一种折射率可调谐薄膜结构及其制备方法与流程

本发明属于光学薄膜领域，尤其涉及到折射率可调谐的薄膜结构及其制备方法。

背景技术：

光学薄膜技术经过两百多年的发展，已经成为现代生活、工业发展及前沿科学中的重要一环。光学薄膜从功能上可分为增透膜、高反膜、滤光片、分光膜等，从结构上又可分为均匀介质膜和非均匀介质膜。但是常规的光学薄膜材料都有其确定的折射率，无法灵活调控。面对现在日益复杂的应用环境，单一折射率的光学薄膜已经无法满足应用需求，比如基底表面的理想减反，只需要找个折射率等于根号下基底折射率与入射介质折射率乘积的材料即可，但是有限的材料种类并不能很好的满足所有应用场景的需求，进而需要使用高低折射率材料交替沉积组成的多层膜结构，但是多层膜结构复杂，设计难度大。溶胶凝胶法和倾斜沉积法是两种常规的制备折射率可调谐薄膜方法，其原理都是通过制备疏松多孔膜降低单层膜的折射率，但是这两种方法对折射率调谐的范围很有限，且折射率可控性差。

技术实现要素：

针对上述现状的不足，本发明旨在提出一种折射率可调谐薄膜结构及制备方法，以便解决上述问题。

本发明解决的技术方案如下：

本发明提供一种折射率可调谐薄膜结构，通过在单层膜表面刻蚀周期性微结构形成折射率可调谐薄膜结构，该结构由下而上依次是致密膜层和周期性微结构膜层，致密膜层的折射率等于薄膜材料自身折射率，周期性微结构膜层的折射率与微结构参数相关。薄膜结构的折射率可在空气层折射率到薄膜材料折射率之间调节。

所述周期性微结构为圆柱形、圆锥形、抛物型、金字塔型。

所述微结构高度小于等于单层膜厚度。

所述微结构占空比选取范围大于0，小于等于1，其中d为所述周期性微结构边长，t为周期性微结构周期。

所述薄膜的折射率n＝fna+(1-f)nc，其中f为空气所占体积比，nc和na分别代表薄膜材料折射率和空气层折射率。

进一步地，若周期性结构为金字塔形，薄膜折射率表示为若周期性结构为圆锥形，薄膜折射率表示为若周期性结构为抛物形，薄膜折射率表示为若周期性结构为圆柱形，薄膜折射率表示为其中τ为所述周期性结构的占空比，nc和na分别代表薄膜材料折射率和空气层折射率。

一种折射率可调谐薄膜制备方法，其特点在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1)：基底表面镀制单层膜；

步骤2)：根据所需要的折射率，选择合适的薄膜材料，根据折射率计算公式，选择合适的微结构高度和占空比。

步骤3)：清洁膜面，在膜面上旋涂光刻胶，光刻胶厚度略大于所需制备微结构的高度；

步骤4)：采用双光束干涉对样品进行曝光；

步骤5)：将曝光后的单层膜置于4‰的naoh溶液中10s-60s显影得到所需的掩膜图样；

步骤6)：采用反应离子束刻蚀技术将掩膜图样转移至单层膜上，控制刻蚀时间达到所需微结构的高度和形状；

步骤7)：清洁刻蚀产生的残留物。

与现有技术相比，本发明技术效果为：

本发明能够在极大范围内调控薄膜的折射率，且折射率可控性强，可适用于不同的应用环境中。

附图说明

图1为本发明一种折射率可调谐薄膜结构正视图。

图2本发明一种折射率可调谐薄膜结构示意图。

图中：d-周期性结构边长、t-结构周期、h-结构高度、h-薄膜厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。

图1为本发明一种折射率可调谐薄膜结构正面示意图，其中d-周期性结构边长、t-结构周期、h-结构高度、h-薄膜厚度。

实施例一要求：单层sio2膜折射率为1.1。

采用圆柱形微结构设计方案，薄膜材料为sio2(n＝1.46)，为了方便设计，微结构高度h与单层膜厚度h相等，其值为200nm。圆柱形微结构直径为200nm，周期为400nm，所以占空比为0.5，根据折射率计算公式得到其等效折射率约为1.1。

具体地，本实施例的制备包括以下步骤：

(1)在石英基底上沉积200nm的sio2层，并用丙酮擦洗膜系表面，然后用去离子水冲洗、烘干；

(2)采用旋涂法将正性光刻胶均匀地涂在sio2表面，光刻胶厚度为210nm；

(3)采用双光束干涉曝光进行第一次曝光，接着将薄膜曝光面旋转90°，进行第二次曝光，微结构的周期用过调整双光束的干涉角得到；

(4)采用4‰的naoh溶液进行显影，控制显影时间，得到所需占空比的掩膜图案；

(5)采用反应离子束刻蚀技术将制备的掩膜图样转移到sio2上，控制刻蚀时间等参数达到所需微结构高度和形状。

(6)清洗表面残留的光刻胶，得到最终结构。

实施例二要求：单层sio2膜折射率为1.30。

采用金字塔形微结构设计方案，薄膜材料为sio2(n＝1.46)，h＝100nm，h＝200nm。金字塔形微结构直径为200nm，周期为200nm，所以占空比为1，根据折射率计算公式得到其等效折射率约为1.30。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。