米结构的平面与光纤之间的角度等于 90°预 设角度， 而非取决于制作前的光纤本身的端面与光纤之间的角度。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 所述粘合剂为环氧树脂， 固化温度为 120~240°C， 固化时间为 l~10min。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 所述的光纤的前部为裸光纤。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 所述光纤的前部为从光纤端面开始 0.1mm以内的光纤长度。
作为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法的一 个优选方案， 所述的裸光纤为芯径不大于 15微米的单模裸光纤。
如上所述， 本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方 法， 具有以下有益效果： 于基底上制作与之结合力较低的金属微纳米结构， 于光 纤端面涂敷粘合剂或于所述金属微纳米结构表面涂敷粘合剂， 并以预设角度粘合 所述光纤端面及所述金属微纳米结构， 最后固化所述粘合剂并剥离所述光纤端面 及金属微纳米结构以完成制备。 本发明描述的方法避免了直接对光纤端面进行微 纳米加工所造成的加工流程的复杂化以及成本的提高。 在硅片上大规模、 自动化 地制作微纳米结构已经是成熟、 高效、 高质量的工艺， 本发明展示的方法只需在 此基础上进行简单快速的剥离和粘贴， 适于低成本、 高效率的生产。 同时还有如 下优点： 在光纤端面涂敷粘合剂可以弥补光纤端面原有的缺陷， 在体式显微镜下 将光纤与其镜像对齐的过程可以纠正涂敷粘合剂后的光纤端面与光纤之间的角度 到 90度， 剥离的方法给出非常平滑的金表面能够提高微纳米金器件本身的质量。 总之， 本发明展示的在光纤端面制作金属微纳米结构的方法拥有低成本， 高质量 以及简单快速的优点。 附图说明
图 1 显示为本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方 法实施过程示意图。
图 2 显示为本发明利用剥离 -粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法 的实施流程示意图。
图 3 显示为本发明利用剥离 -粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法 在光学显微镜下的在光纤端面制作的金纳米线槽阵列图。
图 4 显示为本发明利用剥离 -粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法 在电子显微镜下的在光纤端面制作的金纳米线槽阵列图。 元件标号说明
体视显微镜
五维位移台
夹具
硅基底
金微纳米结构
粘合剂
光纤
步骤 1 ) 〜步骤 4) 具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式， 本领域技术人员可由本说 明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外 不同的具体实施方式加以实施或应用， 本说明书中的各项细节也可以基于不同观 点与应用， 在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图 1〜图 4。 需要说明的是， 本实施例中所提供的图示仅以示意方式说 明本发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施 时的组件数目、 形状及尺寸绘制， 其实际实施时各组件的型态、 数量及比例可为 一种随意的改变， 且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例提供一种利用剥离-粘贴法在光纤 107 的端面制作金属微纳米结构 的方法， 所述方法至少包括以下步骤：
如图 1〜图 2所示， 首先进行步骤 1 ) S1， 提供基底及光纤 107， 于所述基底 表面制备预设的金属微纳米结构； 然后进行步骤 2) S2, 于所述光纤 107的端面 或所述金属微纳米结构的表面涂敷粘合剂 106; 接着进行步骤 3 ) S3， 使所述光 纤 107与所述基底呈预设角度并通过所述粘合剂 106粘合所述光纤 107的端面及 所述金属微纳米结构； 最后进行步骤 4) S4, 固化所述粘合剂 106， 并将所述光 纤 107的端面与所述金属微纳米结构从所述基底表面进行剥离， 以完成制作。
作为示例， 所述的光纤的前部为裸光纤。 具体地， 所述光纤的前部为从光纤 端面开始 0.1mm 以内的光纤长度。 在本实施例中， 所述的裸光纤为芯径不大于 15微米的单模裸光纤。
所述金属微纳米结构为相对于所述基底表面具有低结合力特性的金属微纳米 结构。 该特性有助于将所述金属微纳米结构从所述基底中剥离， 以保证金属微纳 米结构的完整性， 提高制作的良率。 在本实施例中， 所述基底为硅基底 104， 所 述金属微纳米结构为金微纳米结构 105。 在以具体的实施过程中， 所述金属微纳 米结构为金纳米线槽阵列结构。 所述步骤 3 ) 中， 所述的预设角度为 90°。 所述 粘合剂 106为环氧树脂， 固化温度为 120~240°C， 固化时间为 l~10min; 优选地， 所述固化温度为 180°C， 固化时间为 5min。 在具体的实施过程中， 首先用传统的微纳米加工工艺在硅晶圆片上制备金微 纳米结构 105，然后在光纤 107的端面涂敷粘合剂 106，用涂敷了粘合剂 106的光 纤 107的端面粘住硅基底 104上的金微纳米结构 105， 再将金微纳米结构 105从 硅基底 104剥离， 从而金微纳米结构 105被转移到光纤 107的端面。 实际使用中 也可以选择使用其它金属以及和所选择的金属具有弱表面结合力的基底。
具体流程为：首先用电子束蒸发在硅基底 104上沉积厚度为 15~50nm金薄膜， 然后在所述金薄膜上旋涂 50~200nm厚的 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)胶的 薄膜， 接着用电子束光刻的工艺在所述 PMMA薄膜上制备微纳米图形， 再用氩 离子束刻蚀的工艺把微纳米图形转移到所述金薄膜上制作金微纳米结构 105， 最 后用丙酮清洗以去除所述 PMMA薄膜。
然后用夹具 103将制作有金微纳米结构 105的硅基底 104以与水平面成一定 角度固定在体视显微镜 101的观察点上（有金微纳米结构 105的一面向上），此处 采用的角度为 60°。在光纤 107的端面沾取粘合剂 106的液滴。接着， 用夹具 103 将光纤 107固定， 并组装在一个固定的包括 x、 y、 z、 俯仰角及水平转角的五维 位移台 102之上， 利用五维位移台 102将光纤 107的端面靠近硅基底 104表面， 如图 1所示。 通过体视显微镜 101观察光纤 107以及光纤 107在硅基底 104里的 镜像， 调节光纤 107的转角使光纤 107与光纤 107的镜像成一条直线， 从而保证 光纤 107与硅基底 104表面垂直。将光纤 107的端面移动并对准金微纳米结构 105， 使光纤 107以垂直该硅基底 104表面的角度慢慢接近金微纳米结构 105直至观察 到粘合剂 106接触到金微纳米结构 105则停止移动光纤 107。
最后， 根据所使用的粘合剂 106的固化条件使其固化， 如果使用加热固化型 粘合剂 106， 则加热硅基底 104使胶固化； 如使用紫外固化胶， 则用紫外灯照射 使胶固化， 等等。 在本实施过程中， 采用的粘合剂 106 为环氧树脂 （Epoxy Technology公司生产的 EPO-TEK 330)， 固化的方式为热固化， 具体地， 将所述 环氧树脂加热到 120~240°C， 加热的时间为 l~10min， 在本实施例中加热温度为 180°C , 加热时间为 5min。 待粘合剂 106固化之后， 将光纤 107移开硅基底 104 表面， 完成硅基底 104上的金微纳米结构 105到光纤 107的端面的转移， 以完成 制备。
如图 3〜图 4所示， 通过本发明所描述的方法可以高质量地将硅片上制作的金 微纳米结构 105转移到光纤 107的端面。 在具体的实施过程中， 本发明成功地将 硅片上的周期为 800nm， 宽度为 50nm的金纳米线槽阵列结构转移到光纤 107的 端面上。
综上所述， 本发明的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方 法， 包括步骤： 先于基底上制作与之结合力较低的金属微纳米结构， 然后于光纤 端面涂敷粘合剂或于所述金属微纳米结构表面涂敷粘合剂， 接着以预设角度粘合 所述光纤端面及所述金属微纳米结构， 最后固化所述粘合剂并剥离所述光纤端面 及金属微纳米结构以完成制备。 本发明描述的方法避免了直接对光纤端面进行微 纳米加工所造成的加工流程的复杂化以及成本的提高。 在硅片上大规模、 自动化 地制作微纳米结构已经是成熟、 高效、 高质量的工艺， 本发明展示的方法只需在 此基础上进行简单快速的剥离和粘贴， 适于低成本、 高效率的生产。 同时还有如 下优点： 在光纤端面涂敷粘合剂可以弥补光纤端面原有的缺陷， 在体式显微镜下 将光纤与其镜像对齐的过程可以纠正涂敷粘合剂后的光纤端面与光纤之间的角度 到 90度， 剥离的方法给出非常平滑的金表面能够提高微纳米金器件本身的质量。 总之， 本发明展示的在光纤端面制作金属微纳米结构的方法拥有低成本， 高质量 以及简单快速的优点。 所以， 本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度 产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。 任 何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行修 饰或改变。 因此， 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的 精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵

Claims (1)

  1. 权利要求书 、 一种利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征在于， 所述方法至 少包括以下步骤：
    a) 提供基底及光纤， 于所述基底表面制备金属微纳米结构；
    b) 于所述光纤端面或所述金属微纳米结构的表面涂敷粘合剂；
    c) 使所述光纤与所述基底呈预设角度并通过所述粘合剂粘合所述光纤端面及所述金属 微纳米结构；
    d) 固化所述粘合剂， 并将所述光纤端面与所述金属微纳米结构从所述基底表面进行剥 离， 以完成制作。 、 根据权利要求 1所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 所述金属微纳米结构为相对于所述基底表面具有低结合力特性的金属微纳米结 构。 、 根据权利要求 1所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 所述基底为硅基底。 、 根据权利要求 3所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 所述金属微纳米结构为金微纳米结构。 、 根据权利要求 4所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 所述金属微纳米结构为金纳米线槽阵列结构。 、 根据权利要求 1所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 步骤 3 ) 中所述的预设角度为 90°。 、 根据权利要求 6所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 实现所述光纤与基底呈 90°预设角度的方法为使光纤及光纤在基底的镜像成一条直 线。 、 根据权利要求 6所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 完成制作后的金属微纳米结构的平面与光纤之间的角度等于 90°预设角度， 而非取 决于制作前的光纤本身的端面与光纤之间的角度。 、 根据权利要求 1所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征 在于： 所述粘合剂为环氧树脂， 固化温度为 120~240°C， 固化时间为 l~10min。 、 根据权利要求 1所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其 特征在于： 所述的光纤的前部为裸光纤。 1、 根据权利要求 10所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征在于： 所述光纤的前部为从光纤端面开始 0.1mm以内的光纤长度。 、 根据权利要求 10所述的利用剥离-粘贴法在光纤端面制作金属微纳米结构的方法， 其特征在于： 所述的裸光纤为芯径不大于 15微米的单模裸光纤。
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