专利名称：球粒阵列辅助飞秒激光双光子聚合制备纳米阵列结构方法
技术领域：
本发明涉及了一种透明球粒阵列辅助飞秒激光双光子聚合制备纳米阵列结构方法，属于激光制备纳米尺度规则列阵技术。
背景技术：
纳米技术越来越引起人们的兴趣，提出了各种各样的制备规则纳米阵列结构的方法。其中亚波长透明颗粒近场光增强技术和飞秒激光双光子聚合技术是两种具有代表性的方法，近场光增强方法是利用激光透过亚波长尺度球形透明颗粒后在其与待加工基片表面之间由于Mie散射而产生的近场光增强效应，其光强分布呈高斯型(即中间高两侧迅速下降)，光腰半径小于等于颗粒的直径，在基片表面相应位置加工出纳米尺度微孔(在光强足够大的情况下)，单独采用近场光增强方法只能制得72纳米的最小特征尺寸结构；飞秒激光双光子聚合是利用飞秒激光焦点处光强极高，可达到双光子吸收阈值，而激光的光强分布为高斯型，因此，适当选择激光能量可使激光能量刚好或略高于双光子吸收阈值，这时激光焦点区域内只有最靠近中心的一小部分达到双光子吸收阈值，发生光聚合，因此，可产生特征尺寸远小于衍射极限的固化结构。单独采用飞秒激光双光子聚合方法只能制得120纳米的最小特征尺寸的结构。
纳米尺度规则阵列在微器件加工领域有广泛的应用前景。有关涉及到本发明技术的文献和报道如下[1]Hiroto Takada and Minoru Obara，J.J.Appl.Phys.，2005，44(11)7993-7997. S.Kawata，H.B.Sun，T.Tanaka，K.Takada，Nature，2001，412697-698.
发明内容
本发明的目的在于提供一种透明球粒阵列辅助飞秒激光双光子聚合制备纳米阵列结构的方法。以该方法能制备出100纳米以下的纳米规则阵列结构。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种透明球粒阵列辅助飞秒激光双光子聚合制备纳米阵列结构的方法，其特征在于包括以下过程1.采用紫外负型光刻胶为原料，或采用掺有质量百分比0.1-10％的紫外光引发剂的环氧或丙烯酸树脂为原料，或采用掺有质量百分比0.1-10％的紫外光引发剂的SiO2/ZrO2或SiO2/TiO2溶胶-凝胶为原料，以旋涂方法将原材料沉积在单晶硅或光学玻璃的基片上，涂层厚度为1-2微米，在80-100℃度下烘干后制得基层。
2.将球形直径为200纳米到600纳米的聚苯乙烯颗粒或石英玻璃颗粒的水溶液以旋涂法或以胶态液滴法(colloidal droplet method)或以垂直沉积法(vertical deposition method)涂在基片的基层上制得单层紧密排列的球形透明颗粒阵列模板。
3.采用波长775-1550纳米、脉冲宽度为10-100飞秒、重复频率为20-100MHz、功率为1-100毫瓦的飞秒激光振荡器发出的激光，并使激光通过0.1-1.0的孔径的物镜聚焦在单层紧密排列的球形透明颗粒阵列模板上，在透明球形颗粒与原材料涂层表面之间发生光增强效应，单个透明球形颗粒形成的光强分布为高斯型，当激光能量达到双光子聚合阈值时，发生聚合反应，从而在基片上制得100纳米以下的规则阵列结构。
本发明的优点在于，与单独采用近场光增强方法或单独采用飞秒激光双光子聚合方法相比，可制备特征尺寸更小的规则纳米阵列结构。
图1为激光光强分布曲线图。
图2为现有的近场光增强制备纳米阵列结构采用的装置示意图。
图3为现有飞秒激光双光子聚合方法制备纳米阵列结构采用的装置示意图。
图4为本发明制备纳米阵列结构采用的装置示意图。
图中1为多光子吸收阈值光强、2为光斑直径、3为激光光强分布曲线、4为飞秒激光振荡器发出的光束、5为物镜、6为单层球形透明颗粒阵列、7为基片、8为光刻胶涂层、9双光子聚合处。
具体实施例方式
实施例1.以光刻胶(SCR500；JSR，Japan)为原材料。首先采用旋涂方法将原材料沉积在单晶硅或光学玻璃基片上，厚500nm-2μm，80-150℃烘干后，再将已经过超声分散的单分散、平均直径为200纳米到600纳米的球形透明石英颗粒水溶液以旋涂方法直接沉积在涂有光刻胶的基片上形成单层紧密排列的亚波长尺度球形透明颗粒阵列模板。然后，采用近红外波段、脉冲宽度为10-100飞秒、重复频率为20-100MHz、功率为1-100mW的钛宝石飞秒激光振荡器，使激光通过数值孔径为0.1-1.0物镜聚焦在单层紧密排列的亚波长尺度球形透明颗粒阵列上，在透明球形颗粒与原材料涂层表面之间发生光增强效应，单个透明球形颗粒形成的光强分布为高斯型，即中间高两侧迅速下降，调节激光能量使得只有最靠近中心区域处才能达到双光子吸收阈值，发生聚合反应，从而制备出特征尺寸小于100nm的规则阵列结构。
实施例2.以掺有质量比4％紫外光引发剂(Irgacure 369，CIBA)的环氧树脂为原材料。首先采用旋涂方法将原材料沉积在单晶硅或光学玻璃基片上，厚度500nm-2μm，80-150℃烘干后，再将已经过超声分散的适量的单分散、平均直径为200纳米到600纳米的球形透明石英颗粒水溶液以旋涂方法直接沉积在涂有光刻胶的基片上形成单层紧密排列的亚波长尺度球形透明颗粒阵列模板。然后，采用近红外波段、脉冲宽度为10-100飞秒、重复频率为20-100MHz、功率为1-100mW的钛宝石飞秒激光振荡器，使激光通过数值孔径为0.1-1.0物镜聚焦在单层紧密排列的亚波长尺度球形透明颗粒阵列上，在透明球形颗粒与原材料涂层表面之间发生光增强效应，单个透明球形颗粒形成的光强分布为高斯型，即中间高两侧迅速下降，适当调节激光能量使得只有最靠近中心区域处才能达到双光子吸收阈值，发生聚合反应，从而制备出特征尺寸小于100nm的规则阵列结构。
实施例3.以掺质量比4％紫外光引发剂(Irgacure 369，CIBA)的SiO2/ZrO2溶胶-凝胶为原材料。首先采用旋涂方法将原材料沉积在单晶硅或光学玻璃基片上，厚度500nm-2μm，80-150℃烘干后，再将已经过超声分散的单分散、平均直径为200纳米到600纳米的球形透明石英颗粒水溶液以旋涂方法直接沉积在涂有光刻胶的基片上形成单层紧密排列的亚波长尺度球形透明颗粒阵列模板。然后，采用近红外波段、脉冲宽度为10-100飞秒、重复频率为20-100MHz、功率为1-100mW的钛宝石飞秒激光振荡器，使激光通过数值孔径为0.1-1.0物镜聚焦在单层紧密排列的亚波长尺度球形透明颗粒阵列上，在透明球形颗粒与原材料涂层表面之间发生光增强效应，单个透明球形颗粒形成的光强分布为高斯型，即中间高两侧迅速下降，适当调节激光能量使得只有最靠近中心区域处才能达到双光子吸收阈值，发生聚合反应，从而制备出特征尺寸小于100nm的规则阵列结构。
权利要求
1.一种球粒阵列辅助飞秒激光双光子聚合制备纳米阵列结构的方法，其特征在于包括以下过程(1)采用紫外负型光刻胶为原料，或采用掺有质量百分比0.1-10％的紫外光引发剂的环氧或丙烯酸树脂为原料，或采用掺有质量百分比0.1-10％的紫外光引发剂的SiO2/ZrO2或SiO2/TiO2溶胶-凝胶为原料，以旋涂方法将原材料沉积在单晶硅或光学玻璃的基片上，涂层厚度为1-2微米，在80-100℃度下烘干后制得基层；(2)将球形直径为200纳米到600纳米的聚苯乙烯颗粒或石英玻璃颗粒的水溶液以旋涂法或以胶态液滴法或以垂直沉积法涂在基片的基层上制得单层紧密排列的球形透明颗粒阵列模板；(3)采用波长775-1550纳米、脉冲宽度为10-100飞秒、重复频率为20-100MHz、功率为1-100毫瓦的飞秒激光振荡器发出的激光，并使激光通过0.1-1.0的孔径的物镜聚焦在单层紧密排列的球形透明颗粒阵列模板上，在透明球形颗粒与原材料涂层表面之间发生光增强效应，单个透明球形颗粒形成的光强分布为高斯型，当激光能量达到双光子聚合阈值时，发生聚合反应，从而在基片上制得100纳米以下的规则阵列结构。
全文摘要
本发明涉及了一种透明球粒阵列辅助飞秒激光双光子聚合制备纳米阵列结构方法，属于激光制备纳米尺度规则列阵技术。该方法包括以下步骤采用紫外负型光刻胶、掺有紫外光引发剂的环氧或丙烯酸树脂、或掺有紫外光引发剂的SiO
文档编号B82B3/00GK101058403SQ200710057429
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者贾威, 王清月, 柴路 申请人:天津大学