一种光交联聚合物近红外光子材料及其制备方法和应用

本发明属于微纳加工和光互连集成，具体涉及一种光交联聚合物近红外光子材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、光刻胶被广泛利用于光电信息产业的微细图形及线路的加工制作，是微纳加工技术的关键性材料。虽然商用的光刻胶在可靠性、稳定性、优化工艺参数等方面具有明显的优势，但是同时也存在一些局限性，主要有如下几点：(1)通用性限制：商用光刻胶的配方和特性通常为大规模生产而设计，可能无法满足某些特殊工艺要求；(2)成本问题：商用光刻胶作为大规模生产的产品，其价格通常是由供需关系和市场竞争所决定的，在某些情况下，商用光刻胶的成本可能过高，对于一些预算有限的项目或小批量生产来说，成本控制可能成为一个挑战；(3)定制性限制：商用光刻胶的配方和特性通常是由厂商决定的，无法通过直接定制和调整配方来适应特定需求；(4)技术支持和保密性问题：商用光刻胶供应商对于技术支持和知识产权保护可能存在一定限制。在某些情况下，用户可能无法获得充分的技术支持或自由交流和共享相关工艺经验和问题。自研光交联聚合物近红外光子材料的可定制性更强、性能优化潜力更大、成本控制更灵活。但是其应用化在使用工艺上存在技术壁垒。

技术实现思路

1、本发明目的在于为提供一种折射率和透过率可调的光交联聚合物近红外光子材料及其制备方法和应用。

2、本发明提供的光交联聚合物近红外光子材料，由单体a，单体b，光引发剂c，交联剂d，溶剂e组成；各组分按重量百分比计的用量为：

3、单体a：(15-50)％；单体b：(20-60)％；光引发剂c：(10-25)％；交联剂d：(10-25)％；总量满足100％；

4、所述单体a为邻苯基苯氧乙基丙烯酸酯，所述单体b为9,9-双[4-(2-丙烯酰氧基乙氧基)苯基]芴，所述光引发剂c为所述交联剂d为季戊四醇三丙烯酸脂，所述溶剂e选自pemea、pgme。

5、本发明提供的光交联聚合物近红外光子材料的制备方法，具体步骤为：

6、(1)将单体a、单体b、溶剂e混合均匀，形成混合液；

7、(2)避光条件下，在所述混合液中加入光引发剂c和光交联剂d，放置于磁力搅拌器上搅拌均匀,得到所述光交联聚合物近红外光子材料(一种光刻胶材料)。

8、本发明中，通过调节单体a,b组分配比，来调控材料的折射率、透射率。

9、本发明中，用于光刻胶材料均匀成膜的衬底，厚度525±10μm电阻率>4000ω·cm的单面抛光硅片基板，大小根据需要确定，例如可为20x20 mm；成膜前衬底经过等离子体处理，处理时间为120s。

10、本发明中，用于测试折射率的薄膜厚度约为500nm，衬底为无掺杂单抛硅片；用于测试透过率的薄膜膜厚约为40μm，衬底为盖玻片。

11、本发明中，控制单体a,b组分的用量比例范围为(15-50)％，可实现光交联聚合物近红外光子材料单光子光刻薄膜在波长范围为750nm-2500nm之间的折射率调整。

12、本发明中，控制单体a,b组分的用量比例范围为(20-60)％，可实现光交联聚合物近红外光子材料单光子光刻薄膜在波长范围为500nm-2500nm之间的透过率调整。

13、本发明中，所用单光子光刻照明灯为405nm紫外灯，双光子光刻使用的中心波长为800nm飞秒振荡器，使用的聚焦物镜为型号：olympus uplfln 20x，na＝0.5。

14、本发明还提供上述光交联聚合物近红外光子材料制备折射率可控的近红外微图案或二维/三维微光器件的应用，具体步骤为：

15、(1)用移液枪取少量光交联聚合物近红外光子材料(10μl左右)，滴至盖玻片上；

16、(2)通过计算机程序设计微图案或二维/三维微光器件的加工微结构，并转化为不同点间距的空间点阵；

17、(3)通过飞秒直写控制系统，写入指定文本文件，使激光光点按指定程序移动，得到设计加工微结构；

18、(4)通过调节激光参数(激光功率密度，单点曝光时间，点间距)变化，调控所制备微结构的折射率；

19、(5)使用合适的激光参数，通过计算机软件辅助设计，制备微图案及二维/三维近红外微光器件；

20、(6)加工后，使用显影液洗去没有吸收激光聚焦光束能量的光刻胶材料。

21、优选地，步骤(3)中采用激光直写系统进行所述光交联聚合物近红外光子材料的加工成型，所述激光直写系统包括飞秒激光器、激光功率调节器、物镜、扩束镜、振镜、4f准直系统和一维纳米位移平台(z轴)；

22、所述飞秒激光器用于发出激光；所述激光功率调节器用于调节所述激光的功率；所述扩束镜用于激光功率调节器调节功率后的激光扩束；所述振镜用于控制扩束后激光的扫描路径，所述4f准直系统用于将出振镜的发散的光变为准直光；所述物镜用于对准直后的激光进行会聚，得到聚焦光束；所述一维纳米位移平台用于承载所述光刻胶材料。

23、加工时，将所述光刻胶材料置于所述一维纳米位移平台上，所述光刻胶材料在所述振镜控制的聚焦光束的扫描路径下发生聚合而固化，实现聚合直写；控制所述光刻胶材料在一维纳米位移平台移动，以对所述光刻胶材料的逐层聚合直写实现对所述光刻胶材料的三维微纳结构刻写。

24、本发明中，应用微区折射率测量的微结构尺寸特征为20x20x15μm，所制备的微结构的折射率调整范围为1.54-1.62。

25、优选地，所制备近中红外二维/三维微光器件的参数为，激光功率20mw曝光时间1500μs，点间距100nm。

26、本发明具有如下技术特点和优势：

27、(1)光交联聚合物近红外光子材料，方便调控其成膜材料的折射率和透射率；

28、(2)光交联聚合物近红外光子材料具有在液态和固态下双光子聚合能力；

29、(3)本发明为光交联聚合物近红外光子材料的微结构的折射率提供了调控方法。

技术特征：

1.一种光交联聚合物近红外光子材料，其特征在于，由单体a，单体b，光引发剂c，交联剂d，溶剂e组成；各组分按重量百分比计的用量为：

2.如权利要求1所述的光交联聚合物近红外光子材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

3.根据利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过调节单体a,b组分配比，来调控材料的折射率、透射率。

4.根据利要求3所述的制备方法，其特征在于：

5.如如权利要求1所述的光交联聚合物近红外光子材料在制备折射率可控的近红外微图案或二维/三维微光器件中的应用，具体步骤为：

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤(3)中所述激光直写系统包括飞秒激光器、激光功率调节器、物镜、扩束镜、振镜、4f准直系统和一维纳米位移平台(z轴)；其中：

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，微区折射率测量的微结构尺寸为20x20x15μm，其折射率调整范围为1.54-1.62。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，制备近中红外二维/三维微光器件的参数为，激光功率为20mw，曝光时间为1500μs，点间距为100nm。

技术总结
本发明属于微纳加工技术和光互连集成领域，具体为一种光交联聚合物近红外光子材料及其制备方法和应用。本发明光交联聚合物近红外光子材料由邻苯基苯氧乙基丙烯酸酯、9,9‑双[4‑(2‑丙烯酰氧基乙氧基)苯基]芴、交联剂和溶剂PEMEA与PGME按一定重量百分比组成；通过调控光交联聚合物近红外光子材料的组分含量得到折射率、透过率可调谐的光刻胶薄膜；并且将光交联聚合物近红外光子材料用于制备折射率可控的近红外微图案或二维/三维微光器件；这些微光器件用于超快激光直写系统，分辨率高、成型效果好，折射率可调控，有望在近红外微成像系统，光子芯片互联集成、光学交换网络等领域得到重大应用。

技术研发人员：孙允陆,梁琦,钱晓飞
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16