[发明专利]利用激光直写制备三维中空微纳米功能结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维光电结构与器件领域，特别涉及一种基于三维激光直写在镂空衬底上制备光刻胶聚合物三维微纳结构，然后以此为母体，通过金属、半导体或介质薄膜的生长进行聚合物三维微纳结构功能化的方法。

背景技术

三维微纳米功能结构在很多领域有着重要的应用，尤其是在新型三维光电结构与器件领域，如金字塔金属表面结构可以用来有效的产生或调制表面等离激元，实现超越衍射极限的局域聚焦。表面等离激元是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模，在功能化金字塔结构中，可以依据金字塔的几何结构调制表面等离激元，使表面等离基元沿着表面向顶端汇集，在尖端处聚焦成高密度态。理论与实验已经证实，三维微纳米金属功能结构在表面拉曼增强、高次谐波变频方面会有着潜在的广泛的应用。

目前金字塔结构制备的方法主要包括基于模版-金属沉积-FIB刻蚀技术相结合的加工技术。如文献[1]中(参考文献[1]In-Yong Park，Seungchul Kim，Joonhee Choi，Dong-Hyub Lee，Young-Jin Kim，Matthias F.Kling，Mark I.Stockman and Seung-Woo Kim.Nature Photonics.5(2011)，677-681.)，采用原子力扫描探针针尖结构，在针尖上制备出倒置的锥形结构，用以作为模板，然后通过电镀的方法在内表面沉积上几微米厚的金属，最后利用聚焦离子束，将内表面进行刻蚀修饰处理，获得高度为9微米，锥尖处出口直径为几百纳米的倒置锥状结构。这一结构能实现变频功能，将入射的红外光转换为紫外，在新型光学领域，具有重大的理论与应用价值。但这些加工些方法工艺较为复杂，耗时较长，所制备的结构的形状与表面形貌的可设计性以及材料种类受限；而且利用FIB刻蚀，不可避免会引进杂质以及载能离子束辐照引起的对加工对象的损伤。而这一方法最主要的不足在于无法快速制备任意尺寸具有可设计的高高宽比的中空结构，同时对衬底的导电性有一定的要求。为了克服以上不足，急需发展一种新的方法，实现在任意衬底材料上，三维微纳米图形的可控、可设计、大面积、高效制备。三维激光直写的主要原理是通过双光子聚合作用，产生高能量，当超短脉冲激光聚焦到聚合物上，在聚焦光学系统的聚焦区内激发局域聚合作用。因此它可以大面积地制作任意形状的微纳三维结构。但三维激光直写技术一般在平面衬底上制备器件，衬底的存在对于三维光电功能化器件的实际工作效果，如待测的高灵敏光信号的强度和相位，产生不可忽略的消极影响。因此怎样解决入射光以及通过光学器件后探测过程中支撑衬底对光强度与相位的影响，实现所制备的聚合物三维微纳结构的功能化，使之满足新型光电器件发展的需要，还是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用激光直写制备三维中空微纳米功能结构的方法，用一种基于双光子聚合作用在镂空衬底上制备各种高度、边长以及截面几何形状的光刻胶聚合物中空三维微纳米结构，通过功能化材料的生长，实现光刻胶聚合物中空三维微纳米结构的功能化，克服以往制备方法复杂、低效、无法自由设计的缺点，实现多种镂空衬底上三维中空微纳米功能结构的批量、可重复、可设计、可控制备，以满足新型光电以及传感领域。

本发明的目的是这样实现的：

为达到上述目的，本发明提供的在镂空衬底上制备光刻胶聚合物三维中空微纳米结构，将其进行功能化后，获得几何结构、尺寸与表面形貌可设计、可调制的镂空衬底上三维中空微纳米功能结构的高效可重复制备方法。包括以下步骤：

步骤S1：镂空衬底的选取与处理；

步骤S2：镂空衬底在载物支撑基底上的放置；

步骤S3：将光刻胶滴到具有镂空衬底的载物支撑基底上；

步骤S4：将步骤S3中准备好的具有光刻胶的镂空衬底载物支撑基底固定在激光直写设备的样品架上，然后将样品架放置在设备的样品台上；采用图形编辑软件设计所需要的三维中空微纳米结构图形或数据，将编写的图形或数据文件导入激光直写系统中；设定曝光参数，对光刻胶进行激光直写扫描曝光；将曝光后的结构体系进行显影、定影、并用氮气吹干，得到镂空衬底上的光刻胶聚合物三维中空微纳米结构；

步骤S5：对步骤S4得到的光刻胶聚合物三维中空微纳米结构进行表面功能化，在其上形成所需的表面功能层，获得镂空衬底上的三维中空微纳米功能结构；