基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构及其制备方法和应用

本发明涉及微纳加工，尤其涉及一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构及其制备方法和应用。

背景技术：

1、19世纪20年代，德国物理学家夫琅和费用金属细丝和细螺丝，制成了最早的光栅；此后由于加工技术的发展和精密仪器的需要，微米乃至纳米级的光栅被设计并制造出来。光栅种类很多，按照用途被分为透射式光栅和反射式光栅，按照形状又分为平面光栅和凹面光栅等。

2、衍射光栅是单色器和光谱仪等精密仪器中重要的光学元件，通常使用的是平面光栅，该光栅设计简单、易于加工，但是平面光栅的衍射零级与干涉零级位置重合，造成了能量的浪费。具有周期性倾斜结构的闪耀光栅，可以将大部分衍射光集中到单一的非零阶，使衍射和干涉零级分开，从而避免能量浪费，有效解决了平面光栅的这一问题。在超精密仪器中，闪耀光栅既可以作为高效色散元件应用于光谱仪中，也可以作为高效光栅耦合器应用于集成光学中，不仅具有较高的衍射效率，还可以显著提高测量系统的灵敏度、分辨率和测量范围。因此，如何制备出稳定高效的闪耀光栅成为了当前的研究热点。

3、目前，制备闪耀光栅的方法主要包括机械刻划、全息离子束刻蚀、湿法刻蚀以及电子束光刻等。其中，机械刻划法和全息离子束刻蚀是目前生产大面积闪耀光栅的主要方法。机械刻划的关键在于金刚石刻刀的角度和精度，但是由于金刚石刀具的曲率半径不能降为零，所以实际制作的光栅上会形成圆角，与理想光栅形貌产生偏差从而影响衍射效率。全息离子束刻蚀的闪耀光栅质量受限于光刻胶掩模的质量，而掩模轮廓取决于光刻胶的曝光和显影条件，同时需要精确控制掩模的高度和占空比，因此在加工过程中很难制造出满足要求的光刻胶掩模。至于其他制备方法，一方面是繁琐耗时的制备过程，另一方面是价格昂贵的制造成本，限制了其在工业化生产中的应用。

4、有鉴于此，如何使用操作简单且成本低廉的方法制备闪耀光栅，已成为当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构及其制备方法和应用。本发明通过将纳米压印技术与刻蚀技术相结合，以简便的操作方法和较低的成本制备了形貌均匀、机械性能稳定的闪耀光栅结构，且该闪耀光栅的闪耀角易于调控，能够用于紫外波段。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，包括如下步骤：

3、s1、采用纳米压印技术，在弹性支撑衬底上制备直角光栅阵列结构，得到弹性体压印复合模板；

4、s2、在石英玻璃基底上依次涂布牺牲层和压印胶层，得到预处理压印基底；

5、s3、采用所述弹性体压印复合模板对所述预处理压印基底进行纳米压印，使所述弹性体压印复合模板上的直角光栅阵列结构压印到所述预处理压印基底的所述压印胶层中，得到第一基底；

6、s4、采用干法刻蚀技术，对所述第一基底中的所述压印胶层和所述牺牲层依次进行刻蚀，直至光栅凹槽处暴露出所述石英玻璃基底，得到第二基底；

7、s5、采用真空镀膜技术，在所述第二基底的直角光栅阵列结构的表面沉积金属层，然后溶解所述第二基底中的所述牺牲层，得到第三基底；

8、s6、以沉积的所述金属层为掩膜，采用倾角度刻蚀技术对所述第三基底中的所述石英玻璃基底进行刻蚀，并去除所述金属层，得到闪耀光栅阵列结构。

9、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述弹性体压印复合模板的制备方法包括如下步骤：

10、s11、在硅衬底表面涂布压印胶，得到预处理硅衬底；

11、s12、将弹性支撑衬底覆盖在所述预处理硅衬底表面，待所述弹性支撑衬底充分吸附所述压印胶后，得到预处理压印衬底；

12、s13、采用直角光栅硅模板对所述预处理压印衬底进行纳米压印，得到具有直角光栅阵列结构的弹性支撑衬底；

13、s14、对所述具有直角光栅阵列结构的弹性支撑衬底进行低表面能处理，得到弹性体压印复合模板。

14、作为本发明的进一步改进，在步骤s14中，所述低表面能处理在真空环境中进行，所述低表面能处理采用的试剂为全氟烷基氯硅烷；所述低表面能处理的温度为80～95℃；所述低表面能处理的时间为3～5h。

15、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述牺牲层的涂布厚度为180～200nm，所述压印胶层的涂布厚度为70～90nm。

16、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述牺牲层的原料为水溶性高分子材料或油溶性高分子材料；所述水溶性高分子材料为聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或两种混合，所述油溶性高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

17、作为本发明的进一步改进，在步骤s5中，所述金属层中的金属为铬；所述金属层的沉积厚度为110～130nm。

18、作为本发明的进一步改进，在步骤s6中，所述倾角度刻蚀时采用的屏栅电压为350～450v，束流为88～92ma，样品台的倾斜角度为30～60°，刻蚀的时间为12～20分钟。

19、作为本发明的进一步改进，在步骤s6中，去除所述金属层的试剂为硝酸铈铵、乙酸和水的混合溶液。

20、为实现上述目的，本发明还提供了一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构，该闪耀光栅阵列结构采用上述技术方案中任一技术方案所述的制备方法制备得到。

21、本发明还提供了上述基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构在光学元件和集成光学领域中的应用。

22、本发明的有益效果是：

23、1、本发明提供的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，通过采用纳米压印技术，在弹性支撑衬底上制备直角光栅阵列结构，形成弹性体压印复合模板；然后再利用纳米压印技术，将弹性体复合模板上的直角光栅阵列结构复制到石英玻璃基底上的压印胶层中，再利用干法刻蚀技术将直角光栅阵列结构复制到石英玻璃基底上的牺牲层中，再结合真空镀膜技术和倾角度刻蚀技术，即可简便高效地获得形貌均匀、机械性能稳定的闪耀光栅阵列结构。

24、2、本发明提供的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法具有操作简单、成本低、易量产的优点，在光学元件和集成光学等领域有着广阔的应用前景。基于本发明提供的方法，能够通过调控金属层的高度、离子束刻蚀的倾角和刻蚀时间等工艺参数，简单高效地控制闪耀光栅的闪耀角，从而优化参数提高其衍射效率。基于本发明提供的制备方法获得的闪耀光栅阵列结构的闪耀角能够达到7.2°，以便应用于紫外波段。

技术特征：

1.一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s1中，所述弹性体压印复合模板的制备方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s14中，所述低表面能处理在真空环境中进行，所述低表面能处理采用的试剂为全氟烷基氯硅烷；所述低表面能处理的温度为80～95℃；所述低表面能处理的时间为3～5h。

4.根据权利要求1所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s2中，所述牺牲层的涂布厚度为180～200nm，所述压印胶层的涂布厚度为70～90nm。

5.根据权利要求1所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s2中，所述牺牲层的原料为水溶性高分子材料或油溶性高分子材料；所述水溶性高分子材料为聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或两种混合，所述油溶性高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

6.根据权利要求1所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s5中，所述金属层中的金属为铬；所述金属层的沉积厚度为110～130nm。

7.根据权利要求1所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s6中，所述倾角度刻蚀时采用的屏栅电压为350～450v，束流为88～92ma，样品台的倾斜角度为30～60°，刻蚀的时间为12～20分钟。

8.根据权利要求1所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的制备方法，其特征在于：在步骤s6中，去除所述金属层的试剂为硝酸铈铵、乙酸和水的混合溶液。

9.一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构，其特征在于：采用权利要求1～8中任一权利要求所述的制备方法制备得到。

10.一种权利要求9所述的基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构的应用，其特征在于：所述闪耀光栅阵列结构应用于光学元件和集成光学领域。

技术总结
本发明提供了一种基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构及其制备方法和应用。本发明通过采用纳米压印技术，在弹性支撑衬底上制备直角光栅阵列结构，形成弹性体压印复合模板；然后再利用纳米压印技术，将弹性体复合模板上的直角光栅阵列结构复制到石英玻璃基底上的压印胶层中，再利用干法刻蚀技术将直角光栅阵列结构复制到石英玻璃基底上的牺牲层中，然后结合真空镀膜技术和倾角度刻蚀技术，即可简便高效地获得形貌均匀、机械性能稳定的闪耀光栅阵列结构。本发明提供的制备方法具有操作简单、成本低、易量产的优点，通过调控制备过程的工艺参数能够简单高效地控制闪耀光栅的闪耀角，在光学元件和集成光学等领域有着广阔的应用前景。

技术研发人员：崔玉双,雍一秋,陈斯,葛海雄
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25