CN108398854A - 基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备方法，属于纳米光子器件技术领域。采用光学加工的微透镜阵列制备等离激元结构的技术，光束通过透镜阵列将二维光栅结构制备在ITO基底上，旋涂金纳米颗粒溶胶并经过高温退火工艺制备得到等离激元结构。微凸透镜阵列结构中周期和微透镜的尺寸可根据需要进行调节，进而使得制备的等离激元光子结构可调，通过调整微凸透镜阵列结构整个面积可制备不同面积的等离激元光子结构。

Description

基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备方法
技术领域
本发明属于纳米光子器件技术领域，通过光刻技术在光刻胶薄膜中制备微透镜阵列，单光束经其聚焦成像刻蚀得到二维光栅结构，通过溶液法以及退火工艺得到具有等离激元共振特性的结构。
背景技术
金属纳米结构具备丰富的光物理特性，其本质主要来自结构内部的表面等离激元和局域表面等离激元。这一光物理过程强烈依赖于金属材料的属性、纳米结构的尺寸和形貌以及外界环境的折射率，主要表现为能够突破传统光学衍射极限和具有极强的局域场增强特性。在生物、化学、材料、能源等领域具有一系列重要广泛的应用，同时，由于其限域于金属纳米结构的表面，使得表面等离激元在超分辨成像技术、突破衍射极限的光刻技术、高集成光信息处理技术方面具有独特的优势。现有的等离激元结构的制备方法存在着制备程序复杂且成本高、制备面积小，效率低等问题，并且大多限制在可见光区域。例如电子束光刻、聚焦离子束刻蚀、激光直写、纳米压印技术等。但是由于电子束扫描范围有限不适合制备大面积结构，成本高且费时。聚焦离子束刻蚀制备手段灵活可制备复杂结构，但是仍存在成本高，制备面积小的缺点。激光直写可大面积制备，然而缺点还是费时成本较高，且不能精确控制加工轮廓的深度。纳米压印技术其分辨率大大依赖于模板的精度。模板变形、存在残留胶、对准工艺的偏差都会大大影响制备的微纳结构的质量。我们利用微透镜阵列对光刻胶进行单光束光刻获得周期在微米量级且调制深度足够深的模板，通过溶液法获得具有可见-红外光谱响应的一阶和高阶共振的等离激元结构。通过测试其透射消光光谱分析其光物理过程。利用这些性质等离激元结构可以应用于表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收等方面。
发明内容
本发明提出一种采用光学加工的微透镜阵列制备等离激元结构的技术，光束通过透镜阵列将二维光栅结构制备在ITO基底上，旋涂金纳米颗粒溶胶并经过高温退火工艺制备得到等离激元结构。
等离激元结构的具体制备流程如图1所示，共包含以下四个步骤：
步骤(1)：微透镜阵列结构的制备；ITO玻璃作为基底，利用光刻法在其上制备微凸透镜阵列结构；
步骤(2)：在另一ITO玻璃上旋涂一层光刻胶，然后放在加热板上加热致密化，得到带有光刻胶层的ITO玻璃；
步骤(3)：二维光栅结构的制备，将步骤(1)的微凸透镜阵列结构和步骤(2)得到的带有光刻胶层的ITO置于基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备系统中，利用激光光源在步骤(2)的I TO玻璃上制备孔状的二维光栅结构；基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备系统包括依次序光路连接的如下设备：激光器(4)、激光扩束透镜组(5)、平凸透镜(6)、微凸透镜阵列结构(3)、带有光刻胶层的I TO(7)，激光扩束透镜组(5)依次为凹透镜和凸透镜管路连接组成；平凸透镜(6)的一面为平面，另一相对的面为凸面，凸面与激光扩束透镜组(5)的凸透镜相对光路连接；步骤(1)所得的微凸透镜阵列结构(3)的ITO玻璃基底与平凸透镜(6)的平面相对，步骤(2)所得带有光刻胶层的I TO玻璃的光刻胶层与微凸透镜阵列结构(3)ITO玻璃基底上的微透镜阵列相对；激光器发出的激光束经激光扩束透镜组(5)扩散成更大面积的平行激光光束，然后经平凸透镜(6)后扩散为更大面积的扩散激光光束，扩散激光光束可辐照更大面积的微凸透镜阵列结构(3)，经过微凸透镜阵列结构(3)的每个凸透镜聚光后在带有光刻胶层的ITO玻璃上刻蚀成孔洞；
步骤(4)：在步骤(3)得到的孔状的二维光栅结构上旋涂金纳米胶有机溶液，然后加热退火即可得到大面积的等离激元的结构。
上述制备流程中，步骤(1)中的微透镜阵列的制备方法可以是超精密金刚石切割、静电场表面处理、飞秒激光诱导双光子聚合技术，也可以是掩膜光刻法(见具体实施方案)。
本发明步骤(1)的微凸透镜阵列结构中周期和微透镜的尺寸可根据需要进行调节，进而使得制备的等离激元光子结构结构可调，通过调整微凸透镜阵列结构整个面积可制备不同面积的等离激元光子结构，本发明方法简单且精确可调。
本发明的优势特点
1)本发明提出的利用光学加工的微透镜阵列制备等离激元结构，其周期可控，改变掩膜板的周期可以制备周期在4μm-50μm的等离激元结构。
2)本发明提出的制备方法采用单光束曝光，制备参数易控制，所用的模板可以多次利用，保持同一制备参数，重复性良好。
3)本发明提出的制备方法可以实现结构的多样化，移动模板的位置进行多次曝光即可。
附图说明
图1实施例1等离激元结构制备技术示意图。第一步，一次曝光后将模板旋转900进行第二次曝光制备微透镜阵列；第二步，单光束光刻法制备孔状的二维光栅结构；第三步，旋涂金纳米颗粒溶胶经退火工艺制备得到等离激元结构。
图2微透镜阵列结构的三维形貌图。
图3为微透镜阵列结构的制备示意图。
图4紫外激光单光束光刻制备二维光栅结构的光路图。
图5二维光栅结构金属化过程示意图。
图6等离激元结构的电子扫描图像。
图中所标数字代表的光学器件依次为：1、紫外曝光机，2、掩膜板，3、微透镜阵列，4、激光器，5、激光扩束透镜组，6、平凸透镜，7、带有光刻胶层的ITO。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
(1)利用光刻法制备微透镜阵列结构。具体过程为：选取ITO玻璃作为基底，将其洗净烘干。以1500r/s的转速旋涂S1805光刻胶，然后将制备的样品放在加热板上在110℃下加热1分钟。将样品置于紫外曝光机上，以周期为10μm的光栅作为掩膜板，经垂直两次曝光显影后可刻蚀出周期性的二维光栅结构。由于其形状类似于半球结构，透镜的直径为4.9μm，顶点高度1.1μm，其三维形貌图像如图2所示。
(2)单光束光刻制备二维光栅结构。将光刻胶S1805以2000r/s的速度旋涂到ITO玻璃上，然后放在加热板上在110℃下加热1分钟。将制备的样品置于如图4所示的光路中，激光光源为343nm激光器。经过曝光显影后刻蚀出周期性的孔状结构，周期为10μm。
(3)在金属化过程中，将浓度为100mg/ml的二甲苯胶体金纳米颗粒旋涂到模板表面上。将样品放入马弗炉中，温度从室温升高到500℃，并保持约20分钟。然后在炉子关闭后，样品冷却至室温。制备得到等离激元的结构的电子扫描图像如图6所示。

Claims (4)

1.一种基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备方法，其特征在于，包含以下四个步骤：
步骤(1)：微透镜阵列结构的制备；ITO玻璃作为基底，利用光刻法在其上制备微凸透镜阵列结构；
步骤(2)：在另一ITO玻璃上旋涂一层光刻胶，然后放在加热板上加热致密化，得到带有光刻胶层的ITO玻璃；
步骤(3)：二维光栅结构的制备，将步骤(1)的微凸透镜阵列结构和步骤(2)得到的带有光刻胶层的ITO置于基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备系统中，利用激光光源在步骤(2)的ITO玻璃上制备孔状的二维光栅结构；基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备系统包括依次序光路连接的如下设备：激光器(4)、激光扩束透镜组(5)、平凸透镜(6)、微凸透镜阵列结构(3)、带有光刻胶层的ITO(7)，激光扩束透镜组(5)依次为凹透镜和凸透镜管路连接组成；平凸透镜(6)的一面为平面，另一相对的面为凸面，凸面与激光扩束透镜组(5)的凸透镜相对光路连接；步骤(1)所得的微凸透镜阵列结构(3)的ITO玻璃基底与平凸透镜(6)的平面相对，步骤(2)所得带有光刻胶层的ITO玻璃的光刻胶层与微凸透镜阵列结构(3)ITO玻璃基底上的微透镜阵列相对；激光器发出的激光束经激光扩束透镜组(5)扩散成更大面积的平行激光光束，然后经平凸透镜(6)后扩散为更大面积的扩散激光光束，扩散激光光束可辐照更大面积的微凸透镜阵列结构(3)，经过微凸透镜阵列结构(3)的每个凸透镜聚光后在带有光刻胶层的ITO玻璃上刻饰成孔洞；
步骤(4)：在步骤(3)得到的孔状的二维光栅结构上旋涂金纳米胶有机溶液，然后加热退火即可得到大面积的等离激元的结构。
2.按照权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备方法，其特征在于，步骤(1)中的微透镜阵列的制备方法为超精密金刚石切割、静电场表面处理、飞秒激光诱导双光子聚合技术，或是掩膜光刻法。
3.按照权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备方法，其特征在于，步骤(1)的微凸透镜阵列结构中周期和微透镜的尺寸可根据需要进行调节，进而使得制备的等离激元光子结构结构可调，通过调整微凸透镜阵列结构整个面积可制备不同面积的等离激元光子结构。
4.基于微透镜阵列的等离激元光子结构大面积制备系统，其特征在于，包括依次序光路连接的如下设备：激光器(4)、激光扩束透镜组(5)、平凸透镜(6)、微凸透镜阵列结构(3)、带有光刻胶层的ITO(7)，激光扩束透镜组(5)依次为凹透镜和凸透镜管路连接组成；平凸透镜(6)的一面为平面，另一相对的面为凸面，凸面与激光扩束透镜组(5)的凸透镜相对光路连接；步骤(1)所得的微凸透镜阵列结构(3)的ITO玻璃基底与平凸透镜(6)的平面相对，步骤(2)所得带有光刻胶层的ITO玻璃的光刻胶层与微凸透镜阵列结构(3)ITO玻璃基底上的微透镜阵列相对。
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