CN110016720B - 一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种内部球形缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法。包括：S1、在硅基光子晶体表面蚀刻规则排列的阵列微孔；S2、将蚀刻后的硅基光子晶体置于超声耦合高温成型装置，所述超声耦合高温成型装置包括高温加热器及其外部布设的超声波换能器；S3、调节超声波换能器产生的超声驻波的频率和功率，通过热‑声耦合作用成型得到内部缺陷规则排列的硅基三维光子晶体。本发明针对恒温环境下硅基光子晶体内部空腔的成型常存在形状不定和位置偏移等问题，引入超声驻波来定位内部缺陷结构成型的位置，从而实现硅基内部产生周期性规则排列的空腔结构，为高Q值的硅基三维光子晶体内部腔体位置的调控提供新的思路。

Description

一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法
技术领域
本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种内部球形缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法。
背景技术
近年来，利用声辐射力分离悬浮颗粒已经在医疗和生命科学领域中取得了重大进展。国外有的课题组成功利用了超声微芯片技术来聚焦和操纵生物细胞；也有某课题组利用声悬浮技术使不同直径大小的粒子在不同声辐射力的作用下，在通道内先完成不同梯度的汇聚，最终在出口处实现定向的分离；更有甚者，采用一维阵列超声相控阵技术，在阵列超声换能器和反射板之间形成驻波，使处于悬浮状态的粒子向横向驻波节点处移动，通过控制超声换能器的激发顺序，实现了微粒在反射板和超声波阵列换能器之间进行移动。然而，采用声场来控制微粒运动的技术已经十分成熟，但是将声场应用在固体材料内部来控制结构成型的实验目前却相当少。随着现代计算机技术的飞速发展和微纳加工技术的进一步提高，对硅基三维光子晶体的研究可望得到进一步发展。在高温热处理条件下，硅基内部理论上可以自组装出离散的、规则排列的空腔及缺陷结构；但是在实践中，空腔的成型常存在形状不定和位置偏移等问题。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种内部球形缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
S1、在硅基光子晶体表面蚀刻规则排列的阵列微孔；
S2、将蚀刻后的硅基光子晶体置于超声耦合高温成型装置，所述超声耦合高温成型装置包括高温加热器及其外部布设的超声波换能器；
S3、调节超声波换能器产生的超声驻波的频率和功率，通过热-声耦合作用成型得到内部缺陷规则排列的硅基三维光子晶体。
作为优选方案，所述阵列微孔的尺寸参数包括孔径D、孔高H和孔距Ds，且满足以下条件：10＜H/D＜20，Ds＝5D。
作为优选方案，所述超声波换能器的布置满足以下条件：
根据硅基光子晶体内部缺陷的数量及排列位置，以确定超声换能器的数量及排列方式。
作为优选方案，所述内部缺陷为球形缺陷结构。
作为优选方案，所述超声驻波的波长为球形缺陷结构的空腔中心间的距离的整数倍，以使超声驻波作用节点位于球形缺陷结构的中心。
作为优选方案，所述高温加热器产生的温度为1150℃。
作为优选方案，所述超声驻波的频率为30KHz，功率为300W。
作为优选方案，调节阵列微孔的尺寸参数，以得到不同缺陷结构规则排列的硅基三维光子晶体。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明针对恒温环境下硅基光子晶体内部空腔的成型常存在形状不定和位置偏移等问题，引入超声驻波来定位内部缺陷结构成型的位置，从而实现硅基内部产生周期性规则排列的空腔结构，为高Q值的硅基三维光子晶体内部腔体位置的调控提供新的方案。
另外，本发明制造内部缺陷规则排列的硅基三维光子晶体的方法简易，绿色无污染，且加工制造容易控制，加工制造的柔性较大。
附图说明
图1是本发明实施例一的硅基光子晶体(其表面蚀刻规则排列的二维阵列微孔)的结构示意图；
图2是本发明实施例一的超声波换能器沿硅基光子晶体外部布置的示意图；
图3是本发明实施例一的超声耦合温度场对硅基光子晶体的内部结构位置调控示意图；
图4为本发明实施例一的有、无超声作用对硅基三维光子晶体的成型对比示意图；
图5为本发明实施例二的内部为特殊缺陷的硅基三维光子晶体形成示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图，并获得其他的实施方式。
实施例一：
本实施例的内部球形缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，具体包括以下步骤：
首先，对长方体结构的硅基光子晶体进行离子刻蚀的技术操作；具体地，将硅基光子晶体放置在离子刻蚀机上，按照如图1所示的圆柱孔深度H、圆柱孔的直径D和圆柱孔之间的距离Ds等参数进行刻蚀操作，从而得到硅基光子晶体表面蚀刻有规则排列的阵列微孔。其中，阵列微孔的尺寸参数，即上述的孔径D、孔高H、孔距Ds，需满足：10<H/D<20、Ds＝5D。另外，在进行离子刻蚀技术时，刻蚀的每一个圆柱孔的尺寸要保持一致且在光子晶体表面均匀分布，以便使得最终形成的内部球形缺陷将更加的规则。
其次，搭建超声耦合高温成型装置，即高温耦合超声波装置，包括高温加热器及沿高温加热器外部布置的超声波换能器。高温加热器的温度设置为1150℃；将表面刻有二维阵列圆柱孔的硅基光子晶体放在高温耦合超声波装置中，即放置在高温加热环境中；另外，根据光子晶体内部缺陷结构的数量及排列位置，来确定超声波换能器的数量及排列方式，即超声阵列，如图2所示。其中，调节超声驻波的波长为球形空腔中心间的距离的整数倍，即波长与球形空腔中心间的距离(或者孔深)的关系：H＝λ；使得超声驻波作用节点位于指定的位置，且该位置为成型的球形缺陷结构的中心；本发明实施例超声波的驻波节点位于圆柱孔的1/4中心位置，并调节超声波的频率和功率来控制声辐射力大小；高温产生的表面力以及超声波产生的辐射力将迫使硅原子发生迁移运动，如图3所示，在表面力以及声辐射力的耦合作用下，表面的阵列圆柱孔将会发生形变。随着作用时间的增长，圆柱孔会逐渐的成型出体积一样的球形缺陷，且周期性规则排列。对比于未设置超声波换能器的光子晶体内部缺陷形成结果，如图4所示，很明显，本发明实施例解决了现有成型存在形状不定和位置偏移等问题。
本实施例的超声驻波的频率f＝30KHz，超声驻波功率P＝300W。
本实施例通过引入超声驻波来定位内部缺陷结构成型的位置，从而实现硅基内部产生周期性规则排列的空腔结构。
实施例二：
本实施例的内部球形缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法与实施例一的不同之处在于：
若调节实施例一中的圆柱孔的参数，即上述的圆柱孔深度H、孔的直径D和孔距Ds。将上述的参数变小，在离子刻蚀时，减小圆柱孔的最大高度H，减小其中某两个圆柱孔的直径及其之间的距离Ds，但是在高温耦合超声波装置中，不改变其操作参数，即光子晶体内部圆柱孔受到的表面力以及声辐射力都没发生变化；最终形成的是内部特殊缺陷的三维光子晶体，如图5所示。
故本实施例的制备方法，通过改变阵列微孔的尺寸参数，可以得到不同缺陷结构规则排列的硅基三维光子晶体；具体的缺陷结构可以根据实际所需进行相应的设计，适应性好。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在硅基光子晶体表面蚀刻规则排列的阵列微孔；
S2、将蚀刻后的硅基光子晶体置于超声耦合高温成型装置，所述超声耦合高温成型装置包括高温加热器及其外部布设的超声波换能器；
S3、调节超声波换能器产生的超声驻波的频率和功率，通过热-声耦合作用成型得到内部缺陷规则排列的硅基三维光子晶体；
其中，所述高温加热器产生的温度为1150℃，所述超声驻波的频率为30KHz，功率为300W。
2.根据权利要求1所述的一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，其特征在于，所述阵列微孔的尺寸参数包括孔径D、孔高H和孔距Ds，且满足以下条件：10＜H/D＜20，Ds＝5D。
3.根据权利要求1所述的一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，其特征在于，所述超声波换能器的布置满足以下条件：
根据硅基光子晶体内部缺陷的数量及排列位置，以确定超声换能器的数量及排列方式。
4.根据权利要求1所述的一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，其特征在于，所述内部缺陷为球形缺陷结构。
5.根据权利要求4所述的一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，其特征在于，所述超声驻波的波长为球形缺陷结构的空腔中心间的距离的整数倍，以使超声驻波作用节点位于球形缺陷结构的中心。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种内部缺陷规则排列的三维光子晶体的制备方法，其特征在于，调节阵列微孔的尺寸参数，以得到不同缺陷结构规则排列的硅基三维光子晶体。
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