專利名稱：球粒陣列輔助飛秒激光雙光子聚合制備納米陣列結構方法
技術領域：
本發(fā)明涉及了一種透明球粒陣列輔助飛秒激光雙光子聚合制備納米陣列結構方法，屬于激光制備納米尺度規(guī)則列陣技術。
背景技術：
納米技術越來越引起人們的興趣，提出了各種各樣的制備規(guī)則納米陣列結構的方法。其中亞波長透明顆粒近場光增強技術和飛秒激光雙光子聚合技術是兩種具有代表性的方法，近場光增強方法是利用激光透過亞波長尺度球形透明顆粒后在其與待加工基片表面之間由于Mie散射而產生的近場光增強效應，其光強分布呈高斯型(即中間高兩側迅速下降)，光腰半徑小于等于顆粒的直徑，在基片表面相應位置加工出納米尺度微孔(在光強足夠大的情況下)，單獨采用近場光增強方法只能制得72納米的最小特征尺寸結構；飛秒激光雙光子聚合是利用飛秒激光焦點處光強極高，可達到雙光子吸收閾值，而激光的光強分布為高斯型，因此，適當選擇激光能量可使激光能量剛好或略高于雙光子吸收閾值，這時激光焦點區(qū)域內只有最靠近中心的一小部分達到雙光子吸收閾值，發(fā)生光聚合，因此，可產生特征尺寸遠小于衍射極限的固化結構。單獨采用飛秒激光雙光子聚合方法只能制得120納米的最小特征尺寸的結構。
納米尺度規(guī)則陣列在微器件加工領域有廣泛的應用前景。有關涉及到本發(fā)明技術的文獻和報道如下[1]Hiroto Takada and Minoru Obara，J.J.Appl.Phys.，2005，44(11)7993-7997. S.Kawata，H.B.Sun，T.Tanaka，K.Takada，Nature，2001，412697-698.

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種透明球粒陣列輔助飛秒激光雙光子聚合制備納米陣列結構的方法。以該方法能制備出100納米以下的納米規(guī)則陣列結構。
本發(fā)明是通過下述技術方案加以實現(xiàn)的，一種透明球粒陣列輔助飛秒激光雙光子聚合制備納米陣列結構的方法，其特征在于包括以下過程1.采用紫外負型光刻膠為原料，或采用摻有質量百分比0.1-10％的紫外光引發(fā)劑的環(huán)氧或丙烯酸樹脂為原料，或采用摻有質量百分比0.1-10％的紫外光引發(fā)劑的SiO2/ZrO2或SiO2/TiO2溶膠-凝膠為原料，以旋涂方法將原材料沉積在單晶硅或光學玻璃的基片上，涂層厚度為1-2微米，在80-100℃度下烘干后制得基層。
2.將球形直徑為200納米到600納米的聚苯乙烯顆?；蚴⒉Ａьw粒的水溶液以旋涂法或以膠態(tài)液滴法(colloidal droplet method)或以垂直沉積法(vertical deposition method)涂在基片的基層上制得單層緊密排列的球形透明顆粒陣列模板。
3.采用波長775-1550納米、脈沖寬度為10-100飛秒、重復頻率為20-100MHz、功率為1-100毫瓦的飛秒激光振蕩器發(fā)出的激光，并使激光通過0.1-1.0的孔徑的物鏡聚焦在單層緊密排列的球形透明顆粒陣列模板上，在透明球形顆粒與原材料涂層表面之間發(fā)生光增強效應，單個透明球形顆粒形成的光強分布為高斯型，當激光能量達到雙光子聚合閾值時，發(fā)生聚合反應，從而在基片上制得100納米以下的規(guī)則陣列結構。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，與單獨采用近場光增強方法或單獨采用飛秒激光雙光子聚合方法相比，可制備特征尺寸更小的規(guī)則納米陣列結構。


圖1為激光光強分布曲線圖。
圖2為現(xiàn)有的近場光增強制備納米陣列結構采用的裝置示意圖。
圖3為現(xiàn)有飛秒激光雙光子聚合方法制備納米陣列結構采用的裝置示意圖。
圖4為本發(fā)明制備納米陣列結構采用的裝置示意圖。
圖中1為多光子吸收閾值光強、2為光斑直徑、3為激光光強分布曲線、4為飛秒激光振蕩器發(fā)出的光束、5為物鏡、6為單層球形透明顆粒陣列、7為基片、8為光刻膠涂層、9雙光子聚合處。
具體實施例方式
實施例1.以光刻膠(SCR500；JSR，Japan)為原材料。首先采用旋涂方法將原材料沉積在單晶硅或光學玻璃基片上，厚500nm-2μm，80-150℃烘干后，再將已經過超聲分散的單分散、平均直徑為200納米到600納米的球形透明石英顆粒水溶液以旋涂方法直接沉積在涂有光刻膠的基片上形成單層緊密排列的亞波長尺度球形透明顆粒陣列模板。然后，采用近紅外波段、脈沖寬度為10-100飛秒、重復頻率為20-100MHz、功率為1-100mW的鈦寶石飛秒激光振蕩器，使激光通過數值孔徑為0.1-1.0物鏡聚焦在單層緊密排列的亞波長尺度球形透明顆粒陣列上，在透明球形顆粒與原材料涂層表面之間發(fā)生光增強效應，單個透明球形顆粒形成的光強分布為高斯型，即中間高兩側迅速下降，調節(jié)激光能量使得只有最靠近中心區(qū)域處才能達到雙光子吸收閾值，發(fā)生聚合反應，從而制備出特征尺寸小于100nm的規(guī)則陣列結構。
實施例2.以摻有質量比4％紫外光引發(fā)劑(Irgacure 369，CIBA)的環(huán)氧樹脂為原材料。首先采用旋涂方法將原材料沉積在單晶硅或光學玻璃基片上，厚度500nm-2μm，80-150℃烘干后，再將已經過超聲分散的適量的單分散、平均直徑為200納米到600納米的球形透明石英顆粒水溶液以旋涂方法直接沉積在涂有光刻膠的基片上形成單層緊密排列的亞波長尺度球形透明顆粒陣列模板。然后，采用近紅外波段、脈沖寬度為10-100飛秒、重復頻率為20-100MHz、功率為1-100mW的鈦寶石飛秒激光振蕩器，使激光通過數值孔徑為0.1-1.0物鏡聚焦在單層緊密排列的亞波長尺度球形透明顆粒陣列上，在透明球形顆粒與原材料涂層表面之間發(fā)生光增強效應，單個透明球形顆粒形成的光強分布為高斯型，即中間高兩側迅速下降，適當調節(jié)激光能量使得只有最靠近中心區(qū)域處才能達到雙光子吸收閾值，發(fā)生聚合反應，從而制備出特征尺寸小于100nm的規(guī)則陣列結構。
實施例3.以摻質量比4％紫外光引發(fā)劑(Irgacure 369，CIBA)的SiO2/ZrO2溶膠-凝膠為原材料。首先采用旋涂方法將原材料沉積在單晶硅或光學玻璃基片上，厚度500nm-2μm，80-150℃烘干后，再將已經過超聲分散的單分散、平均直徑為200納米到600納米的球形透明石英顆粒水溶液以旋涂方法直接沉積在涂有光刻膠的基片上形成單層緊密排列的亞波長尺度球形透明顆粒陣列模板。然后，采用近紅外波段、脈沖寬度為10-100飛秒、重復頻率為20-100MHz、功率為1-100mW的鈦寶石飛秒激光振蕩器，使激光通過數值孔徑為0.1-1.0物鏡聚焦在單層緊密排列的亞波長尺度球形透明顆粒陣列上，在透明球形顆粒與原材料涂層表面之間發(fā)生光增強效應，單個透明球形顆粒形成的光強分布為高斯型，即中間高兩側迅速下降，適當調節(jié)激光能量使得只有最靠近中心區(qū)域處才能達到雙光子吸收閾值，發(fā)生聚合反應，從而制備出特征尺寸小于100nm的規(guī)則陣列結構。
權利要求
1.一種球粒陣列輔助飛秒激光雙光子聚合制備納米陣列結構的方法，其特征在于包括以下過程(1)采用紫外負型光刻膠為原料，或采用摻有質量百分比0.1-10％的紫外光引發(fā)劑的環(huán)氧或丙烯酸樹脂為原料，或采用摻有質量百分比0.1-10％的紫外光引發(fā)劑的SiO2/ZrO2或SiO2/TiO2溶膠-凝膠為原料，以旋涂方法將原材料沉積在單晶硅或光學玻璃的基片上，涂層厚度為1-2微米，在80-100℃度下烘干后制得基層；(2)將球形直徑為200納米到600納米的聚苯乙烯顆?；蚴⒉Ａьw粒的水溶液以旋涂法或以膠態(tài)液滴法或以垂直沉積法涂在基片的基層上制得單層緊密排列的球形透明顆粒陣列模板；(3)采用波長775-1550納米、脈沖寬度為10-100飛秒、重復頻率為20-100MHz、功率為1-100毫瓦的飛秒激光振蕩器發(fā)出的激光，并使激光通過0.1-1.0的孔徑的物鏡聚焦在單層緊密排列的球形透明顆粒陣列模板上，在透明球形顆粒與原材料涂層表面之間發(fā)生光增強效應，單個透明球形顆粒形成的光強分布為高斯型，當激光能量達到雙光子聚合閾值時，發(fā)生聚合反應，從而在基片上制得100納米以下的規(guī)則陣列結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種透明球粒陣列輔助飛秒激光雙光子聚合制備納米陣列結構方法，屬于激光制備納米尺度規(guī)則列陣技術。該方法包括以下步驟采用紫外負型光刻膠、摻有紫外光引發(fā)劑的環(huán)氧或丙烯酸樹脂、或摻有紫外光引發(fā)劑的SiO
文檔編號B82B3/00GK101058403SQ200710057429
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權日2007年5月23日
發(fā)明者賈威, 王清月, 柴路 申請人:天津大學