專利名稱：全禁帶三維光子晶體壓印成型方法及全禁帶三維光子晶體結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于微納制造技術領域，涉及一種全禁帶三維光子晶體的 壓印成型制造方法及全禁帶三維光子晶體結構。
背景技術：
光子晶體根據其介電常數在空間中的分布情況可分為一維、二 維和三維光子晶體。三維光子晶體的結構包括晶體的幾何構形與介質 的填充比例。常見的晶體幾何構形包括面心立方、體心立方、密堆六 方結構等。其中面心立方結構最有利于得到完全光子禁帶。三維光子 晶體的制造目前主要采取兩種基本方式。 一種是自上而下的加工方 式，包括機械法和半導體加工法等。機械法指利用微加工相關技術如 打孔等方式對材料進行機械加工，制得三維光子晶體。半導體加工法 指在基材上制備介質層，再采用半導體加工技術獲得所需的二維結 構，并逐層疊加，即可得到三維光子晶體。另一種是自下而上的加工 方式，即自組裝法。自組裝法是指利用包括氫鍵、范德華力等非共價 作用，利用重力自然沉降的方法，使單分散膠體顆粒自發組織成光子 晶體結構，這種方法是目前三維光子晶體加工所采取的主要方法。選 取適合的單分散膠體顆粒和實驗條件，即可通過自組裝方法制得三維 光子晶體結構。自上而下的加工方式，難以加工單元結構更小、適用 于可見光及紫外光區域的光子晶體。自下而上的加工方式，加工過程 可控性較差，制得的光子晶體內部缺陷較多。
隨著光電子技術和微加工技術的發展，工業界對光子晶體材料的需求不斷增加，同時對光子晶體加工技術的精確度要求也越來越高。 同時希望制得能適用于可見光及紫外光區域、單元結構更小、內部缺 陷更少的光子晶體。而上述的加工方式都存在著一些不足之處，不能 完全滿足目前對于光子晶體加工技術的要求。
近幾年來出現的納米壓印工藝，其所需設備成本低，加工時間短，
并且納米壓印復型的特征尺度最小可達6nm，具有很高的加工精度。
納米壓印工藝采用高分辨率電子束等方法將結構復雜的納米級結構
圖案加工在壓印模板上，之后用預先圖案化的壓印模板使聚合物材料
變形而在聚合物上形成結構圖案。本發明采用微接觸式納米壓印工藝
加工全禁帶三維光子晶體。
發明內容
針對現有光子晶體加工技術中的不足之處，結合目前兩種主要加 工方式的特點，本發明采用自下而上加工方式中使用單分散膠體顆粒 的方法，使光子晶體的單元結構更小；采用自上而下加工方式過程中 逐層疊加的方法，使光子晶體的缺陷更少。最終確定采取如下技術解 決方案
一種新型全禁帶三維光子晶體結構設計及其制造方法，以高分子 聚合物(硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯)作為基體材料，采用納米壓印 的方式在高分子聚合物基體材料中填入單分散膠體顆粒(聚苯乙烯、 二氧化硅或二氧化鈦)，使單分散膠體顆粒在高分子聚合物基體材料 中形成面心立方結構。在壓印模板凸起部分吸附單分散膠體顆粒，并 以微接觸式納米壓印工藝使單分散膠體顆粒在液態高分子聚合物基 體材料上形成了具有面心立方111面的二維結構，其中單分散膠體顆 粒即為面心立方lll面上的基元，之后逐層疊加，最終形成具有面心立方結構的全禁帶三維光子晶體。單分散膠體顆粒的粒徑為納米級，
分散系數小于5%。每層高分子聚合物基體材料的厚度為微米級，共 制備至少1層或者不少于2層的二維結構。
上述全禁帶三維光子晶體的制作方法，包括下列步驟
1. 將所需的壓印模板制成面心立方111面的結構。其中壓印模板 上的凸起部分即為面心立方111面上的基元位置，在壓印模板上濺射 沉積金屬薄層(銅或鋁)，之后用特氟龍層遮蔽壓印模板凹陷部分的 金屬薄層；
2. 對平面基材或者硅片進行必要的表面處理，用勻膠機在基材上 均勻涂鋪一層液態高分子聚合物基體材料，等待其自由流平；
3. 將納米級單分散膠體顆粒，用電暈荷電的方式使單分散膠體顆 粒帶有負電荷。
4. 將壓印模板表面的金屬薄層外接高壓電源，使壓印模板凸起部 分帶有正電荷。壓印模板凸起部分即可吸附帶有負電荷的單分散膠體 顆粒。改變外接高壓電源的電壓，可以調節壓印模板凸起部分分布的 正電荷的大小，使每一個凸起部分恰好能吸附一個單分散膠體顆粒；
5. 使吸附單分散膠體顆粒的壓印模板接觸涂鋪好的液態高分子 聚合物材料。單分散膠體顆粒將在高分子聚合物基體材料上形成面心 立方111面的二維結構，其中單分散膠體顆粒即為面心立方111面上 的基元；
6. 改變外接高壓電源的電壓方向，使壓印模板凸起部分金屬薄 層上分布的正電荷變為負電荷，單分散膠體顆粒與壓印模板間的吸附 作用變為排斥作用，即可脫去壓印模板。
7. 待高分子聚合物基體材料固化后，在制得的第一層二維結構上如步驟1涂鋪一層厚度為微米級的液態高分子聚合物基體材料，之后
重復步驟4至步驟6制得多層二維結構。
8.重復上述步驟，疊加至少1層或者不少于2層的相同的二維結 構，最后用液態高分子聚合物基體材料將制得的結構頂層涂鋪成水平 面，經過固化，即可獲得具有面心立方lll結構的全禁帶三維光子晶 體。
上述方法制得的全禁帶三維光子晶體尺寸組合為至少1層或者 不少于2層的二維結構，每層中單分散膠體顆粒粒徑dn為納米級， 分散系數Cv <5%, 二維平面內單分散膠體顆粒中心間距da為亞微 米級，每層高分子聚合物基體材料的厚度h為微米級，三維光子晶體 的厚度H為微米級。壓印模板凸起部分的尺寸組合為凸起部分寬度 w為納米級，凸起部分間隔v為納米級。
本發明的全禁帶三維光子晶體采用了面心立方結構，這種結構更 容易形成完全光子禁帶，設計并制得具有面心立方111面結構的壓印 模板，使壓印模板凸起部分分布有正電荷，吸附帶有負電荷的單分散 膠體顆粒，將壓印模板接觸液態高分子聚合物基體材料，使單分散膠 體顆粒在高分子聚合物基體材料上形成如面心立方111面的二維結 構，重復多次納米壓印工藝并逐層疊加，使單分散膠體顆粒在高分子 聚合物基體材料中形成包埋結構，得到所需的三維光子晶體。采用這 種方法制造的全禁帶三維光子晶體的內部缺陷更少，單元結構更小。
本發明采用微接觸式納米壓印工藝使單分散膠體顆粒在高分子 聚合物基體材料中形成全禁帶三維光子晶體的方法具有獨特的優點， 可以精確控制單分散膠體顆粒作為面心立方基元的位置，消除了過去 傳統自組裝方式制造光子晶體時不可避免會產生的大量內部缺陷。光子晶體能否產生所需要的光子禁帶，很大程度上取決于制得的光子晶 體的內部缺陷情況。其內部缺陷越少，越接近于理想的設計結構，就 越容易產生完全光子禁帶。并且由于本發明是使用逐層疊加的方式將 二維結構制成三維光子晶體，因此加工過程具有高度的靈活性。采用 具有不同結構的壓印模板可以得到具有體心立方或密堆六方結構的
光子晶體；改變壓印模板的微觀尺寸或選用不同粒徑的單分散膠體顆 粒可以改變光子晶體適用的光波波長范圍；改變壓印模板的宏觀尺寸 或選取不同的疊加層數可以改變光子晶體的宏觀尺寸。
本發明的技術方案，可用于制作各種具有獨特性能的光電子器 件，如低能量損耗光子晶體光纖、有機太陽能電池陰極板、低閾值的 激光器、寬帶阻光濾波器、新型陀螺儀、高性能光子晶體全反射鏡等 器件。在光子晶體中引入預定的光子缺陷態，可用于制造具有高品質 因數的微諧振腔、極窄帶的選頻濾波器、低損耗的光波導等器件。
圖1為按面心立方111面結構制備的壓印模板的主視示意圖； 圖2為按面心立方111面結構制備的壓印模板的仰視示意圖； 圖3為在平面基材6上勻膠制備第一層高分子聚合物基體材料示 意圖4為經電暈荷電處理帶有負電荷的單分散膠體顆粒示意圖； 圖5為在壓印模板凸起部分吸附單分散膠體顆粒示意圖； 圖6為在高分子聚合物基體材料上制備面心立方111面的二維結 構示意、圖7為壓印模板脫模過程示意圖；圖8為制得的兩層二維結構示意圖9為最終制得的全禁帶三維光子晶體和光子晶體中的單個晶 格示意圖。
具體實施例方式
下面，結合附圖詳細說明全禁帶三維光子晶體的納米壓印制作方法。
這種全禁帶三維光子晶體為將單分散膠體顆粒8，包埋在高分子 聚合物基體材料7中，經固化后形成具有面心立方結構的三維光子晶 體。
本發明的基本工作原理為選取適合材料，如單分散膠體顆粒選 用聚苯乙烯，高分子聚合物基體材料選用硅橡膠；或單分散膠體顆粒 選用二氧化鈦，高分子聚合物基體材料選用聚甲基丙烯酸甲酯。使單 分散膠體顆粒和高分子聚合物基體材料間產生大于2的介電常數比。 同時單分散膠體顆粒在三維空間中形成面心立方結構，這兩點滿足了 光子晶體產生完全光子禁帶的物理條件。這種全禁帶三維光子晶體結 構產生了完全光子禁帶，使頻率位于光子禁帶內的光波無法在光子晶 體內傳播，產生無吸收100%全反射、無損耗波導等物理現象。其特 點為內部缺陷更少、單元結構更小、具有全方向完全光子禁帶、光 子晶體尺寸具有較高的靈活性、成本低廉。
全禁帶三維光子晶體制作的主要工藝要素包括具有面心立方結 構的壓印模板1制造、壓印模板金屬薄層3的濺射沉積、用熱蒸鍍工 藝制備特氟龍遮蔽層4、壓印模板凸起部分2分布電荷的控制、以電 暈荷電方式使單分散膠體顆粒8帶有負電荷、以微接觸式納米壓印工藝使單分散膠體顆粒8在高分子聚合物基體材料7中形成包埋結構。 其中，以壓印模板1吸附單分散膠體顆粒8，采用微接觸式納米壓印 工藝在高分子聚合物基體材料7上形成具有面心立方111面5的二維 結構是加工三維光子晶體的關鍵。參見附圖4、 5、 6，此工藝可實現 的三維微結構的尺寸組合為單分散膠體顆粒粒徑dn 13為納米級， 二維平面內單分散膠體顆粒中心間距da 14為亞微米級，每層高分子 聚合物基體材料的厚度h 17為微米級。與常規的光子晶體加工方法 相比，本發明可以實現內部缺陷更少、單元結構更小的三維光子晶體 結構，且靈活性較高，可制備采用多種單元結構或材料的光子晶體。
本發明的全禁帶三維光子晶體制作方法包括以下工藝的組合制
備壓印模板l，之后濺射沉積金屬薄層3，并用特氟龍層4遮蔽凹陷 部分金屬薄層的工藝(附圖1)、高分子聚合物基體材料7涂鋪工藝(附 圖2)、采用電暈荷電方式使單分散膠體顆粒8帶負電荷9的工藝(附 圖3)、壓印模板凸起部分2吸附單分散膠體顆粒8工藝(附圖4)、在 高分子聚合物基體材料7上制備二維結構的微接觸式納米壓印工藝 (附圖5)、壓印模板1的脫模工藝(附圖6)。與傳統光子晶體加工技 術相比，本發明所采用的工藝組合結合了自上而下和自下而上加工方 式的優點，可以精確控制加工過程，制得的光子晶體內部缺陷更少、 單元結構更小，且在靈活性和成本等方面具有一定優勢。 這種全禁帶三維光子晶體制造的具體實施過程如下 1.壓印模板的制備。采用電子束光刻系統、刻蝕機制備壓印模板。 壓印模板1按面心立方111面5的結構設計制造，其中每一個凸起部 分即代表了面心立方的一個基元的位置。凸起部分寬度w15為納米 級，兩凸起部分間隔v16為納米級。用濺射沉積設備在壓印模板1上濺射金屬薄層3，該壓印模板凹陷部分的金屬薄層由金屬銅或者鋁構 成。之后用微接觸方式使壓印模板凸起部分2上覆蓋一層光刻膠，并 用鍍膜機在壓印模板表面蒸鍍特氟龍層4。最后洗去壓印模板凸起部 分的光刻膠和特氟龍層4，未被洗去的特氟龍層將遮蔽壓印模板凹陷 部分的金屬薄層；
2. 高分子聚合物基體材料的涂鋪。用勻膠機將經過稀釋的液態高 分子聚合物基體材料7旋轉涂鋪在平板基材6或經過拋光的硅片表 面，等待其自然流平；
3. 單分散膠體顆粒帶負電荷。外購單分散膠體顆粒8，單分散膠 體顆粒8的粒徑dn 13為納米級，分散系數Cv <5%。用電暈放電設 備處理單分散膠體顆粒8，使其表面分布有足量負電荷9;
4. 壓印模板吸附單分散膠體顆粒。采用高壓電源(電壓調節范圍 500V-500kV)，將壓印模板1表面的金屬薄層3外接高壓電源，使壓 印模板凸起部分2上帶有正電荷10。可調節高壓電源電壓的大小， 使壓印模板凸起部分2所帶的正電荷10的大小恰好能滿足在壓印模 板1的每一個凸起部分吸附一個帶有負電荷9的單分散膠體顆粒8;
5. 在高分子聚合物基體材料上壓印二維結構。采用微接觸式納米 壓印工藝，將已吸附單分散膠體顆粒8的壓印模板1接觸液態高分子 聚合物基體材料7后，單分散膠體顆粒8會在高分子聚合物基體材料 7上形成面心立方111面5的二維結構。要求二維平面內單分散膠體 顆粒8中心間距為da 14為亞微米級；
6. 壓印模板脫模。改變外接高壓電源電壓方向，使壓印模板凸起 部分2的正電荷10變為負電荷9，與帶有負電荷9的單分散膠體顆 粒8之間的吸附作用變為排斥作用，脫去壓印模板1。7. 重復壓印二維結構。脫去壓印模板l，待有高分子聚合物基體 材料7固化后，以步驟2所采用的工藝涂鋪第二層高分子聚合物基體 材料12，每層高分子聚合物基體材料的厚度hl7為微米級。之后重 復步驟4至步驟6制備第二層二維結構，
8. 重復步驟7，并疊加至少1層或者不少于2層的相同的二維結 構。之后用高分子聚合物基體材料7將制得的結構頂層涂鋪成水平 面，待高分子聚合物基體材料完全固化后即制成所需的三維光子晶 體。最終制得的全禁帶三維光子晶體厚度H 18為微米級。
本發明的全禁帶三維光子晶體采用了面心立方結構，這種結構更 容易形成完全光子禁帶，設計并制得具有面心立方111面結構的壓印 模板，使壓印模板凸起部分分布有正電荷，吸附采用經電暈荷電方式 處理、帶有負電荷的單分散膠體顆粒，將壓印模板接觸液態高分子聚 合物基體材料，使單分散膠體顆粒在高分子聚合物基體材料上形成如 面心立方lll面的二維結構，重復多次納米壓印工藝并疊加，使單分 散膠體顆粒在高分子聚合物基體材料中形成包埋結構，得到所需的三 維光子晶體。采用這種方法制造的全禁帶三維光子晶體的內部缺陷更 少，單元結構更小。
本發明采用微接觸式納米壓印工藝使單分散膠體顆粒在高分子 聚合物基體材料中形成全禁帶三維光子晶體的方法具有獨特的優點， 可以精確控制單分散膠體顆粒作為面心立方基元的位置，消除了過去 采用自組裝方式制造光子晶體時不可避免會產生的大量內部缺陷。光 子晶體能否產生所需要的光子禁帶，很大程度上取決于制得的光子晶 體的內部缺陷情況。其內部缺陷越少，越接近于理想的設計結構，就 越容易產生完全光子禁帶。并且由于本發明使用逐層疊加的方式將二維結構制成三維光子晶體，因此加工過程具有高度的靈活性。采用具 有不同結構的壓印模板可以得到具有體心立方或密堆六方結構的光
子晶體；改變壓印模板的微觀尺寸并選用不同粒徑的膠體顆粒可以改 變光子晶體適用的光波波長范圍；改變壓印模板的宏觀尺寸或選取不 同的疊加層數可以改變光子晶體的宏觀尺寸。
權利要求
1. 一種全禁帶三維光子晶體的納米壓印制作方法，包括下列步驟步驟一、制備壓印模板(1)，使其凸起部分(2)符合面心立方111面(5)上的基元位置，在壓印模板(1)上濺射沉積金屬薄層(3)，并用特氟龍層(4)遮蔽壓印模板凹陷部分的金屬薄層(3)；步驟二、首先在平面基材(6)表面上均勻涂鋪一層液態高分子聚合物基體材料(7)，待其自由流平；步驟三、采用電暈荷電方式處理單分散膠體顆粒(8)，使單分散膠體顆粒(8)表面分布有負電荷(9)；步驟四、外接高壓電源，壓印模板凸起部分(2)即帶正電荷(10)，使壓印模板凸起部分(2)吸附帶有負電荷(9)的單分散膠體顆粒(8)；步驟五、采用微接觸式納米壓印工藝，使已吸附單分散膠體顆粒(8)的壓印模板(1)接觸高分子聚合物基體材料(7)，單分散膠體顆粒(8)在高分子聚合物基體材料(7)上形成如面心立方111面(5)的二維結構；步驟六、改變外接高壓電源電壓方向，使壓印模板凸起部分(2)的正電荷(10)變為負電荷(9)，單分散膠體顆粒(8)與壓印模板(1)間的吸附作用變為排斥作用，脫去壓印模板(1)；步驟七、按上述步驟疊加至少1層或多層相同的二維結構，并用高分子聚合物基體材料(7)將制得的結構頂層涂鋪成水平面，之后待高分子聚合物基體材料完全固化后即得全禁帶三維光子晶體。
2、 根據權利要求1所述納米壓印制作方法，其特征在于所述 壓印模板凹陷部分的金屬薄層(3)由銅或者鋁構成。
3、 根據權利要求1所述納米壓印制作方法，其特征在于所述 均勻涂鋪的液態高分子聚合物基體材料(7)是硅橡膠或者聚甲基丙 烯酸甲酯。
4、 根據權利要求1所述納米壓印制作方法，其特征在于所述 采用電暈荷電方式處理的單分散膠體顆粒(8)為聚苯乙烯、二氧化 硅或者二氧化鈦。
5、 根據權利要求1所述納米壓印制作方法，其特征在于所述 壓印模板吸附單分散膠體顆粒(8)時，采用的高壓電源的調節范圍為500V-500kV。
6、 —種采用納米壓印制造方法加工的全禁帶三維光子晶體結構， 包括單分散膠體顆粒(8)和高分子聚合物基體材料(7、 12)，其特 征在于-采用高分子聚合物基體材料(7、 12)，令單分散膠體顆粒(8) 作為晶格基元，最終制得單分散膠體顆粒(8)在高分子聚合物基體 材料(7、 12)中呈三維面心立方結構；所述的全禁帶三維光子晶體的微觀尺寸組合為單分散膠體顆粒 (8)粒徑dn (13)為納米級，分散系數Cv <5%, 二維平面內單分 散膠體顆粒(8)中心間距da (14)為亞微米級；所述的全禁帶三維光子晶體的宏觀尺寸組合為單分散膠體顆粒 (8)共有至少1層，或者不少于2層，高分子聚合物基體材料(7、 12)共有不少于2層，每層高分子聚合物基體材料(7、 12)的厚度 h (17)為微米級，全禁帶三維光子晶體的厚度H (18)為微米級。
全文摘要
本發明涉及微納制造技術領域，介紹了一種全禁帶三維光子晶體的壓印成型制造方法及全禁帶三維光子晶體結構。以高分子聚合物硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯作為基體材料，采用納米壓印的方式在高分子聚合物基體材料中填入單分散膠體顆粒(聚苯乙烯、二氧化硅或二氧化鈦)，使單分散膠體顆粒在高分子聚合物基體材料中形成面心立方結構。在壓印模板凸起部分吸附單分散膠體顆粒，并以微接觸式納米壓印工藝使單分散膠體顆粒在液態高分子聚合物基體材料上形成了具有面心立方111面的二維結構，其中單分散膠體顆粒即為面心立方111面上的基元，之后逐層疊加，最終形成具有面心立方結構的全禁帶三維光子晶體。
文檔編號G03F7/00GK101303524SQ200810018360
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月3日 優先權日2008年6月3日
發明者丁玉成, 劉洪忠, 盧秉恒, 欣 李, 蔣維濤, 芩 連 申請人:西安交通大學