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領域。本發明主要通過控制膜的厚度、孔徑大小和孔間隙，來調節反射的顏色的不同。本發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。通過激光能量來調節孔徑大小和孔間隙。本發明的二維光子晶體可以應用于光學防偽方面。
【專利說明】
基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法
技術領域
[0001]本發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，應用于膜的光學結構制備和應用技術領域。
【背景技術】
[0002]美國Science雜志在1998、1999年連續兩年將光子晶體列為十大科學進展之一，預示了光子晶體在信息技術領域的廣闊發展前景。在過去幾年中，具有人造周期性結構或者準周期性結構的光子晶體和準光子晶體已經進入了深入研究階段。如今，利用其介質材料及幾何特征的周期性開發制造了一些具備商業應用前景的器件，如硅拉曼激光器、光纖、光學濾波器、高Q值光子晶體微腔、全光開關、太赫茲光學元件。
[0003]光子帶隙是光子晶體最本質的特征，即頻率位于光子帶隙中的光被禁止在光子晶體內部傳播。如果光子晶體的帶隙位于380?780 nm的可見光區域，那么特定波長的可見光將無法在光子晶體結構中傳播而反射到空氣中，從而在光子晶體表面形成結構色。光子晶體這種優異的光調制特性提高了人對光子的操控能力，結構色的典型特征也使光子晶體具有廣闊的應用前景，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用更廣泛，制備技術更成熟。現有的二維光子晶體制備方法制備的膜的光學結構的精細度和變色效果還不夠理想，影響了二維光子晶體在更多領域的推廣應用。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，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周期排列的空氣柱，通過合理調整孔洞直徑、間隙參數，以期產生與普通多層膜光學結構不同的隨角度變色特征。本發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]為達到上述發明創造目的，采用下述技術方案:
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;當進行Cr層制備工藝時，優選保持硅襯底溫度為20~100°C，并優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層上繼續制備厚度為300?600nm的氧化硅層，控制氬氣與氧氣質量流量比為5:2?5:4，控制濺射的射頻功率為150?250W;當進行氧化硅層制備工藝時，優選保持硅襯底溫度為20?150°C，并優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]作為本發明優選的技術方案，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，相鄰孔洞的側邊緣間距為600?800 nm。
[0008]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
1.本發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，能夠獲得精度更高的表面膜的光學結構；
2.本發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.本發明通過控制磁控濺射工藝和激光能量，來調節膜的厚度、孔徑大小和孔間距，進而來調節二維光子晶體反射的顏色的不同，發明制備的二維光子晶體完全能滿足應用于光學防偽方面的要求。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發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為本發明實施例一制備的二維光子晶體的彩虹色光學效果示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本發明的優選實施例詳述如下:
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層上繼續制備厚度為400nm的氧化硅層，控制氬氣與氧氣質量流量比為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，來調節反射的顏色的不同。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的排布。從圖3可知，通過光子晶體彩虹色光學效果圖，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節孔徑大小和孔間隙，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，使其完全能夠應用在光學的防偽方面。
[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，來調節反射的顏色的不同，本實施例制備的二維光子晶體變色效果明顯。
[0015]上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明基于激光刻蝕空氣柱二維光子晶體的制備方法的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
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層上繼續制備厚度為300?600nm的氧化硅層，控制氬氣與氧氣質量流量比為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.根據權利要求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，當進行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.根據權利要求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，當進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.根據權利要求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