CN111001939A - 一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，属于纳米结构制备技术领域。本发明包括七个步骤：(1)将清洗后的基底样品做亲水处理后清洗吹干；(2)将纳米粒子溶入不同比例的去离子水和柠檬酸钠的混合溶液，利用搅拌器搅拌均匀；(3)将溶液液体滴在预加工样品表面；(4)利用转盘旋转样品，改变旋涂参数，旋涂金属粒子于样品表面并形成不同厚度的溶液沉积薄膜；(5)把样品置于电阻炉干燥；(6)利用飞秒激光垂直照射制备好的具有纳米颗粒和沉积薄膜的靶材；(7)改变激光参数，实现制备多种纳米加工图案。本发明的方法可以加工出复杂纳米结构，操作简单易行，可大量生产，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米结构制备技术领域，特别是涉及一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法。
背景技术
近年来金属纳米结构在入射光场的激发下，在其与基底接触点附近产生的局域近电场增强受到广泛关注。金属纳米粒子与基底耦合产生的增强近场可以使得金属纳米结构下的基底发生熔融或者烧蚀，进而导致永久形变。因此以适当能量密度的入射光场辐照可以实现超衍射极限的纳米加工。这一加工方法在微纳米加工领域有着广泛应用，满足现代光电设备微型化对高精度加工的要求。
基于金属纳米粒子近场增强效应的纳米孔加工，激发光源的选择是以飞秒激光为主。这是因为飞秒激光相对皮秒激光或者长脉冲激光有着更低的烧蚀阈值，且能快速实现能量的高效精准累积，减少热缺陷。现有对纳米孔形状和尺度进行调控的研究主要集中于以下三个方面：1、改变飞秒激光参数，比如改变飞秒激光能量密度、偏振态、波长和入射角度等；2、从纳米粒子入手，改变纳米粒子的尺寸和排列方式；3、更换不同的基底材料使其与粒子的近场增强效应实现最佳耦合。但以上研究产生的纳米孔形状过于单一，主要为椭圆形和圆形，不利于纳米加工的工业化推广，因此急需一种实现纳米孔多维调控的加工方法。本实验组通过改变金纳米粒子周围的介电环境，在金纳米粒子周围引入薄介电层，对硅基底内部的近场分布进行调控，并选择适当的飞秒激光通量对其进行激发，应用这一物理过程，产生了蝴蝶状纳米结构和双环状纳米结构。
发明内容
本发明针对以往金属纳米粒子辅助飞秒激光在基底表面加工的纳米结构形状单一的不足，提出了一种改变金属纳米粒子周围介电环境，实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法。在基底表面孤立排列的金属纳米粒子周围填充薄介电层，影响飞秒激光在基底表面的电场分布，进而在基底表面烧蚀出区别于传统的椭圆形或圆形的超衍射极限纳米尺度结构。这种方法实现了金属纳米粒子辅助飞秒激光超衍射极限加工形貌的多样化。
本发明采取的技术方案：
(1)将清洗后的基底样品做亲水处理后清洗吹干；
(2)将纳米粒子溶入不同比例的去离子水和柠檬酸钠的混合溶液，利用搅拌器搅拌均匀；
(3)将溶液液体滴在预加工样品表面；
(4)利用转盘旋转样品，改变旋涂参数，旋涂金属粒子于样品表面并形成不同厚度的溶液沉积薄膜；
(5)把样品置于电阻炉干燥；
(6)利用飞秒激光垂直照射制备好的具有纳米颗粒和沉积薄膜的靶材；
(7)改变激光参数，实现制备多种纳米加工图案；
所述基底材料为硅、玻璃和金属等。
所述粒子的材料为金银等金属粒子，几何结构为粒子体，直径尺寸为100-1000nm之间，排列方式为孤立排布或紧密阵列排布。
所述旋涂参数包括：旋涂加速度(100r/min-5000r/min)，旋涂加速时间(5s-180s)，旋涂速度(500r/min-30000r/min)和旋涂时间(30s-1800s)。
所述激光参数包括：激光能量密度、激光偏振态、激光波长、激光入射角度、脉冲数。
所述辐照用激光为飞秒激光，辐照脉冲数为1发。其参数为：中心波长为400nm-1064nm等，线偏振或圆偏振态，脉宽在35fs-1ps间，激光入射角度(样品与入射激光相对角度)为15°-90°之间。
本发明的优点在于：相比于仅在基底表面排布孤立的金纳米粒子仅能在基底表面加工出椭圆形或圆形的纳米结构，在粒子周围添加薄介电层并以适当能量密度的飞秒激光激发可以实现更复杂的纳米结构加工。
附图说明
图1为本发明用于实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法流程图；
图2是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助线偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为25.4mJ/cm2。
图3是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助线偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为40.7mJ/cm2。
图4是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助线偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为61.1mJ/cm2。
图5是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助线偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为66.2mJ/cm2。
图6是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助圆偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为30.5mJ/cm2。
图7是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助圆偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为45.8mJ/cm2。
图8是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助圆偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为56.0mJ/cm2。
图9是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助圆偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为66.2mJ/cm2。
图10是带有介电层的金纳米粒子(直径为200nm)辅助圆偏振飞秒激光(波长为800nm)纳米孔加工的SEM图像，激光能量密度为81.5mJ/cm2。
具体实施方式
具体实施方式一：
图1为本发明用于实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法流程图。
将硅片切割成1*1cm2的正方形，依次放入丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟。将清洗过的硅片放入浓硫酸和双氧水比例为7:3的混合溶液中(皮哈拉洗液)，将溶液加热至80℃，然后保持恒温加热1小时，冷却1小时，取出硅片放入去离子水中超声清洗5分钟后，用氮气将表面吹干，亲水化处理完成。
将浓度5％的，粒子直径为200nm的金纳米粒子溶液(溶剂为去离子水)与柠檬酸钠以1:4的比例混合制作混合溶液，利用磁力搅拌器搅拌均匀
将亲水化处理后的硅片置于EZ4高精密匀胶机中，用移液器取10μL混合溶液滴于放置好的硅片表面，将溶液在硅基底表面均匀摊开。
设置匀胶机旋涂参数，旋涂加速度为500r/s，加速时间为10s，恒定转速为5000r/s，旋涂时间为60s。开始旋涂。
取出旋涂好的样品放置于电阻炉中进行干燥处理，电阻炉温度设置为60℃，干燥时间为30min。
波长800nm的线偏振飞秒激光垂直辐照靶材，脉冲个数为1。激光通量为25.4mJ/cm2时，加工效果如图2所示；激光通量为40.7mJ/cm2时，加工效果如图3所示；激光通量为61.1mJ/cm2时，加工效果如图4所示；激光通量为66.2mJ/cm2时，加工效果如图5所示；
具体实施方式二：
本方案与方式一的区别在于将飞秒激光的偏振状态改变为圆偏振。激光通量为30.57mJ/cm2时，加工效果如图6所示；激光通量为45.8mJ/cm2时，加工效果如图7所示；激光通量为56.05mJ/cm2时，加工效果如图8所示；激光通量为66.2mJ/cm2时，加工效果如图9所示；激光通量为81.5mJ/cm2时，加工效果如图10所示。
Claims (6)
1.一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，其特征在于，包括：
将清洗后的硅片置于皮哈拉洗液中浸泡，做亲水处理后清洗吹干；
将纳米粒子溶入去离子水和柠檬酸钠的混合溶液，利用搅拌器搅拌均匀；
将溶液液体滴在预加工样品表面；
利用转盘旋转样品，改变柠檬酸钠填入量和旋涂参数，旋涂金属粒子于样品表面并形成溶液沉积薄膜；
把样品置于电阻炉干燥；
利用飞秒激光垂直照射制备好的具有纳米颗粒和沉积薄膜的靶材；
改变激光参数和所述薄膜参数，实现制备多种纳米加工图案。
2.根据权利要求1所述的一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，其特征在于，所述的纳米粒子包括：金、银等金属粒子。
3.根据权利要求1所述的一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，其特征在于，所述的滴液量和所述的旋涂参数：旋涂加速度、加速时间、旋涂速度和旋涂时间。
4.根据权利要求1所述的一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，其特征在于，所述的样品包括：硅、玻璃和金属等。
5.根据权利要求1所述的一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，其特征在于，所述的柠檬酸钠是形成干燥后的沉积薄膜的主要成分，引入旋涂粒子周围新的介电环境，从而改善加工效果。
6.根据权利要求1所述的一种可实现多种飞秒激光纳米加工图案的方法，其特征在于，所述的飞秒激光参数包括：飞秒激光脉冲能量密度、中心波长以及偏振。
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