一种微纳米阵列结构、制备方法及应用与流程

本发明涉及微纳米表面极化加工技术领域，具体涉及一种微纳米阵列结构、制备方法及应用。

背景技术：

红外吸收，红外隐身以及红外辐射冷却技术在民用和军工方面得到越来越广泛的关注，实现宽光谱，高强度的红外吸收是科技发展的一个重要方向。传统红外吸收方法很难做到既能实现宽光谱、高强度的红外吸收特性，又能在极端恶劣环境下工作，而碳化硅器件则以其优越的力学、热学以及机械性能使其能在极端环境下工作而受到广泛的青睐。

表面声子极化激元(Surface Phonon Polariton，SPhP)是指存在于极性晶体表面的晶格振动与电磁波相互作用产生的沿极性晶体表面传播的声子。其特点是局域在极性晶体表面，沿晶体法向呈现电磁场指数衰减，故只能沿晶体切向传播，类似于表面等离子体激元。通过改变金属表面结构，SPhP的性质及其和电磁波相互作用的性质可以得到有效的调节，为实现碳化硅高强度的红外宽光谱吸收提供了可能。

一般的碳化硅红外吸收技术是通过在碳化硅表面加工规则的阵列纳米结构来实现的，但是这种规则的纳米结构阵列只能实现某一个波长的吸收，不能实现宽光谱吸收。而且，这些加工一般要用到昂贵的加工手段，如电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等技术，很难实现大面积快速加工，对实际应用带来了阻碍。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微纳米阵列结构、制备方法及应用，以实现宽光谱、高强度的红外吸收。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种微纳米阵列结构，所述结构包括碳化硅基底、在所述碳化硅基底上的微米柱体以及在所述碳化硅基底和所述微米柱体表面的纳米结构。

本发明中，微纳米结构的红外吸收是通过表面声子极化激元与电磁波的相互作用来实现的，通过在碳化硅基底表面制备微米柱体，再通过微米柱体上制备纳米结构，从而使得碳化硅基底与微米柱体表面形成规则的阵列纳米结构，从而实现红外宽光谱吸收。

优选地，所述碳化硅基底为存在表面极化激元的碳化硅晶体。

本发明中，所述碳化硅晶体在红外波段具有光学声子存在。

优选地，所述的微米柱体为圆柱、四方柱或多边形柱状结构中的任意一种。

优选地，所述纳米结构为纳米颗粒、纳米针尖或纳米锥中的任意一种。

优选地，所述纳米结构与基底为同种材料。

优选地，所述微米柱体为周期阵列，微米柱体的周期过小，超出了紫外光刻的加工极限；如果周期过大，柱体的作用不能发挥，影响红外吸收效果，所以周期为2-20μm，例如可以是2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm，优选为5-15μm。

优选地，所述微米柱体尺寸过小，超过紫外光刻加工极限；尺寸过大，也会超过紫外光刻的加工极限，同时不能发挥微米柱体的红外吸收作用，所述微米柱体的横截面积为3-30μm²，例如可以是3μm²、4μm²、5μm²、6μm²、7μm²、8μm²、10μm²、11μm²、12μm²、13μm²、15μm²、16μm²、17μm²、 18μm²、20μm²、22μm²、25μm²、26μm²、27μm²、28μm²、29μm²或30μm²。

优选地，所述微米柱体的高度为0-30μm，例如可以是0.1μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、12μm、15μm、16μm、18μm、20μm、22μm、25μm、26μm、28μm或30μm。

优选地，加工过程中纳米结构的底面积过小，鉴于ICP加工特点，同时也会导致纳米结构高度较小，减低纳米结构的红外吸收效果；纳米结构底面积过大，则会影响纳米结构的尺寸和密度，也会影响红外吸收效果，所述纳米结构的底面横截面积为0.01-4μm²，例如可以是0.01μm²、0.02μm²、0.05μm²、0.06μm²、0.08μm²、0.1μm²、0.2μm²、0.3μm²、0.5μm²、0.6μm²、0.8μm²、1μm²、2μm²、3μm²或4μm²。

优选地，所述纳米结构的高度过小SPhP不能有效激发，则会影响红外吸收效果，从而严重影响该结构的使用；纳米结构的高度过大，镀膜和刻蚀时间加长，快速增加成本，所述纳米结构的高度为1-10μm，例如可以是1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。

第二方面，本发明还提供了一种制备如第一方面所述的微纳米阵列结构的方法，包括如下步骤：

(1)在碳化硅基底上旋涂紫外光刻胶，旋涂后烘烤，再使用紫外光刻机曝光后，在显影液中显影；

(2)用电子束蒸发镀膜仪镀铜后去胶，优选在丙酮中去胶；

(3)用反应离子刻蚀，将柱状阵列结构转移到碳化硅基底上；

(4)用电子束蒸发镀膜仪镀铜，再用反应离子刻蚀，得到碳化硅微纳米阵列结构。

优选地，步骤(1)所述的碳化硅基底的厚度为100-400μm，例如可以是 100μm、150μm、200μm、220μm、230μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm、360μm、370μm、380μm、390μm或400μm，优选为200-350μm。

优选地，步骤(1)所述的紫外光刻胶厚度为0.2-5μm，例如可以是0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm，优选为2μm。

优选地，步骤(1)所述烘烤的时间为1-8min，例如可以是1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min或8min。

优选地，步骤(1)所述的曝光时间为20-50s，例如可以是20s、21s、22s、23s、24s、25s、26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s、35s、36s、38s、40s、42s、45s、46s、48s或50s，优选为30-45s。

优选地，步骤(1)所述的显影时间为20-50s，例如可以是20s、21s、22s、23s、24s、25s、26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s、35s、36s、38s、40s、42s、45s、46s、48s或50s，优选为30-45s。

优选地，步骤(2)所述的镀铜厚度为330-480nm，例如可以是330nm、340nm、350nm、360nm、380nm、390nm、400nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm或480nm。

优选地，步骤(4)所述的镀铜厚度为220-400nm，例如可以是220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、280nm、290nm、300nm、310nm、320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、380nm或400nm。

优选地，步骤(4)所述的刻蚀时间为20-50min，例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min、30min、31min、32min、33min、35min、36min、38min、40min、42min、45min、46min、48min或50min，优选为30-45min。

第三方面，本发明还提供了一种如第一方面所述的微纳米阵列结构的应用，采用红外入射光照射碳化硅微纳米阵列结构表面，实现红外宽光谱的吸收。

优选地，所述红外入射光覆盖碳化硅基底存在光学声子的波段。

优选地，所述红外入射光的照射角度为0-90°，例如可以是0°、1°、2°、3°、5°、6°、8°、10°、12°、14°、15°、16°、18°、20°、23°、25°、26°、28°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°或90°。

本发明中，红外入射光的照射角度0°表示垂直入射，红外入射光照到微纳米阵列结构表面，激发起SPhP，实现10-13μm宽光谱完全吸收。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明微纳米阵列结构，微米柱体与纳米结构均不受形状的限制，通过两者的协同作用，实现表面声子极化激元与电磁波相互耦合，从而实现了红外宽光谱吸收；

(2)本发明实现了10-13μm的中红外宽光谱吸收，吸光率几乎为1；

(3)本发明基底为单一的碳化硅基底，材料简单，操作步骤单一，而且微纳米结构加工方便，价格相对便宜，使用紫外光刻等设备，避免使用电子束光刻和聚焦离子束刻蚀，降低了成本，可实现大面积快速加工，为实际应用铺平了道路。

附图说明

图1为本发明的在碳化硅结构上加工的微纳米阵列结构示意图。

图2为本发明实施例1的微纳米阵列结构扫描电镜图，其中，方框组成的线是所述结构的FDTD软件模拟所得红外吸收光谱，实线为所述结构的实验所 得红外吸收光谱。

图3为本发明实施例2的微纳米阵列结构示意图，其中，黑色实线是所述结构的FDTD软件模拟所得红外吸收光谱。

图4为本发明实施例3的微纳米阵列结构示意图，其中，黑色实线是所述结构的FDTD软件模拟所得红外吸收光谱。

图5为本发明实施例4的微纳米阵列结构示意图，其中，黑色实线是所述结构的FDTD软件模拟所得红外吸收光谱。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。

实验材料：

紫外光刻胶 S1813型

实验器材：

紫外光刻机 MA6

电子束蒸发镀膜仪 OHMIKER-50B

反应离子刻蚀 SENTECH PTSA ICP-RIE ETCHER SI 500

实施例1

制备微纳米阵列结构，包括如下步骤：

(1)在330μm厚的碳化硅基底上旋涂2μm厚的紫外光刻胶，旋涂后烘烤5min，再使用紫外光刻机曝光40s后，在显影液中显影40s；

(2)用电子束蒸发镀膜仪镀400nm铜后，放在丙酮中去胶；

(3)利用反应离子刻蚀，将柱状阵列结构转移到碳化硅基底上，精确控制 微米柱体的结构高度；

(4)再用电子束蒸发镀膜仪镀300nm铜，再利用反应离子刻蚀40min，得到微纳米结构。

制备得到的微纳米阵列结构如图2所示，微米柱体为圆柱，周期为8μm，直径为6μm，高度为8.75μm；碳化硅微纳米阵列结构为纳米锥，底面横截面积为0.01-4μm²，高度为1-7μm。实验和模拟结果符合较好，在10-13μm左右波段吸光率接近100％。

实施例2

制备方法同实施例1，制备得到的微纳米阵列结构如图3所示，微米柱体为方柱，周期为6μm，边长为4μm，高度为14μm；纳米结构为纳米锥，底面横截面积为0.04-4μm²，高度为2-8μm。在10-13μm左右波段吸光率大于80％。

实施例3

制备方法同实施例1，制备得到的微纳米阵列结构如图4所示，微米柱体为八边形柱，周期为6μm，十字形柱由两个长方体交叉组成，每一长方体长为4μm，宽为1.657μm，高度为8.5μm；纳米结构为纳米锥，底面横截面积为0.04-4μm²，高度为2-8μm。在10-13μm左右波段吸光率大于85％。

实施例4

制备方法同实施例1，制备得到的微纳米阵列结构如图4所示，微米柱体为十边形柱，周期为6μm，十字形柱由两个长方体交叉组成，每一长方体长为4μm，宽为1.657μm，高度为8.5μm；纳米结构为纳米锥，底面横截面积为0.04-4μm²，高度为2-8μm。在10-13μm左右波段吸光率大于85％。

综合实施例1-4，本发明的微米柱体不受形状的限制，可以是圆柱、方柱、多边柱体；纳米结构不受形状限制，可以是纳米颗粒、纳米针尖和纳米椎 体；本发明实现了10-13μm的中红外宽光谱吸收，吸光率几乎为1；本发明基底为单一的碳化硅基底，材料简单，操作步骤单一，而且纳米结构加工方便，价格相对简单，使用紫外光刻等设备，避免使用电子束光刻和聚焦离子束刻蚀，降低了成本，可实现大面积快速加工，为实际应用铺平了道路。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。