一種電場誘導復眼透鏡多級結構的制備工藝的制作方法

本發明屬于微納制造中的復眼透鏡技術領域，具體涉及一種電場誘導復眼透鏡多級結構的制備工藝。

背景技術：

在微納光學元件的設計與制造中，自然界給予人類很多重要的啟示，復眼透鏡就是從昆蟲復眼獲得靈感的典型例子。昆蟲的復眼是一種跨尺度多級結構，在毫米級或微米級尺度的復眼上，密排著若干微米級或納米級的小眼。與哺乳動物不同，昆蟲的復眼不能夠通過肌肉來調節感知方向以及實現變焦功能，但大量小眼構成的復眼具有視場大，運動感知靈敏度高等優點，能夠實現對運動物體的快速反應和定位，在大面積均勻光照系統、運動物體檢測、信息通信等方面具有廣泛的應用。目前，復眼透鏡多級結構的制備通常采用激光或聚焦離子束直寫、等離子體干法刻蝕、柔性納米壓印等工藝實現，然而，現有的曲面復眼透鏡的制造工藝集中于宏微、宏納或微納復眼透鏡中某一復合結構的特定形式，難以實現不同跨尺度曲面復眼透鏡的普適性制造，即缺少一種工藝方法能夠同時滿足宏微、宏納或微納的曲面復眼透鏡制造需求。因此，一種滿足復眼透鏡多級結構制造特征的三維微納結構制造技術，實現多級結構跨尺度的普適性制造，是理想復眼透鏡從器件原理走向器件產品的關鍵前提和技術保障。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種電場誘導復眼透鏡多級結構的制備工藝，能夠滿足復眼透鏡宏微、宏納或微納跨尺度普適性制造的需求。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種電場誘導復眼透鏡多級結構的制備工藝，包括以下步驟：

第一步，基材及成形材料的選擇及制備：在透明導電基材表面利用旋涂工藝制備一層厚度為毫米級或微米級的低玻璃態轉化溫度的熱塑性高介電常數聚合物，作為復眼透鏡的底層結構材料，然后在熱塑性高介電常數聚合物表面旋涂制備一層厚度為微米級或納米級的低介電常數聚合物，作為復眼透鏡的頂層結構材料；

第二步，復眼透鏡頂層結構的制備：選用特征尺度為微米級或納米級的壓印模板，利用壓印工藝在低介電常數聚合物上制備一層特征尺度為微米級或納米級的陣列結構，作為復眼透鏡的頂層結構；

第三步，復眼透鏡底層結構的制備：利用光刻工藝在高摻導電Si片表面制備特征尺度為毫米級或微米級的結構，采用結構化的高摻導電Si片作為誘導模板，與結構化低介電常數聚合物間隔距離為毫米級或微米級，施加外部電壓，同時施加外加熱場，使熱塑性高介電常數聚合物溫度超過其玻璃態轉換溫度，外部電壓會在固態低介電常數聚合物與液態熱塑性高介電常數聚合物界面處產生麥克斯韋應力，驅動液態熱塑性高介電常數聚合物按照誘導模板的結構化形貌向上生長，施加外部電壓0.2-2小時，直至復形過程結束；

第四步，復眼透鏡復合結構固化成形：在保持外部電壓不變的情 況下去除外加熱場，固化電誘導復形所得的多尺度復合結構，從而得到具有跨尺度特征的復眼透鏡多級結構。

所述的透明導電基材為氧化銦錫ITO玻璃或氧化氟錫FTO玻璃。

所述的熱塑性高介電常數聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

所述的低介電常數聚合物為NOA系列UV光固化膠或聚二甲基矽氧烷PDMS。

本發明的有益效果：

本發明一種電場誘導復眼透鏡多級結構的制備工藝，克服了目前工藝難以實現不同跨尺度曲面復眼透鏡的普適性制造難題，能夠實現宏微、宏納以及微納尺度復眼透鏡復合結構的可控制造，同時加工成本低，加工效率高，制備的復眼透鏡多級結構可以廣泛地應用在大面積均勻光照系統、運動物體檢測、信息通信等方面。

附圖說明：

圖1為本發明在透明導電基材上制備兩層介電常數不同的聚合物材料的結構示意圖。

圖2為本發明利用壓印工藝制備復眼透鏡頂層結構的工藝示意圖。

圖3為本發明制備的復眼透鏡頂層結構示意圖。

圖4為本發明電場誘導復眼透鏡底層結構的工藝示意圖。

圖5為本發明電場誘導制備的復眼透鏡底層結構示意圖。

圖6為本發明制備的復眼透鏡多級結構示意圖。

圖7為本發明電場誘導過程中雙層聚合物材料的誘導原理示意 圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做詳細描述。

一種電場誘復眼透鏡多級結構的制備工藝，包括以下步驟：

第一步，基材及成形材料的選擇及制備：在透明導電基材1表面利用旋涂工藝制備一層厚度h₁為毫米級或微米級的低玻璃態轉化溫度的熱塑性高介電常數聚合物2，作為復眼透鏡的底層結構材料，然后在熱塑性高介電常數聚合物2表面旋涂制備一層厚度h₂為微米級或納米級的低介電常數聚合物3，作為復眼透鏡的頂層結構材料，如圖1所示，透明導電基材1為氧化銦錫ITO玻璃或氧化氟錫FTO玻璃，熱塑性高介電常數聚合物2為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，低介電常數聚合物3為NOA系列UV光固化膠或聚二甲基矽氧烷PDMS；

第二步，復眼透鏡頂層結構的制備：選用寬度w₁為微米級或納米級，間距w₂為微米級或納米級，深度h₃為微米級或納米級的壓印模板，利用壓印工藝在低介電常數聚合物3上制備一層特征尺度為微米級或納米級的陣列結構，作為復眼透鏡的頂層結構，如圖2所示，壓印工藝制備的復眼透鏡頂層結構寬度w₃微米級或納米級，間距w₄為微米級或納米級，高度h₅為微米級或納米級，留膜厚度h₄為微米級或納米級，如圖3所示；

第三步，復眼透鏡底層結構的制備：利用光刻工藝在高摻導電Si片5表面制備凸起結構，凸起結構的寬度w₅為毫米級或微米級，凸起結構的深度h₆為毫米級或微米級，采用結構化的高摻導電Si片 5作為誘導模板，與結構化低介電常數聚合物間隔距離h₇為毫米級或微米級，施加外部電壓6，同時施加外加熱場7，使熱塑性高介電常數聚合物2溫度超過其玻璃態轉換溫度，外部電場6會在固態低介電常數聚合物3與液態熱塑性高介電常數聚合物2界面處產生麥克斯韋應力，驅動液態熱塑性高介電常數聚合物2按照誘導模板的結構化形貌向上生長，施加外部電壓6持續0.2-2小時，直至復形過程結束，如圖4所示；

第四步，復眼透鏡復合結構固化成形：在保持外部電壓6不變的情況下去除外加熱場7，固化電誘導復形所得的多尺度復合結構，如圖5所示，從而得到具有跨尺度特征的復眼透鏡多級結構，頂層低介電常數聚合物3寬度w₃為微米或納米級，間距w₄為微米或納米級，留膜厚度h₉為微米或納米級，底層熱塑性高介電常數聚合物2留膜厚度h₈為毫米或微米級，總體高度h₁₀為毫米或微米級，如圖6所示；

在電場誘導復眼透鏡流變成形的過程中，底層熱塑性高介電常數聚合物2由于外加熱場7的引入，會超過玻璃態轉化溫度保持流動狀態，即液態，而頂層低介電常數聚合物3由于固化作用保持為固態，外部電壓6在熱塑性高介電常數聚合物2和低介電常數聚合物3之間由于介電常數的差異性，會產生垂直于界面且由熱塑性高介電常數聚合物2指向低介電常數聚合物3的電場力F，如圖7所示；維持一段時間后，待液態熱塑性高介電常數聚合物2完成復形，去除外加熱場7使熱塑性高介電常數聚合物2固化，最后脫去誘導模板，即得到所需要的復眼透鏡多級結構。

本發明利用電場誘導工藝制備的復眼透鏡多級結構，能夠滿足宏微、宏納以及微納尺度復眼透鏡多級結構普適性及可控性制造的需求，加工復雜度低，提高了結構復形準確度，可以廣泛應用于運動物體檢測、均勻光照系統、光信息通信等領域。