CN110265793B - 一种三维纳米天线阵列的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维纳米天线阵列的制备方法，属于微米/纳米加工技术领域。该方法利用绘制的二维展开阵列图形及三维转换图形；先在悬浮薄膜上应用FIB刻蚀出纳米天线二维阵列结构；然后再应用FIB‑SID技术，根据三维转换图形使前述结构转换成三维阵列结构。本发明采用的FIB‑SID技术制备纳米天线阵列，工艺方法简单、稳定并且对材料的适用性好，可实现高效率大规模三维阵列结构加工，推进了大规模三维超材料器件化的研究和应用。

Description

一种三维纳米天线阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及微米/纳米加工技术以及纳米光子学领域，特别是涉及一种基于聚焦离子束(Focused ion beam,FIB)的三维纳米天线阵列的制备方法。
背景技术
近年来随着各类可控生长、自组装与微纳加工等新技术的迅速发展，一种通过人工方法制造的周期性阵列排布“超原子”——超材料——逐渐成为了研究者的关注和研究热点，通过设计和加工具备某些自然界中不存在的物理性质的特殊阵列结构，可实现特定的物理功能，如对电磁波产生特殊的响应等，从而在信息、生命、能源等多个领域带来广阔的应用。这些超材料的构成单元通常在微米至纳米尺度，尤其是三维超材料，对加工技术的要求较高，而超材料的性质可以通过阵列单元结构的参数，如形状、排布周期、材料性质等来调控，因此如何高效精确的控制和加工各种材料成为了超材料制备的关键。
常见的三维加工方法包括：自组装技术、激光直写技术、多层堆叠技术、纳米压印技术等。这些方法只能适用于特定的情况，且它们各自的缺点也都限制着三维超材料的光学应用和发展，而近年来新发展的聚焦离子束技术，即聚焦离子束应力引入致形变(Focused ion beam stress induced deformation,FIB-SID)，不但具有加工精度高、实时观测及原位加工等常规FIB技术的优势，还能够实现纳米结构操控、不同维度结构转换，其加工自由度高、结构多样性好、材料适用性好且易于与光电系统集成。该方法利用相互作用过程中引入的损伤与应力层，使得结构发生多样化形变，可用于加工多种三维微纳尺度的超材料。
然而，由于这种FIB-SID加工技术只能串行进行，加工效率很低，极大地增加了超材料的制备成本和时间，限制了超材料的研究和应用发展。因此，开发出基于FIB-SID技术的高效阵列化加工方法以制备超材料三维阵列结构具有极其重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对上述应用需求以及现有技术的不足，提出一种三维纳米天线阵列的制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：
一种三维纳米天线阵列的制备方法，其步骤包括：
(1)首先绘制出纳米天线阵列的二维展开图形，再根据阵列中纳米天线结构的形变部位绘制出若干个三维转换图形；
(2)利用二维展开图形，在悬浮薄膜上应用FIB刻蚀形成纳米天线二维阵列结构；
(3)在纳米天线二维阵列结构上，利用三维转换图形，应用FIB-SID技术轰击形变部位制备出纳米天线三维阵列结构。
上述步骤中，所述的悬浮薄膜可以是单层也可以是多层材料，薄膜厚度通常在10纳米至100微米，薄膜材料可以是金属(如金、银、铝、铜、钛等)、半导体(如硅等)、介质(如二氧化硅、氮化硅等)或其他任何能制成悬浮薄膜的材料。
上述步骤中，所述二维展开图形或三维转换图形是用绘图软件(包含加工仪器自带的软件或其他绘图软件)在FIB加工前预先绘制的，图片的格式与后续步骤所用FIB加工仪器所需格式相匹配，二维展开图形或三维转换图形依据加工需要和顺序分别呈现在FIB加工仪器的软件中，可以包含图片格式的转换和处理。其中二维展开图形是多个纳米天线单元组成的阵列图形，可以是周期性的阵列图形，也可以是非周期性的阵列图形。
纳米天线单元由于结构内部产生应力分布变化而使某些特定部位出现弯折变形，即结构发生可控应力致形变，三维转换图形是针对不同形变部位的一个或多个图形，可以根据三维转换图形的个数多次进行加工，最后得到所需要的三维阵列结构。
上述步骤中，所述FIB加工方法是指在一定的放大倍率和加速电压下，在悬浮薄膜上刻蚀一定时间得到对应的图形结构，刻蚀所用离子束可以是镓离子、氦离子、氖离子等，相同的阵列图形可以通过使用不同的放大倍率刻蚀得到不同尺寸大小的阵列结构。
所述FIB加工方法的加速电压范围在5-50keV，束流大小在0.1pA至1nA。FIB刻蚀的加工时间(离子束剂量)以确保材料被刻蚀穿透同时又不破坏结构为标准来设置。所述FIB-SID技术的加工时间(离子束剂量)应以能刚好实现所需形变角度的最小值来设置，最大程度地减小对材料和结构的损伤。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明采用FIB加工工艺制备三维纳米天线阵列，工艺方法简单、稳定并且对材料的适用性好，可实现对金属、介质、半导体等多种材料进行加工；相比于传统纳米天线三维阵列结构制备，本发明直接进行阵列化加工，可以得到大规模阵列结构，极大地提高了三维阵列结构的加工效率；
2、本发明的加工方法通过对放大倍率和加工参数的控制，使得阵列结构具有高度的一致性和可重复性，如图8-9所示，为三维超材料阵列的器件化研究和实际应用奠定坚实的基础。
附图说明
图1是实施例的二维展开阵列图形，由绘图软件绘制并保存为BMP格式，包含一个8×8的爪形二维展开图形单元阵列；
图2和图3是实施例的三维转换图形，同样由绘图软件绘制并保存为BMP格式，分别为形变所对应的不同部位；
图4是实施例中根据所导入二维展开图刻蚀加工得到的阵列结构电镜图；
图5是实施例中根据所导入图2所示三维转换图形，利用FIB-SID加工后得到的三维阵列结构电镜图；
图6是实施例中根据所导入图3所示三维转换图形，利用FIB-SID加工后得到的三维阵列结构电镜图；
图7是实施例得到的更大规模的三维阵列结构电镜图；
图8和图9是实施例中在加工图3三维转换图形时，设置两种不同的FIB加工参数控制应力致形变角度，得到的两种不同爪间距的纳米天线阵列结构，说明了FIB-SID阵列化加工工艺的精确控制能力；
图10是实施例中所加工的两种不同爪间距的大规模纳米天线阵列结构在2μm至10μm波段的红外反射光谱，光谱结果表明了两种超材料的反射率在较大的带宽范围内都受结构爪间距的调控。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
以下实施例是为了进一步详细描述本发明，所述实施例仅为示例性的，并不意欲将依据本发明制得的装置限定在本文所述材料、条件或者过程参数。
(1)在硅衬底上利用MEMS工艺制备悬浮薄膜，薄膜材料为上层100nm金，下层30nm氮化硅；
(2)利用绘图软件绘制出图1所示的二维展开阵列图形和图2、图3所示的三维转换图形；
(3)将步骤(2)所绘制的图形都转换成FIB仪器所需数据流格式并分别导入FIB加工软件中；
(4)根据步骤(3)所导入的二维展开阵列图形在制备好的悬浮薄膜上进行FIB加工，通过FIB设置一定的加工参数，对悬浮薄膜进行刻蚀，得到二维展开阵列图对应的阵列结构，如图4所示，这里FIB所设置的参数为：离子束加速电压为30kV，束流大小为30pA，束斑大小(半高宽)约为5nm，加工距离约为5μm，加工时间为165s。
(5)根据步骤(3)所导入的三维转换图形，在步骤(4)所加工的二维阵列结构上，利用FIB-SID工艺使阵列中的单元发生形变弯折，转换成型为图5、图6所示三维阵列结构。其中，加工图5所示结构时所用FIB-SID的参数为：离子束加速电压30kV，束流大小30pA，束斑大小(半高宽)约为5nm，加工距离约5μm，加工时间为12s，悬臂梁发生形变角度约为82°，另外，这里的加工时间若设置为8s,则悬臂梁发生形变的角度约为66.5°，图8和图9为这两种角度的加工结果对比电镜图；加工图6所示结构时所用FIB-SID的参数为：离子束加速电压30kV，束流大小30pA，束斑大小(半高宽)约为5nm，加工距离约为5μm，加工时间为13.5s，悬臂梁发生形变角度约为90°。
(6)在步骤(5)加工完的阵列结构附近依次重复步骤(4)、步骤(5)，得到更大规模的三维阵列结构，如图7所示。
其中，所述衬底可以是硅片、SOI片以及其他能在上面制备悬浮(薄膜)结构的材料；所述悬浮薄膜材料可以是其他单层或多层，可以是金属或介质；所述二维展开阵列图形及三维转换图形可以在任何合适的软件中绘制，格式也可依据FIB仪器所需进行调整，图形的绘制和导入可以都在FIB仪器的软件中进行或分别在不同的软件中进行；所述FIB加工参数设置包含但不限于加速电压、束流及束斑大小、加工时间、扫描方式等；所述多次重复以得到更大规模三维阵列结构的重复图形和间距可以保持相同也可以发生改变。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种三维纳米天线阵列的制备方法，其步骤包括：
(1)首先绘制出若干个纳米天线阵列的二维展开图形，所述二维展开图形是多个纳米天线单元组成的周期性或非周期性的阵列图形，再根据阵列中纳米天线结构的形变部位绘制出若干个三维转换图形；所述三维转换图形是针对不同形变部位的一个或多个图形；
(2)所述二维展开图形或三维转换图形依据加工需要和顺序分别呈现在FIB加工仪器的软件中，利用二维展开图形，在悬浮薄膜上应用FIB刻蚀形成纳米天线二维阵列结构；
(3)在纳米天线二维阵列结构上，利用三维转换图形，应用FIB-SID技术轰击形变部位制备出纳米天线三维阵列结构。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮薄膜是单层或多层材料，该悬浮薄膜厚度范围在10纳米至100微米之间。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮薄膜是金属、半导体或介质材料。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述FIB刻蚀或FIB-SID技术所用离子束是镓离子、氦离子或氖离子。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述FIB刻蚀或FIB-SID技术的加速电压范围在5-50keV。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述FIB刻蚀或FIB-SID技术的束流大小在0.1pA至1nA之间。
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