基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，屬制備光子晶體技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明主要通過控制膜的厚度、孔徑大小和孔間隙，來調(diào)節(jié)反射的顏色的不同。本發(fā)明是通過磁控濺射的方法在硅（Si）襯底上沉積鉻（Cr）層和氧化硅（SiOx）層，然后在氧化硅（SiOx）層通過激光刻蝕的方法刻蝕空氣柱來制備二維光子晶體。通過激光能量來調(diào)節(jié)孔徑大小和孔間隙。本發(fā)明的二維光子晶體可以應(yīng)用于光學(xué)防偽方面。
【專利說明】
基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光子晶體的制備方法，特別是涉及一種二維光子晶體的制備方法，應(yīng)用于膜的光學(xué)結(jié)構(gòu)制備和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]美國Science雜志在1998、1999年連續(xù)兩年將光子晶體列為十大科學(xué)進(jìn)展之一，預(yù)示了光子晶體在信息技術(shù)領(lǐng)域的廣闊發(fā)展前景。在過去幾年中，具有人造周期性結(jié)構(gòu)或者準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體和準(zhǔn)光子晶體已經(jīng)進(jìn)入了深入研究階段。如今，利用其介質(zhì)材料及幾何特征的周期性開發(fā)制造了一些具備商業(yè)應(yīng)用前景的器件，如硅拉曼激光器、光纖、光學(xué)濾波器、高Q值光子晶體微腔、全光開關(guān)、太赫茲光學(xué)元件。
[0003]光子帶隙是光子晶體最本質(zhì)的特征，即頻率位于光子帶隙中的光被禁止在光子晶體內(nèi)部傳播。如果光子晶體的帶隙位于380?780 nm的可見光區(qū)域，那么特定波長的可見光將無法在光子晶體結(jié)構(gòu)中傳播而反射到空氣中，從而在光子晶體表面形成結(jié)構(gòu)色。光子晶體這種優(yōu)異的光調(diào)制特性提高了人對光子的操控能力，結(jié)構(gòu)色的典型特征也使光子晶體具有廣闊的應(yīng)用前景，如防偽油墨、反射式平板顯示器、氣體傳感器、涂料、化妝品。
[0004]目前，材料與制備、設(shè)計與模擬、測試與表征是光子晶體研究的幾個主要方向。相比三維光子晶體，二維光子晶體實際應(yīng)用更廣泛，制備技術(shù)更成熟。現(xiàn)有的二維光子晶體制備方法制備的膜的光學(xué)結(jié)構(gòu)的精細(xì)度和變色效果還不夠理想，影響了二維光子晶體在更多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，采用磁控濺射法在硅襯底表面依次制備鉻Cr層和硅氧膜，再通過激光刻蝕法使硅氧膜呈現(xiàn)周期排列的空氣柱，通過合理調(diào)整孔洞直徑、間隙參數(shù)，以期產(chǎn)生與普通多層膜光學(xué)結(jié)構(gòu)不同的隨角度變色特征。本發(fā)明是用激光刻蝕的方法來制備二維光子晶體，相比之前的一維光子晶體，其具有更好的變色效果。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，通過磁控濺射法和激光納米刻蝕法，來制備空氣柱二維光子晶體，包括如下步驟:
a.襯底的預(yù)處理:選擇硅襯底，將襯底清洗干凈，干燥，備用；
b.Cr層制備:通過磁控派射法在所述步驟a中的娃襯底上直流派射制備厚度為5?25nm的鉻層，控制氬氣體流量為10 mL/min，控制濺射的直流功率為5?25W;當(dāng)進(jìn)行Cr層制備工藝時，優(yōu)選保持硅襯底溫度為20~100°C，并優(yōu)選控制氬氣體輝光氣壓不高于I X 10—4Pa;
c.氧化硅層制備:通過磁控濺射法在所述步驟b中制備的Cr層上射頻濺射氧化硅，在Cr層上繼續(xù)制備厚度為300?600nm的氧化硅層，控制氬氣與氧氣質(zhì)量流量比為5:2?5:4，控制濺射的射頻功率為150?250W;當(dāng)進(jìn)行氧化硅層制備工藝時，優(yōu)選保持硅襯底溫度為20?150°C，并優(yōu)選控制氬氣和氧氣的混合氣體的輝光氣壓不高于I X 10—4Pa;
d.空氣柱的刻蝕制備:通過激光刻蝕光刻的方法，對在所述步驟c中制備的氧化硅層進(jìn)行刻蝕，在氧化硅層上刻蝕一系列正方陣列排布的孔洞，使單一孔洞的直徑為300?lOOOnm，相鄰孔洞的側(cè)邊緣間距為400?lOOOnm，使氧化硅層上的孔洞作為空氣柱，形成正方陣列排布的空氣柱群，就得到二維光子晶體。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述步驟b和c中制備的Cr層和氧化硅層的厚度分別對應(yīng)為15 nm和400 nm，在所述步驟d中，刻蝕氧化娃層制備空氣柱時，使單一孔洞的直徑為800nm，相鄰孔洞的側(cè)邊緣間距為600?800 nm。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明用激光刻蝕的方法制備二維光子晶體，激光刻蝕孔洞與孔隙更為精細(xì)，能夠獲得精度更高的表面膜的光學(xué)結(jié)構(gòu)；
2.本發(fā)明制成的二維光子晶體在顏色上更具有多變性，變色效果可從360°全方位觀察到；
3.本發(fā)明通過控制磁控濺射工藝和激光能量，來調(diào)節(jié)膜的厚度、孔徑大小和孔間距，進(jìn)而來調(diào)節(jié)二維光子晶體反射的顏色的不同，發(fā)明制備的二維光子晶體完全能滿足應(yīng)用于光學(xué)防偽方面的要求。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明實施例一在激光刻蝕空氣柱后制備的二維光子晶體的模擬反射強度圖譜。
[00?0]圖2為本發(fā)明實施例一制備的空氣柱形二維光子晶體的金相顯微圖。
[0011 ]圖3為本發(fā)明實施例一制備的二維光子晶體的彩虹色光學(xué)效果示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1?3，一種基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，通過磁控濺射法和激光納米刻蝕法，來制備空氣柱二維光子晶體，包括如下步驟:
a.襯底的預(yù)處理:選擇硅襯底，將襯底清洗干凈，干燥，備用；
b.Cr層制備:通過磁控濺射法在所述步驟a中的硅襯底上直流濺射制備厚度為15nm的鉻層，控制氬氣體流量為10 mL/min，控制濺射的直流功率為15W，保持硅襯底溫度為20?100°C，控制氬氣體輝光氣壓在I X 10—4Pa以下；
c.氧化硅層制備:通過磁控濺射法在所述步驟b中制備的Cr層上射頻濺射氧化硅(S1x)，在Cr層上繼續(xù)制備厚度為400nm的氧化硅層，控制氬氣與氧氣質(zhì)量流量比為5:2，控制濺射的射頻功率為230W，保持硅襯底溫度為20?150°C，控制氬氣和氧氣的混合氣體的輝光氣壓I X 10—4Pa以下；
d.空氣柱的刻蝕制備:通過激光刻蝕光刻的方法，對在所述步驟c中制備的氧化硅層進(jìn)行刻蝕，在氧化硅層上刻蝕一系列正方陣列排布的孔洞，使單一孔洞的直徑為800nm，相鄰孔洞的側(cè)邊緣間距為800nm，使氧化硅層上的孔洞作為空氣柱，形成正方陣列排布的空氣柱群，就得到二維光子晶體。
[0013]本實施例通過控制膜的厚度、孔徑大小和孔間隙，來調(diào)節(jié)反射的顏色的不同。本實施例是通過磁控濺射的方法在硅(Si)襯底上沉積鉻(Cr)層和氧化硅(S1x)層，然后在氧化硅(S1x)層通過激光刻蝕的方法刻蝕空氣柱來制備二維光子晶體。從圖1可知，通過激光刻蝕空氣柱后二維光子晶體的模擬反射強度圖譜，完全可以看到不同角度觀察到顏色的不同。從圖2可知，通過空氣柱形二維光子晶體的放大5000倍的金相顯微圖，可以看到其孔大小與孔間隙的精細(xì)的排布。從圖3可知，通過光子晶體彩虹色光學(xué)效果圖，可以得知本實施例制備二維光子晶體顏色的多變性。本實施通過激光能量來調(diào)節(jié)孔徑大小和孔間隙，本實施例制備的二維光子晶體的顏色的多變性和360°觀察性，使其完全能夠應(yīng)用在光學(xué)的防偽方面。
[0014]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，一種基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，通過磁控濺射法和激光納米刻蝕法，來制備空氣柱二維光子晶體，包括如下步驟:
a.襯底的預(yù)處理:與實施例一相同；
b.Cr層制備:與實施例一相同；
c.氧化娃層制備:與實施例一相同；
d.空氣柱的刻蝕制備:通過激光刻蝕光刻的方法，對在所述步驟c中制備的氧化硅層進(jìn)行刻蝕，在氧化硅層上刻蝕一系列正方陣列排布的孔洞，使單一孔洞的直徑為800nm，相鄰孔洞的側(cè)邊緣間距為600nm，使氧化硅層上的孔洞作為空氣柱，形成正方陣列排布的空氣柱群，就得到二維光子晶體。也能通過控制膜的厚度、孔徑大小和孔間隙，來調(diào)節(jié)反射的顏色的不同，本實施例制備的二維光子晶體變色效果明顯。
[0015]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，其特征在于，通過磁控濺射法和激光納米刻蝕法，來制備空氣柱二維光子晶體，包括如下步驟: a.襯底的預(yù)處理:選擇硅襯底，將襯底清洗干凈，干燥，備用； b.Cr層制備:通過磁控派射法在所述步驟a中的娃襯底上直流派射制備厚度為5?25nm的鉻層，控制氬氣體流量為10 mL/min，控制濺射的直流功率為5?25W; c.氧化硅層制備:通過磁控濺射法在所述步驟b中制備的Cr層上射頻濺射氧化硅，在Cr層上繼續(xù)制備厚度為300?600nm的氧化硅層，控制氬氣與氧氣質(zhì)量流量比為5:2?5:4，控制濺射的射頻功率為150?250W; d.空氣柱的刻蝕制備:通過激光刻蝕光刻的方法，對在所述步驟c中制備的氧化硅層進(jìn)行刻蝕，在氧化硅層上刻蝕一系列正方陣列排布的孔洞，使單一孔洞的直徑為300?lOOOnm，相鄰孔洞的側(cè)邊緣間距為400?lOOOnm，使氧化硅層上的孔洞作為空氣柱，形成正方陣列排布的空氣柱群，就得到二維光子晶體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，其特征在于:在所述步驟b中，當(dāng)進(jìn)行Cr層制備工藝時，保持硅襯底溫度為20?100°C，并控制氬氣體輝光氣壓不高于lX10—4Pa。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，其特征在于:在所述步驟c中，當(dāng)進(jìn)行氧化硅層制備工藝時，保持硅襯底溫度為20?150°C，并控制氬氣和氧氣的混合氣體的輝光氣壓不高于I X 10—4Pa。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項所述基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法，其特征在于:在所述步驟b和c中制備的Cr層和氧化娃層的厚度分別對應(yīng)為15 nm和400nm，在所述步驟d中，刻蝕氧化娃層制備空氣柱時，使單一孔洞的直徑為800nm，相鄰孔洞的側(cè)邊緣間距為600?800 nm。
【文檔編號】G02B6/122GK105891949SQ201610338171
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張方方, 李冬梅, 楊偉光, 黃璐, 沈春夏, 馬磊, 劉功龍, 史偉民
【申請人】上海大學(xué)