專利名稱：量子點植入反射式主動光柵及其制造方法
技術領域：
本發明屬于微納制造技術領域，涉及一種新型減阻表面及其制造方法，尤其是一 種量子點植入反射式主動光柵及其制造方法。
背景技術：
光柵技術已廣泛地應用于精密位移測量、角度測量。在數控加工、微電子等領域大 量采用。作為數控機床核心技術之一，光柵測量技術對保障現代機床的各項性能指標起著 決定性作用。但是，光柵式測量也存在如下問題線數較高、長度較大的光柵刻制困難，體現 在測長上就是測量分辨率與量程的矛盾；測量精度與光柵的制造精度有直接的關系，因此 受光柵加工工藝的影響比較大。隨著光柵量程的增加，對衍射效果及信噪比的要求越來越 高，而現有光柵的衍射效率，隨著量程的增加，能夠產生衍射的光強度呈現出明顯的相對減 弱趨勢，特別是在反射式光柵方面，需要在光柵結構處參與衍射的光強度有極大提高，以滿 足大量程光柵對衍射效果的需求。量程為幾百毫米的光柵尺價格達幾萬甚至十幾萬元，限 制了應用范圍。目前光柵通常采用半導體光刻工藝加工，基于半導體材料進行制作，但光刻 工藝方法制作面積小、價格昂貴、制作周期長。相比于上述制作工藝存在的局限性，納米壓印技術是一種可以制造大面積微納米 結構的并行制造技術，具有成本低，生產效率高的特點。本發明采用微壓印技術，并結合旋 涂工藝和電子束刻蝕技術，將具有光致發光效應的量子點植入光柵結構，制作出具有自主 發光能力的大尺度反射式光柵，極大地提高了光柵衍射效果，提高了信噪比。
發明內容
本發明的目的在于克服現有光柵聚光能力有限，信噪比低的缺點，提供一種具有 自主發光能力的反射光柵。利用半導體量子點材料受光激發后能夠發光，而且可以調整量 子點材料粒子尺寸來得到不同顏色波段熒光的特點，采用微壓印技術，將量子點植入光柵 結構中，當光柵界面受到光照射后，量子點受到激發后發出的光與光柵所反射的光共同衍 射，其強度將大大強于僅靠光柵反射所產生的衍射光強度。并通過對光柵微結構進行設計， 最大程度收集光線，并使量子點受激發射的光和光柵反射的光的衍射效果最優化，提高信 噪比性能。為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案實現。主動發光式光柵的制作方法包括以下步驟(1)量子點植入模具(模具I)的制作。首先在基片(硅、石英上)采用光學光刻 法或電子束加工出帶有微米級陣列的模版I，模具I采用透明硅橡膠PDMS作為模具材料， 真空澆注硅橡膠PDMS，通過模板I復型為軟模具。微米陣列交錯排列，光柵周期為20nm至 20um，槽寬 20nm 至 20um,高度為 20nm 至 20um。(2)在基底上壓印量子點。在模具I表面鋪涂一層聚對二甲苯沉積涂層，以利于量 子點膠狀溶液的擴散，以氯仿作為溶劑，將量子點溶液通過旋涂方式制備到涂有聚對二甲苯沉積涂層的模具I圖形表面。采用逆壓印(膠狀量子點溶液在模具表面)對光柵基底進 行壓印，將量子點圖案轉移到基底表面。(3)光柵模具(模具II)制作。根據基底上的量子點圖案，先通過電子束直寫制作 微米結構的硅基母(模板II)，真空澆注硅橡膠PDMS后，復型出光柵模具(模具II)。(4)制作量子點植入式光柵。在已有量子點圖形的光柵基底上，旋涂PDMS膠狀溶 液，將整個量子點圖形埋入其中，將模具II與基底對準版，對埋有量子點的PDMS膠狀溶液 施加工藝，脫模后保留量子點圖形。隨后進行烘干、固形。所述量子點模具(模具I)是在硅或石英上采用光刻或電子束刻蝕加工出微米級 模板圖形。所述模具均選用單體和固化劑混合攪拌后反應固化型高分子材料硅橡膠PDMS，以 真空澆注方式復型為軟模具。在旋涂量子點膠狀溶液至量子點模具(模具I)之前，先在模具表面鋪涂一層聚對 二甲苯沉積涂層，以保證量子點與模具表面微結構的充分結合。所述量子點材料選用外表面包覆有硫化鎘(CdS)的硒化鎘(CdSe)，將膠狀量子點 溶于氯仿溶液中。 所述光柵結構的凸起部位，是由埋入的量子點和包在其表面的PDMS膠狀液構成。本發明采用微壓印等工藝，在傳統光柵的基礎上，利用量子點受激發光的特點，直 接精確地制作量子點植入式主動反射光柵裝置，光柵結構中的反射光線與量子點所發光線 相結合，所產生的衍射效應及光強顯著強于傳統光柵。解決了傳統光柵衍射效應不明顯所 帶來的信號強度差，信噪比低的缺點。此外，本發明采用的微壓印工藝，能實現批量生產，解決批量制造的問題，并使成 本大大降低。用于光譜分析、超高精密平面光柵、高精度機床用精密光柵。
圖1為用量子點模具制作過程示意圖；圖2為量子點模具上鋪涂脫模層示意圖示意圖；圖3為量子點模具上鋪涂量子點示意圖；圖4為光柵基底上逆壓印量子點示意圖；圖5為光柵模具制作示意圖；圖6為光柵基底鋪涂PDMS溶液；圖7為壓印得到反射光柵微結構陣列；圖8為角度可控光柵微結構陣列一；圖9為角度可控光柵微結構陣列二。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述第1步，參照圖1，采用真空熔鑄法，制作量子點模具(模具I)。以電子束直寫光刻 加刻蝕工藝制作模板I，硅橡膠單體對固化劑的比例為10 1，澆鑄真空壓力2.3X10_2Pa， 熱固化溫度100°C，熱固化時間1小時，以確保從硅基母模板上復型的PDMS軟模具結構清晰，無氣泡、顆粒等缺陷。第2步，參 照圖2，采用旋涂工藝，在模具I圖形面上均勻鋪涂厚度為30nm的聚氯 代對二甲苯-C(Parylene-C)薄膜作為脫模層，這將極大地促進量子點在壓印過程中從模 具向基底順利轉移，并阻擋量子點與PDMS模具發生反應；第3步，參照圖3，以旋涂方式將懸浮在有機溶劑(氯仿)中的膠狀量子點溶液，均 勻鋪涂到沉積了 parylene-C脫模層的模具I表面，待其自由流平；第4步，參照圖4，待有機溶劑蒸發之后，采用逆壓印工藝，將分布在模具表面的量 子點轉印到低地板基底表面，在基底表面形成由量子點構成的圖案，壓印前務必保證基底 表面清潔，模具與基底要對準。第5步，參照圖5，采用與模具I相同的加工工藝(第一步)，制作光柵軟模具(模 具II)，光柵周期為20nm至20um，槽寬20nm至20um，高度為20nm至20um。第六步，以旋涂方式，用勻膠機將經過稀釋的液態高分子聚合物PDMS阻蝕膠(低 黏度)旋轉涂鋪在基底表面，將量子點埋入其中，待其自然流平。第6步，加載壓力將光柵模具壓在旋涂層上，并放入真空烘箱里，調整溫度在 100°c，真空烘烤30分鐘。取出后脫模，形成量子點光柵。壓印之前務必保證基底表面甩膠 均勻，模具與基底要對準。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施方式
僅限于此，對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所 提交的權利要求書確定專利保護范圍。
權利要求
1.一種量子點植入反射式主動光柵，其特征在于所述光柵結構為微米陣列交錯排列 結構，光柵內部設置有量子點，該量子點表面包覆有PDMS膠狀液，量子點和其表面包覆的 PDMS膠狀液構成光柵表面的凸起。
2.如權利要求1所述一種量子點植入反射式主動光柵，其特征在于所述光柵周期為 20nm 至 20um，槽寬 20nm 至 20um,高度為 20nm 至 20um。
3.如權利要求1所述一種量子點植入反射式主動光柵，其特征在于所述量子點是 CdSe/ZnS核殼量子點、CdS/ZnS核殼量子點或a^e/CdSe/ZnS雙核殼量子點。
4.如權利要求1所述一種量子點植入反射式主動光柵，其特征在于所述微米陣列剖 面的形狀為圓柱、正方形、長方形、菱形或六邊形以及梯形，微結構邊緣與鉛直方向夾角可 控，夾角范圍在0至90度之間。
5.如權利要求1、2、3或4所述量子點植入反射式主動光柵的制作方法，其特征在于，按 照如下步驟(1)制作量子點模具首先在基片采用光學光刻法或電子束加工出帶有微米級陣列的 量子點模板，量子點模具采用透明硅橡膠PDMS作為模具材料，真空澆注硅橡膠PDMS，通過 量子點模板復型為量子點模具；(2)在光柵基底上壓印量子點在量子點模具表面鋪涂一層聚對二甲苯沉積涂層，以 利于量子點膠狀溶液的擴散，以氯仿作為溶劑，將量子點溶液通過旋涂方式制備到涂有聚 對二甲苯沉積涂層的量子點模具圖形表面；采用逆壓印對光柵基底進行壓印，將量子點圖 案轉移到光柵基底表面；(3)制作光柵模具根據光柵基底上的量子點圖案，先通過電子束直寫制作微米結構 的硅基母，真空澆注硅橡膠PDMS后，復型出光柵模具；(4)制作量子點植入式光柵在已有量子點圖形的光柵基底上，旋涂PDMS膠狀溶液，將 整個量子點圖形埋入其中，將光柵模具與基底對準版，對埋有量子點的PDMS膠狀溶液施加 工藝，脫模后保留量子點圖形；隨后進行烘干、固形，得到量子點植入反射式主動光柵。
6.如權利要求5所述量子點植入反射式主動光柵的制作方法，其特征在于，所述量子 點模具是在硅或石英上采用光刻或電子束刻蝕加工出微米級模板圖形。
7.如權利要求5所述量子點植入反射式主動光柵的制作方法，其特征在于在旋涂量 子點膠狀溶液至量子點模具之前，先在模具表面鋪涂一層聚對二甲苯沉積涂層，使量子點 與模具表面微結構的充分結合。
8.如權利要求5所述量子點植入反射式主動光柵的制作方法，其特征在于，所述量子 點材料選用外表面包覆有硫化鎘的硒化鎘，將膠狀量子點溶于氯仿溶液中。
9.如權利要求5所述量子點植入反射式主動光柵的制作方法，其特征在于，所述基片 是由硅、有機玻璃或鋁制成。
10.如權利要求5所述量子點植入反射式主動光柵的制作方法，其特征在于，所述 真空澆注硅橡膠PDMS的條件為硅橡膠單體對固化劑的比例為10 1，澆鑄真空壓力 2. 3X10_2Pa，熱固化溫度100°C，熱固化時間1小時。
全文摘要
本發明公開了一種量子點植入反射式主動光柵及其制造方法，該方法利用量子點具有優良的光致發光能力，且色度選擇范圍寬的特點，采用壓印工藝，首次將量子點埋入光柵結構中，通過結構設計及量子點種類的選擇，實現量子點所發射光線與光柵反射的光線共同衍射，增強了衍射效果。本發明制作過程為使用電子束光刻及真空熔鑄法制作量子點及光柵模具，使用壓印工藝制作量子點及光柵微結構圖案，最終形成光柵結構。光柵周期為20nm至20μm，槽寬20nm至20μm，高度為20nm至20μm，光柵微結構形狀為圓柱、正方形、長方形、菱形或六邊形以及梯形等圖形，微結構邊緣與鉛直方向夾角可控，夾角范圍在0至90度之間。
文檔編號G02B5/18GK102096134SQ20111000947
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月17日 優先權日2011年1月17日
發明者丁玉成, 劉紅忠, 盧秉恒, 徐維 申請人:西安交通大學