CN114137719B

CN114137719B - 一种偏转可控的纳米线微振镜及其驱动、制备方法

Info

Publication number: CN114137719B
Application number: CN202111454282.9A
Authority: CN
Inventors: 余林蔚; 严江; 张颖; 刘宗光; 王军转
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2041-12-01
Also published as: CN114137719A

Abstract

本发明公开了一种偏转可控的纳米线微振镜，包括一对导电电极、悬空于两导电电极之间的弛豫型导电纳米线以及固定在弛豫型纳米线中间的反射镜片。所述的弛豫型导电纳米线形貌包括但不限于三角形、U形、圆形以及多边形。本发明的纳米线微振镜的支撑结构由传统硅材料制成，具有优异的力学性能，可在撤销偏转力后恢复到原始形状，实现稳定应用。

Description

一种偏转可控的纳米线微振镜及其驱动、制备方法

技术领域

本发明涉及微纳机电系统，尤其涉及一种偏转可控的纳米线微振镜及制备方法。

背景技术

基于微纳机电系统(MEMS)的硅基微振镜是一类被广泛用于光纤通讯、投影显示、激光雷达等领域微的光学器件。目前，此类微振镜主要通过刻蚀方法制备，其结构主要为两端微米级宽度直线形悬臂连接中间圆形反射镜片。此方法可实现微振镜的批量化制备且可与成熟的硅工艺相兼容。

但本申请发明人发现上述技术至少存在如下技术问题：通过静电力驱动此结构的偏转需要克服较大的自身重量，因此驱动所需要的电压较大。此外，静电力驱动的微振镜只能实现简单的偏转操控，且偏转角度受限。

因此，亟需开发低能耗、大幅度、角度可任意调控偏转的微振镜。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种开发低能耗、大幅度、任意角度调控偏转的微振镜，同时本申请还涉及到该纳米线微振镜的制备方法。

本申请提供了一种偏转可控的纳米线微振镜，其特征在于：包括一对导电电极、悬空于两导电电极之间的弛豫型导电纳米线以及固定在弛豫型纳米线中间的反射镜片。

本发明进一步限定的技术方案为：所述的弛豫型导电纳米线形貌包括但不限于三角形、U形、圆形以及多边形。

进一步的，所述的导电纳米线的直径范围为20～200纳米，悬空长度为5～100微米。

本发明还保护了上述偏转可控的纳米线微振镜的驱动方法，包括如下步骤：

1)将所述纳米线微振镜置于恒定磁场中，并给两端导电电极通电，采用洛伦兹力驱动使纳米线微振镜受力发生偏转；

2)改变电压或电流和磁场的大小以实现不同的偏转角度，

3)改变所述恒定磁场的方向以控制纳米线微振镜的偏转方向。

本发明还保护了上述偏转可控的纳米线微振镜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，通过光刻和刻蚀在氧化硅片衬底表面形成预设的引导沟槽形状，之后通过光刻和沉积形成催化金属条带；置于PECVD中，氢等离子体处理去除催化金属表面氧化层并形成金属液滴，沉积非晶硅，并退火生长硅纳米线，氢等离子体处理去除未反应的固态非晶硅；

或者，第一步，通过离子注入，将绝缘体上硅(SOI)顶层硅表面进行重型掺杂，获得高导电性硅片；

或者，第一步，在顶层硅表面蒸发金属，退火使金属与顶层硅形成合金以获得高导电性硅片，之后去除未形成合金的金属；

第二步，在所述氧化硅片衬底样品表面蒸发可合金化的金属，退火使金属与硅纳米线形成合金以增加纳米线导电性，之后去除未形成合金的金属；

或者，第二步，在获得的所述高导电性硅片的顶层硅表面通过电子束光刻同时曝光出电极和弛豫型纳米线形状，之后刻蚀上层的硅以形成带有两端电极的纳米线结构；

第三步，通过光刻以及沉积技术制备阵列化微振镜的两端电极；

第四步，通过光刻技术在获得的纳米线结构的弛豫型纳米线中间位置处制备匹配形状的光刻胶，并进一步通过沉积技术在光刻胶上制备金属，以获得反射镜片；

第五步，将样品置于氢氟酸溶液环境中，去除纳米线底部的二氧化硅，以释放出振镜结构。

上述制备方法进一步限定的技术方案为：所述第二步中的所述的可合金化的金属包括但不限于镍、铝、钛、铜、铂。

作为优选，第一步中的所述重型掺杂包括n型和p型。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本发明的纳米线微振镜的支撑结构由传统硅材料制成，具有优异的力学性能，可在撤销偏转力后恢复到原始形状，实现稳定应用。

2、本发明相比于常规的微米级体硅，依靠仅在纳米线上受力即可驱动整个微振镜发生偏转，因此仅需要极小的驱动电压/电流。

3、纳米线结构具有更优异的直径和形貌可控性，可制备不同形状及偏转方式的微振镜器件，且依托于硅半导体产业、悬空纳米器件以及平面引导自组装生长等成熟的制备工艺，容易实现批量化生产。

4、由于此振镜基于一维高导电纳米线结构，仅需极低的洛伦兹力下即可使其偏转。此外，大驰豫型的纳米线形貌结合易于控制的电流和磁场的大小及方向，使获得的纳米线微振镜可实现连续可调的偏转，且可多种方向偏转。

附图说明

图1为本发明实施例一中纳米线微振镜的制备流程图；

图2为本发明实施例一中Ω形纳米线的扫描电镜图；

图3为本发明实施例一中获得的纳米线微振镜的效果图；

图4为本发明实施例一中获得的纳米线微振镜阵列的效果图；

图5为本发明实施例二中纳米线微振镜的制备流程图。

图6为本发明实施例一种纳米线微振镜驱动状态示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

本实施例提供一种制备可控偏转的纳米线微振镜，包括一对导电电极、悬空于两导电电极之上的具有Ω形状的导电纳米线以及固定在纳米线环上的反射镜片。

本实施例提供制备上述可控偏转的纳米线微振镜的方法，如图1中的图1a-图1i所示，具体步骤包括：

第一步、通过光刻和刻蚀在氧化硅片衬底表面形成具有Ω形状的引导沟槽，之后通过光刻和沉积形成催化金属条带；置于PECVD中，氢等离子体处理去除催化金属表面氧化层并形成金属液滴，沉积非晶硅，并退火批量生长硅纳米线，氢等离子体处理去除未反应的固态非晶硅，生长出的Ω形纳米线的扫描电镜图如图2所示。

第二步、样品表面蒸发金属镍，退火使金属镍与硅纳米线形成合金以增加纳米线导电性，之后去除未形成合金的金属镍。

第三步、通过光刻以及沉积技术制备阵列化微振镜的两端电极，，用于外接电路，间距为70μm。

第四步、通过光刻技术在获得的Ω形纳米线中间环状位置处制备环形的光刻胶，并进一步通过沉积技术在光刻胶上蒸发铝金属，以获得反射镜片；

第五步、将样品置于氢氟酸溶液环境中，去除纳米线底部的二氧化硅以释放出振镜结构，获得的纳米线微振镜的效果图如图3所示。最终可批量获得纳米线微振镜，如图4所示。

本实施例提供上述可控偏转的纳米线微振镜的驱动方法，如图6所示：包括：

1)将纳米线微振镜采用置于水平的恒定磁场(B_x＝0.4T)中，并给纳米线两端电极施加0.5V电压，使纳米线振镜受到垂直方向的洛伦兹力，Fz＝BxIL＝BLV/R，L为结构的长度，R为结构的电阻，并使其发生偏转；

2)改变电压(电流)和磁场的大小即可实现不同的偏转角度；

3)改变磁场的方向即可控制微振镜的偏转方向。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1)采用金属液滴催化面内硅纳米线引导生长方法制备微振镜骨架结构，对衬底的选择需求低，不需要昂贵的SOI衬底

2)硅纳米线在较低的温度下(<350℃)生长，可用于柔性衬底表面(如PI)制备纳米线骨架结构；进一步通过选择熔点更低的金属催化剂(如铟镓合金)可在PDMS和PET等柔性衬底表面生长纳米线；

3)具有纳米线形貌可编程式生长的突出优点，可根据不同的应用场景批量制备相同或不同形貌结构的纳米线结构；

4)相比于现有的刻蚀的体硅材料振镜具有低能耗、大振幅、角度可任意调控偏转的显著特点，且依托于成熟的微加工工艺及自组装制备技术，该纳米线微振镜可以进行批量生产，且成本低廉。

实施例二

本实施例提供的可控偏转的纳米线微振镜，基本结构和实施例一种相同，不同之处在于其制备方法，如图5中图5a-图5e所示，具体步骤包括：

第一步、通过电子束光刻在n型重掺杂的绝缘体上硅(SOI)顶层硅表面同时曝光出电极和Ω形状的弛豫型纳米线；

第二步、刻蚀上层的硅以形成Ω形状的纳米线结构；

第三步、通过光刻以及沉积技术制备阵列化微振镜的两端电极用于外接电路，间距为10μm。

第五步、将样品置于溶液环境中，去除纳米线底部的二氧化硅，以释放出振镜结构，并蒸镀金属获得镜面以及增加导电性。

1)采用刻蚀的方法制备驰豫型纳米线结构，纳米线形貌可根据不同的应用场景设计和制备相同或不同形貌结构的纳米线结构；

2)由于SOI顶层硅的晶格质量较高，通过刻蚀法获得的纳米线结构和性能稳定；

3)类似于实例1，相比于现有的刻蚀的体硅材料振镜技术，该方法获得的振镜具有低能耗、大振幅、角度可任意调控偏转的显著特点，且依托于成熟的硅工艺及自组装制备技术，该纳米线微振镜可以进行批量生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种偏转可控的纳米线微振镜驱动方法，其特征在于：所述纳米线微振镜，包括一对导电电极、悬空于两导电电极之间的弛豫型导电纳米线以及固定在弛豫型导电纳米线中间的反射镜片，所述的弛豫型导电纳米线的直径范围为20～200 纳米，悬空长度为5～100微米；其驱动方法包括如下步骤：

1）将所述纳米线微振镜置于恒定磁场中，并给两端导电电极通电，采用洛伦兹力驱动使纳米线微振镜受力发生偏转；

2）改变电压或电流和磁场的大小以实现不同的偏转角度，

3）改变所述恒定磁场的方向以控制纳米线微振镜的偏转方向。

2.根据权利要求1所述的偏转可控的纳米线微振镜驱动方法，其特征在于：所述的弛豫型导电纳米线形貌为三角形、U形、圆形或多边形。

3.一种偏转可控的纳米线微振镜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

或者，第一步，通过离子注入，将绝缘体上硅SOI衬底的顶层硅表面进行重型掺杂，获得高导电性硅片；

或者，第一步，在SOI衬底顶层硅表面蒸发金属，退火使金属与顶层硅形成合金以获得高导电性硅片，之后去除未形成合金的金属；

或者，第二步，在获得的所述高导电性硅片的顶层硅表面通过电子束光刻同时曝光出电极和弛豫型纳米线形状，之后刻蚀上层的硅以形成带有两端电极的弛豫型纳米线结构；所述弛豫型纳米线的直径范围为20～200 纳米，悬空长度为5～100微米；

第四步，通过光刻技术在获得的纳米线结构的弛豫型纳米线中间位置处制备匹配形状的光刻胶，并通过沉积技术在光刻胶上制备金属，以获得反射镜片；

第五步，将样品置于溶液环境中，去除纳米线底部的二氧化硅，以释放出振镜结构。

4.根据权利要求3所述的偏转可控的纳米线微振镜的制备方法，其特征在于：所述第二步中的所述的可合金化的金属为铝、钛、铜、铂中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的偏转可控的纳米线于镍微振镜的制备方法，其特征在于：第一步中的所述重型掺杂为n型或p型。