本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用雙光束干涉制備具有復(fù)合周期的微米－納米跨尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在制備過(guò)程中改變雙光束干涉的曝光角來(lái)同時(shí)獲得復(fù)合周期和多級(jí)微納結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)色仿生和表面浸潤(rùn)性調(diào)控的應(yīng)用。

技術(shù)背景

在微納加工領(lǐng)域，多級(jí)結(jié)構(gòu)一般指由不同尺度大小的微米、納米結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的層級(jí)式結(jié)構(gòu)。多級(jí)結(jié)構(gòu)的功能性主要依賴于層級(jí)間的尺度差異，即不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)之間，尺度相差越大功能性越突出；據(jù)此，此類結(jié)構(gòu)一般具有比表面積大、對(duì)光散射能力強(qiáng)、光場(chǎng)聚焦效果好等綜合優(yōu)勢(shì)。多級(jí)結(jié)構(gòu)在微納器件方面有廣泛且重要的應(yīng)用，包括太陽(yáng)能電池、浸潤(rùn)性響應(yīng)智能表面、納米光子器件等。

目前，多級(jí)結(jié)構(gòu)的制備通常采用“自下而上”微納加工方法，即按照結(jié)構(gòu)尺度由大到小進(jìn)行分層疊加式加工。而且，根據(jù)每一級(jí)的尺度和結(jié)構(gòu)的不同往往需要結(jié)合多種加工手段，包括光刻、電子束刻蝕、離子束刻蝕以及多種合成納米結(jié)構(gòu)(納米棒、納米金字塔、納米樹(shù)等)的化學(xué)自組裝等方法。上述制備多級(jí)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)普遍步驟繁瑣且產(chǎn)率低，而且對(duì)于層級(jí)間的尺度差異的調(diào)控很有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。采用雙光束干涉技術(shù)進(jìn)行曝光，其主要原理是通過(guò)將光源激光進(jìn)行分束，并使分束后的兩束光在光刻膠表面相遇干涉并曝光，獲得的結(jié)構(gòu)具有衍射圖樣的周期性。這樣制備的結(jié)構(gòu)尺度與結(jié)構(gòu)周期一致，由兩束光的夾角(即曝光角)所決定，且具有很大的尺度調(diào)控范圍(微米到納米量級(jí))。本發(fā)明通過(guò)改變雙光束干涉加工中的曝光角對(duì)同一樣品進(jìn)行依次曝光，可獲得具有復(fù)合周期的微米－納米跨尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)級(jí)別從大到小依次為第1、第2、……、第N級(jí)，對(duì)應(yīng)每級(jí)結(jié)構(gòu)周期依次為Λ₁、Λ₂、……、Λ_N(N為整數(shù)，2≤N≤3)。

本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟如下：

(1)、激光光路搭建與調(diào)試；

首先，依據(jù)半反半透鏡結(jié)合反射鏡的分光方式搭建雙光束干涉光路，使激光歷經(jīng)“擴(kuò)束－等光程分束－聚焦干涉”的光路，并確保沿光路激光經(jīng)過(guò)每個(gè)鏡子的中心位置；然后，對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試，依次調(diào)節(jié)半反半透鏡和反射鏡的高度和與水平、豎直兩個(gè)方向的夾角，直至分束后的兩束光同時(shí)處于水平面內(nèi)，且沿光屏法線左右對(duì)稱入射至光屏，即令兩束光入射角完全相等；

(2)、光刻膠準(zhǔn)備；

首先，將襯底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，所用時(shí)間為10-30min，并用氮?dú)獯蹈纱?；然后，將光刻膠旋涂至襯底，所用轉(zhuǎn)速為1000-5000r/min，所用勻膠時(shí)間為10-20s，所得光刻膠平膜厚度為10-50μm；最后，將光刻膠平膜置于烘箱中進(jìn)行前烘，所用溫度為95-120℃，所用時(shí)間為30-120s；

(3)、變角度曝光制備多級(jí)結(jié)構(gòu)；包括決定曝光角和按結(jié)構(gòu)級(jí)別依次曝光；

首先，依據(jù)所需多級(jí)結(jié)構(gòu)的第1級(jí)周期Λ₁和半反半透鏡與光屏之間的距離Y，決定雙光束干涉加工的曝光角2θ₁和對(duì)應(yīng)的兩個(gè)反光鏡M₁和M₂的位置坐標(biāo)X₁和X₂(以半反半透鏡中心為原點(diǎn))，并將兩反光鏡移動(dòng)至相應(yīng)位置；然后，用磁鐵塊將步驟(2)準(zhǔn)備的光刻膠平膜固定在光屏中央，并調(diào)節(jié)光屏前后位置使兩束光聚焦在光刻膠平膜上表面，且兩束光光點(diǎn)會(huì)聚在平膜樣品中心位置；隨后，調(diào)節(jié)光闌使兩束重疊的光斑擴(kuò)至最大，并將激光鎖模，對(duì)樣品進(jìn)行曝光；接著，依據(jù)具體的結(jié)構(gòu)將樣品在光屏上(豎直平面內(nèi))轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度φ，同時(shí)按照所需多級(jí)結(jié)構(gòu)的第2至第N級(jí)周期(Λ₂-Λ_N)分別決定對(duì)應(yīng)的曝光角和二反光鏡位置坐標(biāo)，其中，N為整數(shù)，2≤N≤3，并作相應(yīng)調(diào)節(jié)，依次對(duì)樣品完成每級(jí)結(jié)構(gòu)的曝光；最后，將曝光完畢的光刻膠平膜置于光刻膠專用顯影液中進(jìn)行顯影，所用顯影時(shí)間為2s-5min，最終獲得所需具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，步驟(1)所述雙光束干涉光路的光源為連續(xù)激光或脈沖激光，波長(zhǎng)范圍為紫外波段的266-355nm。

進(jìn)一步地，步驟(2)所述的襯底為蓋玻片或硅片，所用光刻膠為BP212或SU－8紫外光刻膠。

進(jìn)一步地，步驟(3)所述變角度曝光是指按照多級(jí)結(jié)構(gòu)依次改變兩束光會(huì)聚在光屏上所夾的曝光角2θ并進(jìn)行曝光，曝光角范圍為2-80°；所用曝光角數(shù)值由多級(jí)結(jié)構(gòu)中的每級(jí)周期所決定，具體依據(jù)公式其中θ角為對(duì)稱入射到光屏上的兩束光與法線夾角，λ為所用激光波長(zhǎng)，Λ_i為多級(jí)結(jié)構(gòu)中每一級(jí)的周期；光路中半反半透鏡到光屏的距離Y為40-60cm；改變曝光角大小所調(diào)節(jié)的兩個(gè)反射鏡位置，M₁的位置坐標(biāo)X₁為(-0.7)-(-50.3)cm，M₂的位置坐標(biāo)X₂為0.6-30.2cm；每次曝光所用樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角φ為0-90°，所用曝光時(shí)間為0.5-2s，所用激光功率為20-50mW/cm²；多級(jí)結(jié)構(gòu)周期為200nm－10μm，結(jié)構(gòu)深度為50nm－2μm。

本發(fā)明還提供了具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)在表面浸潤(rùn)性調(diào)節(jié)和仿生結(jié)構(gòu)色方面的應(yīng)用，即分別利用從微米到納米的跨尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)和復(fù)合周期，來(lái)獲得超輸水表面和模仿昆蟲(chóng)翅膀的結(jié)構(gòu)色。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)、利用變角度曝光，僅通過(guò)雙光束干涉一種加工技術(shù)即得到多級(jí)結(jié)構(gòu)，突破了現(xiàn)有技術(shù)必須結(jié)合多種方法制備多級(jí)結(jié)構(gòu)的局限性；

(2)、基于雙光束干涉的變角度曝光對(duì)結(jié)構(gòu)周期(尺度)具有很大的調(diào)控范圍(200nm-10μm)，由此獲得的多級(jí)結(jié)構(gòu)具有跨尺度特性，即隨尺度隨結(jié)構(gòu)級(jí)別從微米跨越至納米，獲得了不同級(jí)別間較大的尺度差異；

(3)、從加工能力來(lái)說(shuō)，基于雙光束干涉的變角度曝光制備多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法還具有高擴(kuò)展性和產(chǎn)率高、效率高等優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的雙光束干涉光路示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明的利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；

其中，圖3(a)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)一維光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為90°)，圖3(b)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)二維方塊陣列結(jié)構(gòu)(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為90°和0°)的掃描電鏡圖，圖3(c)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)二維方塊陣列結(jié)構(gòu)(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為90°)的掃描電鏡圖掃描電鏡圖，圖3(d)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)二維菱形陣列結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為45°)，圖3(e)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)一維光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為45°)圖，圖3(f)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)二維方塊陣列的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為90°和60°)掃描電鏡圖，圖3(g)為3μm和300nm復(fù)合周期的二級(jí)二維三角陣列的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為60°)，圖3(h)為4μm、1μm和300nm復(fù)合周期的三級(jí)一維光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為90°和0°)，圖3(i)為4μm、1μm和300nm復(fù)合周期的三級(jí)一維光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°和90°)；

圖4為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于表面浸潤(rùn)性調(diào)控的示意圖和對(duì)應(yīng)的液滴接觸角的顯微鏡照片；

其中，圖4(a)為平面襯底的浸潤(rùn)性示意圖和液滴接觸角的顯微鏡照片，圖4(b)為單一納米結(jié)構(gòu)的浸潤(rùn)性示意圖和對(duì)應(yīng)液滴接觸角的顯微鏡照片，圖4(c)為單一微米結(jié)構(gòu)的浸潤(rùn)性示意圖和對(duì)應(yīng)液滴接觸角的顯微鏡照片，圖4(d)為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的浸潤(rùn)性示意圖和對(duì)應(yīng)液滴接觸角的顯微鏡照片。

圖5為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)色的掃描電鏡圖；

其中，圖5(a)為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖，圖5(b)為真實(shí)蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；

圖6為本發(fā)明的一種利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)色的示意圖；

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

利用變角度曝光制備具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)。

基于雙光束干涉技術(shù)原理，曝光所得多級(jí)結(jié)構(gòu)的每級(jí)周期和尺度大小均決定于兩束激光的曝光角，具體數(shù)值由公式給定。因此，只要依據(jù)具體的多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即根據(jù)每一級(jí)結(jié)構(gòu)的尺度選定曝光角，對(duì)樣品依次進(jìn)行曝光即可獲得多級(jí)結(jié)構(gòu)。

利用變角度曝光加工具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟如下：

(1)、激光光路搭建與調(diào)試：所用激光光路為雙光束干涉光路，所用光源為波長(zhǎng)355nm的連續(xù)激光；首先，依據(jù)半反半透鏡結(jié)合反射鏡的分光方式搭建雙光束干涉光路，使激光歷經(jīng)“擴(kuò)束－等光程分束－聚焦干涉”的光路，并確保沿光路激光經(jīng)過(guò)每個(gè)鏡子的中心位置；然后，對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試，依次調(diào)節(jié)半反半透鏡和反射鏡的高度和與水平、豎直兩個(gè)方向的夾角，直至分束后的兩束光同時(shí)處于水平面內(nèi)，且沿光屏法線左右對(duì)稱入射至光屏，即令兩束光入射角完全相等。

(2)、光刻膠準(zhǔn)備：所用襯底為蓋玻片、硅片等襯底，所用光刻膠為BP212光刻膠；首先，將襯底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，所用時(shí)間為10min，并用氮?dú)獯蹈纱?；然后，將光刻膠旋涂至襯底，所用轉(zhuǎn)速為1000r/min，所用勻膠時(shí)間為10s，所得光刻膠平膜厚度為50μm；最后，將光刻膠平膜置于烘箱中進(jìn)行前烘，所用溫度為95℃，所用時(shí)間為30s。

(3)、變角度曝光制備多級(jí)結(jié)構(gòu)：包括決定曝光角和按結(jié)構(gòu)級(jí)別依次曝光；首先，依據(jù)所需多級(jí)結(jié)構(gòu)的第1級(jí)周期Λ₁和半反半透鏡與光屏之間的距離Y＝40cm，決定雙光束干涉加工的曝光角2θ₁和對(duì)應(yīng)的兩個(gè)反光鏡M₁和M₂的位置坐標(biāo)X₁和X₂(以半反半透鏡中心為原點(diǎn))，并將兩反光鏡移動(dòng)至相應(yīng)位置；分別依據(jù)公式X₁＝-40tanθ₁，X₂＝24tanθ₁；然后，用磁鐵塊將步驟(2)準(zhǔn)備的光刻膠平膜固定在光屏中央，并調(diào)節(jié)光屏前后位置使兩束光聚焦在光刻膠平膜上表面，且兩束光光點(diǎn)會(huì)聚在平膜樣品中心位置；隨后，調(diào)節(jié)光闌使兩束重疊的光斑擴(kuò)至最大，并將激光鎖模，對(duì)樣品進(jìn)行曝光，曝光次數(shù)由所需結(jié)構(gòu)面積決定；接著，依據(jù)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將樣品在光屏上(豎直平面內(nèi))轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度φ，同時(shí)按照所需多級(jí)結(jié)構(gòu)的第2至第N級(jí)周期(Λ₂-Λ_N)分別決定對(duì)應(yīng)的曝光角和二反光鏡位置坐標(biāo)，并作相應(yīng)調(diào)節(jié)，依次對(duì)樣品完成每級(jí)結(jié)構(gòu)的曝光；最后，將曝光完畢的光刻膠平膜置于NaOH溶液(質(zhì)量濃度0.2％)中進(jìn)行顯影，所用顯影時(shí)間為5min，最終獲得所需具有復(fù)合周期的跨尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)。其中，依據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所需多級(jí)結(jié)構(gòu)周期Λ_i為200nm-1μm-10μm，所用曝光角80-20.5-2°，所用兩反光鏡位置坐標(biāo)X₁為(-0.7)-(-7.2)-(-50.3)cm，X₂為0.6—4.8-30.2cm，所用曝光時(shí)間為0.5-1-2s，所用曝光功率為20-30-50mW/cm²，所用樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角φ為0-60-90°。

圖1為制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的所用的雙光束干涉光路示意圖。分光方式為半反半透鏡加三個(gè)反射鏡(M、M₁和M₂)形成等光程分光。制備多級(jí)結(jié)構(gòu)的核心是確定每級(jí)結(jié)構(gòu)的曝光角2θ_i，具體改變方式為依據(jù)光路中的三角函數(shù)關(guān)系改變反射鏡M₁和M₂的位置坐標(biāo)X₁和X₂。

圖2為利用變角度曝光制備復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)的原理示意圖。根據(jù)雙光束干涉制備的基本原理，所得結(jié)構(gòu)周期與曝光角反相關(guān)；即小角度曝光得到大周期(尺度)結(jié)構(gòu)，大角度曝光得到小周期(尺度)結(jié)構(gòu)。如此，用小角度和大角度對(duì)樣品依次曝光，即得到尺度差異很大的多級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖3為利用變角度曝光制備的各種具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)。在曝光每級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)施加不同的樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角，即可獲得不同圖案化的三維多級(jí)微納結(jié)構(gòu)；同時(shí)基于雙光束干涉的周期性，得到的周期結(jié)構(gòu)亦具有2-4個(gè)復(fù)合周期。

實(shí)施例2

利用變角度曝光制備具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于表面浸潤(rùn)性調(diào)控。

在疏水材料表面引入微納結(jié)構(gòu)可以提高材料表面的疏水性。實(shí)驗(yàn)證明，只引入單一微米或納米結(jié)構(gòu)對(duì)疏水性的提高很有限，往往達(dá)不到超疏水性(要求接觸角大于150°)。據(jù)此，本發(fā)明利用變角度曝光的制備方法很容易就獲得了具有超疏水性的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)。

變角度曝光制備具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于表面浸潤(rùn)性調(diào)控，具體方法為：

(1)、激光光路搭建與調(diào)試：所用激光光路為雙光束干涉光路，所用光源為波長(zhǎng)355nm的脈沖激光；首先，依據(jù)半反半透鏡結(jié)合反射鏡的分光方式搭建雙光束干涉光路，使激光歷經(jīng)“擴(kuò)束－等光程分束－聚焦干涉”的光路，并確保沿光路激光經(jīng)過(guò)每個(gè)鏡子的中心位置；然后，對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試，依次調(diào)節(jié)半反半透鏡和反射鏡的高度和與水平、豎直兩個(gè)方向的夾角，直至分束后的兩束光同時(shí)處于水平面內(nèi)，且沿光屏法線左右對(duì)稱入射至光屏，即令兩束光入射角完全相等。

(2)、光刻膠準(zhǔn)備：所用襯底為蓋玻片、硅片等襯底，所用光刻膠為BP212光刻膠；首先，將襯底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，所用時(shí)間為30min，并用氮?dú)獯蹈纱?；然后，將光刻膠旋涂至襯底，所用轉(zhuǎn)速為5000r/min，所用勻膠時(shí)間為20s，所得光刻膠平膜厚度為10μm；最后，將光刻膠平膜置于烘箱中進(jìn)行前烘，所用溫度為95℃，所用時(shí)間為30s。

(3)、變角度曝光制備多級(jí)結(jié)構(gòu)；包括決定曝光角和按結(jié)構(gòu)級(jí)別依次曝光；首先，依據(jù)所需多級(jí)結(jié)構(gòu)的第1級(jí)周期Λ₁＝3μm和半反半透鏡與光屏之間的距離Y＝60cm，決定雙光束干涉加工的曝光角2θ₁＝6.8°和對(duì)應(yīng)的兩個(gè)反光鏡M₁和M₂的位置坐標(biāo)X₁＝-3.6cm和X₂＝2.1cm，并將兩反光鏡移動(dòng)至相應(yīng)位置；分別依據(jù)公式X₁＝-60tanθ₁，X₂＝36tanθ₁；然后，用磁鐵塊將步驟(2)準(zhǔn)備的光刻膠平膜固定在光屏中央，并調(diào)節(jié)光屏前后位置使兩束光聚焦在光刻膠平膜上表面，且兩束光光點(diǎn)會(huì)聚在平膜樣品中心位置；隨后，調(diào)節(jié)光闌使兩束重疊的光斑擴(kuò)至最大，并將激光鎖模，對(duì)樣品進(jìn)行曝光，曝光次數(shù)由所需結(jié)構(gòu)面積決定；接著，依據(jù)所需多級(jí)結(jié)構(gòu)決定Λ₂為300nm，所用曝光角為72.6°，決定對(duì)應(yīng)二反光鏡位置坐標(biāo)X₁為-44.0cm，X₂為29.4cm，并作相應(yīng)調(diào)節(jié)，所用樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角分別為90°、90°和90°，所用曝光功率為50mW/cm²，所用曝光時(shí)間為0.5s；按照周期次序Λ₁-Λ₂-Λ₂依次對(duì)樣品完成剩余結(jié)構(gòu)的曝光，即第一級(jí)微米二維陣列結(jié)構(gòu)以周期Λ₁正交曝光2次，第二級(jí)納米二維陣列結(jié)構(gòu)以周期Λ₂正交曝光2次；最后，將曝光完畢的光刻膠平膜置于NaOH溶液(質(zhì)量濃度0.2％)中進(jìn)行顯影，所用顯影時(shí)間為5min，最終獲得所需具有超疏水特性的二級(jí)微納結(jié)構(gòu)。

(4)、測(cè)量接觸角：選取平面襯底和兩種單一結(jié)構(gòu)的樣品(3μm周期的微米柱結(jié)構(gòu)和300nm周期的納米柱結(jié)構(gòu))作為對(duì)比樣品，在接觸角測(cè)量?jī)x上測(cè)量四片樣品的接觸角并拍攝顯微鏡照片。

圖4為利用變角度曝光制備超疏水多級(jí)微納結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖和接觸角測(cè)量圖。平面襯底和單一的微米或納米結(jié)構(gòu)都無(wú)法達(dá)到超疏水的表面浸潤(rùn)性，而利用變角度曝光得到的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)的接觸角遠(yuǎn)大于以上三種材料表面，具有顯著的超疏水特性。

實(shí)施例3

利用變角度曝光制備具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)色仿生。

蝴蝶和飛蛾的翅膀往往具有五彩斑斕的色彩，稱為結(jié)構(gòu)色。這種結(jié)構(gòu)色來(lái)自于這類昆蟲(chóng)翅膀表面復(fù)雜的周期性的表面微結(jié)構(gòu)對(duì)光的衍射。仿照蝴蝶翅膀的表面微結(jié)構(gòu)，利用變角度曝光制備的復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確模擬這種生物結(jié)構(gòu)色。

利用變角度曝光制備具有復(fù)合周期的多級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)色仿生，具體方法為：

(1)、激光光路搭建與調(diào)試：所用激光光路為雙光束干涉光路，所用光源為波長(zhǎng)266nm的脈沖激光；首先，依據(jù)半反半透鏡結(jié)合反射鏡的分光方式搭建雙光束干涉光路，使激光歷經(jīng)“擴(kuò)束－等光程分束－聚焦干涉”的光路，并確保沿光路激光經(jīng)過(guò)每個(gè)鏡子的中心位置；然后，對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試，依次調(diào)節(jié)半反半透鏡和反射鏡的高度和與水平、豎直兩個(gè)方向的夾角，直至分束后的兩束光同時(shí)處于水平面內(nèi)，且沿光屏法線左右對(duì)稱入射至光屏，即令兩束光入射角完全相等。

(2)、光刻膠準(zhǔn)備：所用襯底為蓋玻片、硅片等襯底，所用光刻膠為SU-8光刻膠；首先，將襯底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，所用時(shí)間為30min，并用氮?dú)獯蹈纱?；然后，將光刻膠旋涂至襯底，所用轉(zhuǎn)速為5000r/min，所用勻膠時(shí)間為20s，所得光刻膠平膜厚度為50μm；最后，將光刻膠平膜置于烘箱中進(jìn)行前烘，所用溫度為95℃，所用時(shí)間為120s。

(3)、變角度曝光制備多級(jí)結(jié)構(gòu)；包括決定曝光角和按結(jié)構(gòu)級(jí)別依次曝光；首先，依據(jù)所需多級(jí)結(jié)構(gòu)的第1級(jí)周期Λ₁＝3μm和半反半透鏡與光屏之間的距離Y＝60cm，決定雙光束干涉加工的曝光角2θ₁＝5.1°和對(duì)應(yīng)的兩個(gè)反光鏡M₁和M₂的位置坐標(biāo)X₁＝-2.7cm和X₂＝1.6cm，并將兩反光鏡移動(dòng)至相應(yīng)位置；分別依據(jù)公式X₁＝-60tanθ₁，X₂＝36tanθ₁；然后，用磁鐵塊將步驟(2)準(zhǔn)備的光刻膠平膜固定在光屏中央，并調(diào)節(jié)光屏前后位置使兩束光聚焦在光刻膠平膜上表面，且兩束光光點(diǎn)會(huì)聚在平膜樣品中心位置；隨后，調(diào)節(jié)光闌使兩束重疊的光斑擴(kuò)至最大，并將激光鎖模，對(duì)樣品進(jìn)行曝光，曝光次數(shù)由所需結(jié)構(gòu)面積決定；接著，依據(jù)所需多級(jí)結(jié)構(gòu)決定Λ₂為300nm，所用曝光角為52.6°，對(duì)應(yīng)二反光鏡位置坐標(biāo)X₁和X₂分別為-29.7和17.8cm，并作相應(yīng)調(diào)節(jié)，所用樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角為90°，所用曝光功率為20mW/cm²，所用曝光時(shí)間為2s，對(duì)樣品完成第二級(jí)結(jié)構(gòu)的曝光；最后，將曝光完畢的光刻膠平膜置于丙酮中進(jìn)行顯影，所用顯影時(shí)間為2s，最終獲得所需具有仿蝴蝶翅膀表面的二級(jí)微結(jié)構(gòu)。

(4)、結(jié)構(gòu)色模擬：將樣品利用光束整形成仿蝴蝶樣品并置于平面實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用白光燈泡作為光源照射樣品，將入射角從0°向90°進(jìn)行逐步調(diào)節(jié)(即從垂直入射到接近水平入射)，從一側(cè)觀察蝴蝶翅膀的顏色變化并拍照比較。

圖5為利用變角度曝光制備的仿蝴蝶翅膀表面的微結(jié)構(gòu)與真實(shí)蝴蝶的比較。通過(guò)變角度曝光獲得的二級(jí)微結(jié)構(gòu)與蝴蝶翅膀的真實(shí)微結(jié)構(gòu)具有很高的相似度，是成功模擬結(jié)構(gòu)色的保障。

圖6是用白光燈泡從不同角度照射本發(fā)明制備的仿蝴蝶樣品來(lái)模擬結(jié)構(gòu)色的示意圖。當(dāng)白光入射到二級(jí)微結(jié)構(gòu)上之后形成衍射，白光中不同色光的衍射主峰對(duì)應(yīng)的入射角不同。因此，改變白光入射角時(shí)，觀察者從一側(cè)觀察或拍照得到的仿蝴蝶樣品的翅膀顏色(某種色光主峰)即隨之發(fā)生變化；當(dāng)入射角從0°向90°遞增時(shí)，觀察蝴蝶翅膀顏色的依次變化為“橙色-藍(lán)色-綠色-紫色”，即利用邊角曝光制備的二級(jí)微結(jié)構(gòu)成功地模擬了蝴蝶的結(jié)構(gòu)色。