CN111003685A

CN111003685A - 一种宽光谱极低透射结构及其制备工艺

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Publication number: CN111003685A
Application number: CN201911275410.6A
Authority: CN
Inventors: 毛海央; 杨帅; 赵倩; 杨宇东; 陈大鹏
Original assignee: Wuxi Internet Of Things Innovation Center Co ltd
Current assignee: Jiangsu chuangxinhai Micro Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-14

Abstract

本发明公开了一种宽光谱极低透射结构和制备方法。本发明的宽光谱极低透射结构中包括基底，还包括在基底的至少一表面上直接成型的纳米森林结构，以及负载在纳米森林结构上的金属纳米颗粒；所述基底上只有一表面为纳米森林结构时，基底上与纳米森林结构相对的另一表面设置金属层。本发明结构同时具有稳定性高以及光吸收能力高的优点。

Description

一种宽光谱极低透射结构及其制备工艺

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种宽光谱极低透射结构及其制备工艺。

背景技术

宽光谱极低透射结构具有广泛的应用，通常的做法是采用一定的方法将石墨烯、碳纳米管、碳黑等宽谱高吸收材料设置在基底材料上，以实现整个装置的宽谱高吸收。但，这些材料与基底之间存在粘附性差，材料易掉落，尤其在力的作用下，材料极易从基底材料上剥离。即便采用特定的薄膜保护层包裹整层材料后，也有可能因为薄膜保护层的破损而造成整层材料被破坏。此外，薄膜保护层的使用还会影响到整体结构的光学特性。

在现有技术中，在不使用粘附性差的宽谱高吸收材料与基底材料结合的方式时，则通过对基底表面的结构优化进而提高宽谱高吸收性能。如CN107991768中公开的MEMS光学器件、光吸收纳米结构及其制备方法，该文献中记载有在基底表面附着与基底表面粘附性较好的聚合物层，采用聚合物层形成具有吸光性能的纳米森林结构，并在纳米森林结构上覆盖金属纳米颗粒，通过纳米森林结构的陷光效应和金属纳米颗粒的表面等离激元效应，进而实现宽光谱高吸收功能。但是，在该文献中，实现宽光谱高吸收功能的技术手段并不仅仅只是通过纳米森林结构的陷光效应和金属纳米颗粒的表面等离激元效应达到，其还需要在纳米森林结构与基底表面之间设置金属反射层和与平面介质层；通过金属反射层的光反射作用，金属反射层与平面介质层配合形成的光耦合作用，以及基底上同侧设置的金属纳米颗粒与金属反射层之间的共振效果，共同作用来提高光学器件的宽光谱高吸收功能，使吸光效果在较宽的光谱范围内达到90％左右，即，平均透射率可以降低到10％左右，如图10所示。但是，通过增加金属反射层和与平面介质层的方式，也导致了基底上会负载多层结构，多层结构与基底之间使用时间较长后也可能会存在结合力度不够，材料容易从基底上脱落的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：现有公开的宽光谱吸光结构不能同时兼顾高稳定性和宽光谱较低光透射率的问题；本发明提供了解决上述问题的一种宽光谱极低透射结构及其制备工艺。

一种宽光谱极低透射结构，包括基底，还包括在基底的至少一表面上直接成型的纳米森林结构，以及负载在纳米森林结构上的金属纳米颗粒；

所述基底上只有一表面为纳米森林结构时，基底上与纳米森林结构相对的另一表面设置金属层。

所述基底采用与半导体工艺常用衬底相同的材质，如硅、玻璃、石英、陶瓷、金属、碳化硅、氮化镓、蓝宝石等材质，或基底采用聚合物制成。

所述聚合物为聚酰亚胺、ABS、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚苯交联乙烯、聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷。

所述基底的一表面为纳米森林结构、另一表面为金属层时，该金属层的材质为银、铝、金、铜。

所述金属纳米颗粒的材质为金或银或铝。

纳米森林结构的高度大于1000nm。

一种宽光谱极低透射结构的制备工艺，包括：

采用等离子体轰击，或等离子体轰击与刻蚀方法结合在基底的相对两表面上形成纳米森林结构，然后再在纳米森林结构上附着金属纳米颗粒；

或者，只在基底的其中一个表面上采用等离子体轰击，或等离子体轰击与刻蚀方法结合形成纳米森林结构，在纳米森林结构上附着金属纳米颗粒，在该基底上与纳米森林结构相对的另一表面设置金属层。

所述金属纳米颗粒通过溅射或蒸发工艺负载在纳米森林结构上。

所述基底采用与半导体工艺常用衬底相同的材质，如硅、玻璃、石英、陶瓷、金属、碳化硅、氮化镓、蓝宝石等材质，或基底采用聚合物制成；

所述聚合物为聚酰亚胺、ABS、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚苯交联乙烯、聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷；所述金属纳米颗粒的材质为金或银或铝；

所述基底的一表面形成纳米森林结构、另一表面形成金属层时，该金属层的材质为银、铝、金、铜。

在等离子体轰击中，采用氧等离子体、氩等离子体、氮等离子体进行轰击，或者两两组合后的交替轰击处理；轰击流量为20-50sccm，压强为2-5Pa，轰击时间为40min以上；

在刻蚀方法中，刻蚀时间为60s～300s。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明为了解决层状之间结合力度不够的问题，需要在基底表面直接形成同质的纳米森林结构，但是该方式会导致无法在基底的相同表面负载镜面金属反射层和平面介质层，导致最终不具有光耦合作用和共振效果，对于本领域技术人员来说，该设置方式会提高透射效果，因此，直接在基底上形成同质的纳米森林结构的方式并不会被本领域技术人员所采纳。但是，实际上本发明克服了省略共振效果会提高透射率的技术偏见。通过直接在基底的两面同时形成同质的纳米森林结构，并在纳米森林结构上设置金属纳米颗粒的方式；或者，在基底的其中一个表面上形成同质的纳米森林结构，另一个表面上设置金属层，并在纳米森林结构上设置金属纳米颗粒；能够在不具有平面介质层与镜面金属反射层配合形成的光耦合作用，以及不具有单侧金属层与金属纳米颗粒共振作用的情况下，在提高结合力的同时依然能够具有相近似甚至更好的光吸收效果。具体的，纳米森林结构与金属纳米颗粒共同构成复合纳米结构；当基底两面均为复合纳米结构时，光先被正面的复合纳米结构吸收，未吸收完的光通过复合纳米结构的折射和反射等再次被其它的复合纳米结构吸收，未被吸收的光传入到基底中，被基底吸收，未被基底吸收的光则再次进入到背面的复合纳米结构中，通过背面复合纳米结构的折射、反射和散色作用，使光被背面的复合纳米结构再次吸收，极大地降低光透射率；当基底一面为复合纳米结构，另一面为金属层时，光从具有纳米森林结构的一侧表面进入本发明结构，光被复合纳米结构吸收后进入到基底，被基底吸收，未被基底吸收的光通过金属层反射回基底、复合纳米结构中，光再次被基底、复合纳米结构吸收，进而极大地降低了光透射率。由于本发明中的纳米森林结构与基底为一体式结构，并不容易出现脱落的问题，而且还具有优异的吸光性能，因此，本发明的结构在光吸收效果以及结构稳定性上均十分优异。

2.本发明进一步优化了基底的材质选择以及形成的纳米森林结构的高度，通过检测得知，当纳米森林结构的高度越高时，光吸收性能也越强，本发明中当纳米森林结构的高度达到1000nm以上时，结合本发明的结构的设置，可以将光透射率降低到5％以下，性能十分显著。

3.本发明中提供了能够获得本发明结构的制备方法，该方法相对现有方法而言，步骤更加简单，制备重复性更高。

4.本发明的工艺中，通过基底材质的优化，结合具体步骤中工艺的配合，可以制备出高度更高的纳米森林结构，如基底的材质为聚合物时，只需采用等离子体轰击的方式即可形成纳米森林结构，通过轰击时间的增加，即可有效获得高度更大的纳米森林结构；又如基底材质为硅时，采用等离子体轰击和刻蚀的方式同时处理，具体为：在基底表层涂覆一层光刻胶掩膜，先采用等离子体轰击使光刻胶掩模在基底上形成柱状的纳米掩模结构，然后采用刻蚀的方式对基底进行刻蚀，去除柱状的纳米掩模结构后即可形成纳米森林结构，当光刻胶掩模的厚度越大，等离子体轰击光刻胶掩模的时间越长，形成的柱状的纳米掩模结构的尺寸越大，进而使刻蚀后形成的纳米森林结构的高度越高。通过本发明工艺的优化设置，可以有效制备出高度更高的纳米森林结构，为制备得到吸光性能更高的宽光谱极低透射结构提供基础。

附图说明

为了更清楚地显示本发明的结构，本发明还提供以下附图。

图1为本发明实施例1的制备工艺流程示意图。

图2为本发明中实施例1的宽光谱极低透射结构的透射谱图。

图3为本发明实施例2的制备工艺流程示意图。

图4为本发明中实施例2的宽光谱极低透射结构的透射谱图。

图5为本发明实施例3的制备工艺流程示意图。

图6为本发明中实施例3中不同聚合物材质的基底的透射谱图。

图7为本发明实施例4不同高度的宽光谱极低透射结构的透射谱图。

图8为本发明实施例5的制备工艺流程示意图。

图9为对比文件CN 107991768A中公开的图14所示结构的光吸收谱图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

一种宽光谱极低透射结构，包括聚合物材质的基底，具体采用聚酰亚胺材质的基底，以及在基底的相对两表面上直接成型的纳米森林结构，以及负载在纳米森林结构上材质为Au的金属纳米颗粒。

上述宽光谱极低透射结构的制备工艺，如图1所示，具体如下：

首先，准备基底，基底的结构如图1中a所示；随后，对基底进行上表面氧等离子体轰击，其中，氧气流量为30sccm，压强为2.36Pa，功率为75W，轰击时间为90min。随后，进行氩等离子体轰击，其中，氩气流量为20sccm，压强为2.4Pa，功率为75W，轰击时间为60min。经过以上处理后，即可在基底的上表面形成纳米森林结构，随后，采用相同的工艺在基底的下表面形成纳米森林结构，如图1中b所示。

形成纳米森林结构后，再采用上下表面分别溅射的工艺将Au纳米颗粒附着在纳米森林结构上，如图1中c所示。溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为30nm的Au，溅射时间150s。

对本实施例制备获得的宽光谱极低透射结构进行光透过性能检测，检测获得的光谱如图2所示。在2.5um到25um波长范围内(即4000到400波数范围)，该结构的透射率均小于0.6％，且在绝大部分波长位置其透射率小于0.05％。

实施例2

一种宽光谱极低透射结构，包括硅材质的基底，在基底的其中一表面上直接成型的纳米森林结构，负载在纳米森林结构上材质为Ag的金属纳米颗粒,以及设置在基底上与纳米森林结构相对的另一表面上的金属层。

上述宽光谱极低透射结构的制备工艺如图3所示，先在基底一表面形成金属层后，再在基底的另一表面形成负载有金属纳米颗粒的纳米森林结构；或者先在基底的另一表面形成负载有金属纳米颗粒的纳米森林结构后，再在基底一表面形成金属层。其中，

在基底表面形成金属层的过程如下：

直接采用溅射工艺在基底表面形成金属层，溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为30-600nm，溅射的材质Ag，溅射时间为90-1800s。或者，直接采用一片金属片，通过粘接的方式粘接在基底表面即可。本实施例中采用金属溅射工艺，在基底的表面溅射Ag金属层，厚度为30nm，溅射时间100s。

在基底表面形成负载有金属纳米颗粒的纳米森林结构的过程如下：

在基底表面涂覆一层厚度为8-20um的光刻胶，如图3的a所示，烘干后对该光刻胶进行等离子体轰击，轰击流量为20-50sccm，压强为2-5Pa，轰击时间为40min以上。等离子体轰击可以采用氧等离子体、氩等离子体、氮等离子体进行轰击，或者两两组合后的交替轰击处理。本实施例中，光刻胶的厚度为10um，首先对基底进行氧等离子体轰击，其中，氧气流量为30sccm，压强为2.36Pa，功率为75W，轰击时间为60min。随后，进行氩等离子体轰击，其中，氩气流量为20sccm，压强为2.4Pa，功率为75W，轰击时间为40min。经过以上处理后，即可在基底的上表面形成柱状的纳米掩模结构。

等离子体轰击后基底表面的光刻胶形成柱状的纳米掩模结构，如图3的b所示，采用该柱状的纳米掩模结构为掩模，采用反应离子刻蚀方法对基底进行刻蚀,刻蚀时间为180s，刻蚀过程中采用氯气和溴化氢的混合气体作为反应气体，二者混合量分别为80sccm和40sccm，氦气作为保护气体，流量为8sccm,刻蚀后的结构如图3的c所示。刻蚀完成后，BOE去除柱状的纳米掩模结构，使用的BOE腐蚀液配比为7:1，即NH₄F与HF的体积比为7:1，操作温度为室温，时间为10s-80s,去除柱状的纳米掩模结构后的结构如图3的d所示,进而在基底上表面形成与衬底材料相同的硅基纳米森林结构。

最后，再采用溅射工艺将Ag纳米颗粒附着在纳米森林结构上，如图3的e所示。溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为20nm的Ag，溅射时间70s。

对本实施例制备获得的宽光谱极低透射结构进行光透过性能检测，检测获得的光谱如图4所示,从图4可知，在1000nm以下，该结构的透射率基本为零，在1000-2400nm波长范围内，透射率在2.5％以下。

实施例3

一种宽光谱极低透射结构，包括聚合物材质的基底，聚合物选择为PMMA或PTFE或PI或PS或PC，在基底的其中一表面上直接成型纳米森林结构，在纳米森林结构上负载材质为Au的金属纳米颗粒,以及设置在基底上与纳米森林结构相对的另一表面上的金属层。

上述宽光谱极低透射结构的制备工艺如图5所示，先在基底一表面形成金属层，之后，再在基底的另一表面形成负载有金属纳米颗粒的纳米森林结构；或者先在基底的另一表面形成负载有金属纳米颗粒的纳米森林结构后，再在基底一表面形成金属层。

本实施例的具体工艺如下：

先在基底一面溅射金属层，如图5的a和b所示，直接采用溅射工艺在基底表面形成金属层，溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为30-600nm，溅射的材质Au，溅射时间为140-2800s。或者，直接采用一片金属片，通过粘接的方式粘结在基底表面即可。本实施例中采用金属溅射工艺，在基底的表面溅射Au金属层，厚度为40nm，溅射时间185s。

然后直接在基底未溅射金属层的一面进行等离子体轰击，轰击流量为20-50sccm，压强为2-5Pa，功率为50-300W，轰击时间为40min以上。等离子体轰击可以采用氧等离子体、氩等离子体、氮等离子体进行轰击，或者两两组合后的交替轰击处理，如图5的c所示。

本实施例中采用以下具体工艺进行基底的处理：首先对基底未溅射金属层的一面进行氧等离子体轰击，其中，氧气流量为30sccm，压强为2.36Pa，功率为75W，轰击时间为60min。随后，进行氩等离子体轰击，其中，氩气流量为20sccm，压强为2.4Pa，功率为75W，轰击时间为30min。经过以上处理后，即可在基底未溅射金属层的一面形成纳米森林结构。

纳米森林结构形成后，再采用溅射工艺将Au纳米颗粒附着在纳米森林结构上即可，如图5的d所示。溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为15nm的Au，溅射时间75s。

对本实施例制备获得不同基底材料的宽光谱极低透射结构进行光透过性能检测，检测获得的光谱如图6所示。通过图6可知：在400nm到2400nm波长范围内，该结构的透射率均小于10％，且在绝大部分波长位置其透射率小于5％。

实施例4

一种宽光谱极低透射结构，本实施例的结构与实施例1相同，区别仅仅在于本实施例中采用的等离子体处理时间不同，金属纳米颗粒的溅射时间不同，本实施例中，采用4个PI基底，并分别对PI基底进行等离子体轰击处理。处理时，氧气或氩气的流量为20-50sccm，压强为2-5Pa，功率为50-300W，轰击时间为40min以上。更具体地，首先对基底上表面进行氧等离子体轰击，其中，氧气流量为30sccm，压强为2.36Pa，功率为75W，4个PI基底的轰击时间为分别为0、30、60和90min。随后，进行氩等离子体轰击，其中，氩气流量为20sccm，压强为2.4Pa，功率为75W，轰击时间为30min。经过以上处理后，即可在4个PI基底的上表面形成纳米森林结构。随后，采用相同的工艺在基底的下表面形成纳米森林结构。设置在基底双侧表面的纳米森林结构的高度分别为800nm、1.5um、2.5um和3.4um。

形成纳米森林结构后，再采用上下表面分别溅射的工艺将Au纳米颗粒附着在纳米森林结构上。溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为28nm的Au，溅射时间140s。

对本实施例制备获得的宽光谱极低透射结构进行光吸收性能检测，检测获得的光谱如图7所示。从图中可见，经本实施例处理后的4个PI基底，在400-2400nm波长范围内，其透射率均很低，在400-780nm波长范围内，随着纳米森林结构高度的增大，透射率基本呈降低趋势。

实施例5

一种宽光谱极低透射结构，包括基底，以及在基底的相对两表面上直接成型的纳米森林结构，以及负载在纳米森林结构上材质为Ag的金属纳米颗粒；本实施例中基底的材质为硅。

上述宽光谱极低透射结构的制备工艺，如图8所示，具体如下：

在基底两面同时涂覆一层厚度为8um的光刻胶，如图8的a所示，干燥后双面分别进行等离子体轰击，先采用氧气流量为30sccm，压强为2.36Pa，功率为75W，轰击时间为90min；随后，进行氩等离子体轰击，其中，氩气流量为20sccm，压强为2.4Pa，功率为75W，轰击时间为30min。

等离子体轰击后基底上下表面的光刻胶形成柱状的纳米掩模结构，如图8的b所示，采用该柱状的纳米掩模结构为掩模，采用反应离子刻蚀方法分别对基底的双面进行刻蚀，刻蚀时间各自为200s，刻蚀后如图8的c所示；刻蚀过程中采用氯气和溴化氢的混合气体作为反应气体，二者混合量分别为80sccm和40sccm，氦气作为保护气体，流量为8sccm。刻蚀完成后，BOE去除柱状的纳米掩模结构，去除柱状的纳米掩模结构后的结构如图8的d所示；使用的BOE腐蚀液配比为7:1，即NH₄F与HF的体积比为7:1，操作温度为室温，时间为50s。进而在基底上下表面分别形成与衬底材料相同的硅基纳米森林结构。

最后，再采用溅射工艺将Ag附着在纳米森林结构上即可，如图8的e所示。溅射工艺的具体参数：保持溅射腔体的真空度为0.5Pa，腔体温度在25-30℃范围内，溅射厚度为30nm的Ag，溅射时间90s。

对本实施例制备获得宽光谱极低透射结构进行光透过性能检测，检测得知：在400nm到2400nm波长范围内的透射率均小于10％。

实施例6

本实施例与实施例5的区别在于，本实施例中采用不同的基底进行制备，分别采用玻璃、石英、陶瓷、金属、碳化硅、氮化镓和蓝宝石分别作为基底制备宽光谱极低透射结构，除刻蚀步骤以外，其他制备步骤和参数均与实施例5相同，在刻蚀步骤中，本实施例与实施例5的区别仅仅在于：采用的是与基底相匹配的刻蚀气体，刻蚀气体的选择是本领域技术人员的常规技术手段，在此不再赘述，本实施例中刻蚀的时间均为250s。

对本实施例制备获得不同基底的宽光谱极低透射结构进行光透过性能检测，检测得知：在400nm到2400nm波长范围内的透射率均小于10％。

实施例7

本实施例与实施例3的区别仅仅在于，本实施例中在纳米森林结构上溅射材质为铝的金属纳米颗粒，本实施例中的金属层设置为厚度为25nm的铝。

对本实施例制备获得PMMA基底、PTFE基底、PI基底、PS基底以及PC基底的宽光谱极低透射结构进行光透过性能检测，检测得知：在400nm到2400nm波长范围内的透射率均小于5％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种宽光谱极低透射结构，包括基底，其特征在于，还包括在基底的至少一表面上直接成型的纳米森林结构，以及负载在纳米森林结构上的金属纳米颗粒；

2.根据权利要求1所述的一种宽光谱极低透射结构，其特征在于，所述基底的材质为硅、玻璃、石英、陶瓷、金属、碳化硅、氮化镓、蓝宝石或聚合物。

3.根据权利要求2所述的一种宽光谱极低透射结构，其特征在于，所述聚合物为聚酰亚胺、ABS、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚苯交联乙烯、聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种宽光谱极低透射结构，其特征在于，所述基底的一表面为纳米森林结构、另一表面为金属层时，该金属层的材质为银、铝、金、铜。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种宽光谱极低透射结构，其特征在于，所述金属纳米颗粒的材质为金或银或铝。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种宽光谱极低透射结构，其特征在于，纳米森林结构的高度大于1000nm。

7.一种宽光谱极低透射结构的制备工艺，其特征在于，包括：

采用等离子体轰击，或等离子体轰击与刻蚀方法相结合，在基底的相对两表面上形成纳米森林结构，然后再在纳米森林结构上附着金属纳米颗粒；

或者，只在基底的其中一个表面上采用等离子体轰击，或等离子体轰击与刻蚀方法相结合，形成纳米森林结构，在纳米森林结构上附着金属纳米颗粒，在该基底上与纳米森林结构相对的另一表面设置金属层。

8.根据权利要求7所述的一种宽光谱极低透射结构的制备工艺，其特征在于，所述金属纳米颗粒通过溅射或蒸发工艺负载在纳米森林结构上。

9.根据权利要求7或8所述的一种宽光谱极低透射结构的制备工艺，所述基底的材质为硅、玻璃、石英、陶瓷、金属、碳化硅、氮化镓、蓝宝石或聚合物；

10.根据权利要求6～9任一项所述的一种宽光谱极低透射结构的制备工艺，其特征在于，在等离子体轰击中，采用氧等离子体、氩等离子体、氮等离子体进行轰击，或者两两组合后的交替轰击处理；轰击流量为20-50sccm，压强为2-5Pa，轰击时间为40min以上；

在刻蚀方法中，刻蚀时间为60s～300s。