CN109581559B - 一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，涉及光学器件领域，其包括多孔硅基底，以及多个光栅纳米结构单元。光栅纳米结构单元的形状均为四角双锥，一半埋于多孔硅基底内，一半暴露于多孔硅基底之外。该四角双锥形状的光栅纳米结构单元，能在空气和器件之间提供更加渐进的有效折射率分布，进而提高器件的光灵敏度、光能采集率等。一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其操作简单，对设备要求不高，可以及其方便地用于上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件领域，具体而言，涉及一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构及其制备方法。
背景技术
当今的光能利用与采集已经进入了一个快速发展的时期，其中更灵敏地采集光（光电探测器）、更多地采集光能（太阳能电池）等显得愈发重要。为了实现上述目标，减少光由于反射等的损耗，许多科学家着眼于仪器表面的宽波段抗反射(Antireflection, AR)性能以及大入射角(Angle of Incidence, AOI)下的表现，对于薄膜太阳能电池、光学示波器和光电探测器等各种器件这些性能更为重要。
作为一种传统方式，半波长AR涂层被广泛用于减少光学器件表面的反射。多层渐变折射率(Graded Index, GRIN)薄膜由于其阶梯形的渐变折射率分布，拥有较好的AR效应，进而成为研究者们的理想选择。然而，依据Wang等的研究，以前的解决方案有的被限制在狭窄的带宽范围内，有的遇到了在接近垂直的入射下才能高效工作的问题。但Bernard的科研成果显示，生物模拟纳米结构的宽波段抗反射效果对光的AOI不太敏感；所以，其具有克服这些问题的先天优势。这种纳米结构通常在表面附近有锥形的尖端，它不仅与多层薄膜共享 GRIN AR 效应，而且由于其为三维立体结构，在较大AOI下具有非凡的性能。因此，这些纳米结构被应用于光谱学，显示器，太阳能电池和感光检测。这种周期亚波长纳米结构，只要满足有效折射率随着深度的下降而缓慢变化的条件，便能在有效介质理论（Effective Media Theory, EMT）下制造出来。该设计标准简单，在 Chadha、Yalamanchili等人的研究中，其已经被深入开发和用于高转换效率太阳能电池的设计。
以前，具有金字塔（四方锥）锥度的纳米结构被广泛使用，因为硅纳米晶晶阵和倒金字塔阵列很容易实现并应用于太阳能电池和光电探测器等器件。然而，硅的各向异性蚀刻特性阻碍了几何形状的进一步改善，从而影响了金字塔光栅的AR效应。折射率从空气向基体材料的过渡应该变得更加渐进。基于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其四角双锥形状的光栅纳米结构单元，能在空气和器件之间提供更加渐进的有效折射率分布，进而提高器件的光灵敏度、光能采集率等。
本发明的另一目的在于提供一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其操作简单，对设备要求不高，可以及其方便地用于上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备。
本发明的实施例是这样实现的：
一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其包括多孔硅基底，以及多个光栅纳米结构单元；
多孔硅基底包括安装面，安装面上阵列设置有多个用于安装光栅纳米结构单元的孔穴，孔穴的形状为倒置的四角锥，四角锥的顶点朝向多孔硅基底的内部，底面位于安装面上；
光栅纳米结构单元的材质为聚二甲基硅氧烷；多个光栅纳米结构单元与多个孔穴一一对应，每个光栅纳米结构单元的形状均为四角双锥，其包括上锥体和下锥体，下锥体埋入孔穴中，上锥体暴露于多孔硅基底之外。
一种上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其包括：
将两个互为镜像的多孔硅基底的安装面抵接，使两个多孔硅基底的孔穴一一对应，形成多个四角双锥形的型腔；
在多个型腔中填充聚二甲基硅氧烷，成型得到多个光栅纳米结构单元；
剥离两个多孔硅基底中的任一个，得到双光栅纳米结构。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其包括多孔硅基底，以及多个光栅纳米结构单元。光栅纳米结构单元的形状均为四角双锥，一半埋于多孔硅基底内，一半暴露于多孔硅基底之外。该四角双锥形状的光栅纳米结构单元，能在空气和器件之间提供更加渐进的有效折射率分布，进而提高器件的光灵敏度、光能采集率等。
本发明还提供了一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其操作简单，对设备要求不高，可以及其方便地用于上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例所提供的双光栅纳米结构的示意图；
图2为本发明实施例所提供的双光栅纳米结构的多孔硅基板的示意图；
图3为本发明实施例所提供的双光栅纳米结构的制备流程示意图；
图4为本发明实施例所提供的双光栅纳米结构在制备过程中形成方形孔的示意图；
图5为本发明实施例所提供的双光栅纳米结构在制备过程中形成孔穴的示意图；
图6为本发明试验例1所提供的反射率的实验和模拟结果；
图7为本发明试验例2所提供的三维表面形貌图；其中，a图为多孔硅基底，b图为双光栅纳米结构；图中，上标尺为200 nm，下标尺为1000 nm。
图标：100-双光栅纳米结构；110-多孔硅基底；111-安装面；112-孔穴；120-光栅纳米结构单元；121-上锥体；122-下锥体；200-SiO2掩盖层；210-方形孔；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供了一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其包括多孔硅基底，以及多个光栅纳米结构单元；
多孔硅基底包括安装面，安装面上阵列设置有多个用于安装光栅纳米结构单元的孔穴，孔穴的形状为倒置的四角锥，四角锥的顶点朝向多孔硅基底的内部，底面位于安装面上；
光栅纳米结构单元的材质为聚二甲基硅氧烷；多个光栅纳米结构单元与多个孔穴一一对应，每个光栅纳米结构单元的形状均为四角双锥，其包括上锥体和下锥体，下锥体埋入孔穴中，上锥体暴露于多孔硅基底之外。
优选地，在本发明其它较佳实施例中，上述光栅纳米结构单元的高度为600~800nm，光栅纳米结构单元的底面为边长150~250 nm的正方形。
本发明实施例还提供了一种上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其包括：
在一个多孔硅基底的安装面上滴入聚二甲基硅氧烷，用另一个多孔硅基底进行覆盖，将两个多孔硅基底的孔穴对齐，成型得到多个所述光栅纳米结构单元；剥离两个多孔硅基底中的任一个，得到所述的四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构。
进一步地，成型得到多个光栅纳米结构单元的条件为，50~70℃下加热10~15 h。在上述条件下可以促进聚二甲基硅氧烷更好地成型，获得所需的形状。
进一步地，多孔硅基底可采用以下方法制备得到：
S1. 在硅基板的蚀刻面上沉积SiO2掩盖层，得到蚀刻样品；
S2. 采用光刻腐蚀在蚀刻样品的SiO2掩盖层上形成阵列分布的多个方形孔；
S3. 将光刻腐蚀后的蚀刻样品浸泡在四甲基氢氧化铵溶液中，由方形孔处对硅基板进行各向异性湿法蚀刻，以在硅基板的蚀刻面上形成多个四角锥形的孔穴；
S4. 将各向异性湿法蚀刻后的蚀刻样品表面残余的SiO2掩盖层去除，得到多孔硅基底。
其中，方形孔的边长为150~250 nm，间距为7~13 nm。四甲基氢氧化铵溶液由方形孔渗入，并对硅基板进行蚀刻，并在方形孔下方的硅基板上形成倒金字塔形状的孔穴。
进一步地，四甲基氢氧化铵溶液的浓度为20 wt%~30 wt%，蚀刻样品在四甲基氢氧化铵溶液中浸泡的时长为5~10 min。在上述浓度范围内，蚀刻的速率可控性高，利于精准得到所需的孔穴形状。
进一步地，在硅基板的蚀刻面上沉积SiO2掩盖层是采用等离子体增强化学气相沉积法进行的，其中，SiO2掩盖层的厚度为80~150 nm。
进一步地，对SiO2掩盖层进行光刻腐蚀的方法为：
S1. 在SiO2掩盖层表面涂布形成光刻胶层；
S2. 采用电子束光刻技术在光刻胶层上按照方形孔的位置刻画图案；
S3. 用电感耦合等离子体去除暴露的SiO2掩盖层；
S4. 用灰化器去除残余的光刻胶层。
其中，光刻胶层的厚度为150~250 nm。采用旋涂工艺进行涂布，涂布完成后在100~150℃下烘干5~15 min。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例
本实施例提供了一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构100，其结构如图1所示，其包括多孔硅基底110，以及多个光栅纳米结构单元120。
其中，多孔硅基底110包括安装面111，安装面111上阵列设置有多个用于安装光栅纳米结构单元120的孔穴112，孔穴112的形状为倒置的四角锥，四角锥的顶点朝向多孔硅基底的内部，底面位于安装面111上。该四角锥形的孔穴112的深度为700 nm，底面为边长200nm的正方形。
光栅纳米结构单元120的材质为聚二甲基硅氧烷。多个光栅纳米结构单元120与多个孔穴112一一对应，每个光栅纳米结构单元120的形状均为四角双锥，其包括上锥体121和下锥体122，下锥体122埋入孔穴112中，上锥体121暴露于多孔硅基底110之外。光栅纳米结构单元120的高度为700 nm，光栅纳米结构单元120的底面为边长200 nm的正方形。
上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构100的制备流程如图3所示，具体制备方法包括：
S1. 使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法将在干净的硅基板上沉积厚度为100 nm的SiO2掩盖层200。其中，PECVD的条件如下。
| SiH4 | N2O | N2 | P | HF | T |
| (sccm) | (sccm) | (sccm) | (mTorr) | (W) | (℃) |
| 5 | 710 | 70 | 750 | 20 | 350 |
S2. 采用ZEP520 电子束光刻胶，在SiO2掩盖层200表面旋涂形成厚度为200 nm的光刻胶层，并在120℃下烘焙10 min。
S3. 采用电子束光刻技术，在光刻胶层上按照方形孔的位置刻画图案。其中，刻画图案的曝光剂量为200。
S4. 用电感耦合等离子体去除暴露的SiO2掩盖层200，以在SiO2掩盖层200上形成方形孔210（如图4所示）。其中，方形孔210的边长为200 nm，相邻两个方形孔的间距为10nm。去除条件如下。
| Ar | CHF3 | time | P | SrcRFPower | BiasRFPower |
| (sccm) | (sccm) | (s) | (mTorr) | (W) | (W) |
| 60 | 60 | 360 | 8 | 80 | 20 |
S5. 用灰化器去除残余的光刻胶层。
S6. 将S5步骤得到的样品放入25 wt%的四基氢氧化铵溶液中，停留8 min，以对方形孔210下方的硅基底进行蚀刻，形成倒四方锥形的孔穴112（如图5所示）。蚀刻完成后，去除残余的SiO2掩盖层200，得到多孔硅基底110。
S7. 在上述多孔硅基底110的安装面111上滴入聚二甲基硅氧烷，用另一个多孔硅基底110进行覆盖，将两个多孔硅基底110的孔穴112对齐，在60℃下加热12 h成型。
S8. 剥离两个多孔硅基底110中的一个，得到所需的四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构100。
试验例1
采用实施例所提供的四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，用近红外显微光谱仪（USPM-RU-W, Olympus）进行反射率的测量，采用 380nm到1050nm的近正反射率，测得向上/向下/双金字塔方向的反射率。测试结果如图6所示。
由图6可以看出，在宽波长范围，模拟与测量的数据也保持了高度一致。不过 600nm 以下的实验和模拟结果之间存在一些不匹配；这是由于制造过程中造成的 PDMS/Si 界面的粗糙波动更易散射亚波长光。
试验例2
采用实施例所提供的四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，用三维测量激光显微镜（LEXT OLS4100, Olympus）获得双光栅纳米结构的三维表面形貌，即以 x、y 和 z 轴表示样品周期和高度的三维图像，测试结果如图7所示。由图7可以看出该双光栅纳米结构具有高度的完整性。
综上所述，本发明实施例提供了一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其包括多孔硅基底，以及多个光栅纳米结构单元。光栅纳米结构单元的形状均为四角双锥，一半埋于多孔硅基底内，一半暴露于多孔硅基底之外。该四角双锥形状的光栅纳米结构单元，能在空气和器件之间提供更加渐进的有效折射率分布，进而提高器件的光灵敏度、光能采集率等。
本发明还提供了一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其操作简单，对设备要求不高，可以及其方便地用于上述四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其特征在于，包括多孔硅基底，以及多个光栅纳米结构单元；
所述多孔硅基底包括安装面，所述安装面上阵列设置有多个用于安装所述光栅纳米结构单元的孔穴，所述孔穴的形状为倒置的四角锥，四角锥的顶点朝向所述多孔硅基底的内部，四角锥的底面位于所述安装面上；
所述光栅纳米结构单元的材质为聚二甲基硅氧烷；多个所述光栅纳米结构单元与多个所述孔穴一一对应，每个所述光栅纳米结构单元的形状均为四角双锥，其包括上锥体和下锥体，所述下锥体埋入所述孔穴中，所述上锥体暴露于所述多孔硅基底之外。
2.根据权利要求1所述的四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构，其特征在于，所述光栅纳米结构单元的高度为600~800 nm，所述光栅纳米结构单元的底面为边长150~250 nm的正方形。
3.一种如权利要求1~2任一项所述的四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构的制备方法，其特征在于，包括：
在一个多孔硅基底的安装面上滴入聚二甲基硅氧烷，用另一个多孔硅基底进行覆盖，将两个多孔硅基底的孔穴对齐，成型得到多个所述光栅纳米结构单元；
剥离两个多孔硅基底中的任一个，得到四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，成型得到多个所述光栅纳米结构单元的条件为，50~70℃下加热10~15 h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多孔硅基底的制备方法包括：
在硅基板的蚀刻面上沉积SiO2掩盖层，得到蚀刻样品；
采用光刻腐蚀在所述蚀刻样品的所述SiO2掩盖层上形成阵列分布的多个方形孔；
将光刻腐蚀后的所述蚀刻样品浸泡在四甲基氢氧化铵溶液中，由所述方形孔处对所述硅基板进行各向异性湿法蚀刻，以在所述硅基板的所述蚀刻面上形成多个四角锥形的孔穴；
将各向异性湿法蚀刻后的所述蚀刻样品表面残余的所述SiO2掩盖层去除，得到所述多孔硅基底。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述方形孔的边长为150~250 nm，间距为7~13 nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述四甲基氢氧化铵溶液的浓度为20wt%~30 wt%。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述蚀刻样品在所述四甲基氢氧化铵溶液中浸泡的时长为5~10 min。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述硅基板的蚀刻面上沉积SiO2掩盖层是采用等离子体增强化学气相沉积法。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述SiO2掩盖层的厚度为80~150 nm。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，对所述SiO2掩盖层进行光刻腐蚀的方法为：
在所述SiO2掩盖层表面涂布形成光刻胶层；
采用电子束光刻技术在所述光刻胶层上按照所述方形孔的位置刻画图案；
用电感耦合等离子体去除暴露的所述SiO2掩盖层；
用灰化器去除残余的所述光刻胶层。
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