[发明专利]一种在材料表面制备微纳米尺度周期性或非周期性结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在材料表面制备微纳米尺度周期性或非周期性结构的方法。

背景技术

金刚石是自然界中硬度最高的材料，作为一种真正意义上的“宝石”，金刚石提供了一系列的独特性能，包括透光性、热传导性、刚性、耐磨性及其电子特性。特别是金刚石的大小和纯度达到一定水准时，金刚石的众多性能特别是光学和半导体性能得到更好的发挥和广泛的应用。

在衬底材料中，硅和蓝宝石是比较常用的衬底材料。70年代起，随着硅材料的制备工艺和半导体面工艺的不断改进，硅探测器得到了很快的发展。但在强辐射环境中，硅晶格易受到辐射损伤，使探测器漏电流增加，性能下降。由于热激发产生的本征导电性是随温度按指数增加的，而硅的禁带宽度较小，因此硅材料制造的器件不适合工作在150℃的环境中。蓝宝石衬底在发光二极管芯片制作时具有生产技术成熟、器件质量好、稳定性好、机械强度高等特点。但也存在晶格失配和热应力失配的问题。蓝宝石的导热性差（100℃约为25W/(m·K)），在使用LED器件时，会传导出大量的热量，特别是对面积较大的大功率器件，导热性是一个非常重要的考虑因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在材料表面制备微纳米尺度周期性或非周期性结构的方法，通过在大尺寸高纯净度的基片上采用纳米压印、生长金属层和等离子体刻蚀等技术制成具有周期结构的材料。通过进一步选择金刚石作为衬底材料，所制备的具有周期结构的材料，可以用于制备在高辐射条件下的各类反射和透射光栅、光子晶体发光二极管、菲涅尔透镜等，以及可以应用在医疗、外太空、核电站等在高辐射场所使用的探测器件上。同时，为了拓展具有周期结构的耐辐射金刚石超材料，我们采取了新的制备工艺，降低了制备成本，减少了环境污染同时提高了所得金刚石材料的制品精度。

本发明的技术方案是，提供一种在材料表面制备微纳米尺度周期性或非周期性结构的方法，包括以下步骤：

(1) 在衬底上涂覆压印胶；使用压印技术将具有周期性或非周期性结构的模板压印至衬底上后脱模，使压印胶在衬底表面形成具有周期性或非周期性的凸起；

(2) 在衬底上沉积金属层，使金属层仅沉积在所述凸起的表面；

(3) 进行等离子刻蚀；

(4) 将沉积的金属层及压印胶从衬底上剥离，得到表面具有周期性或非周期性结构的材料。

进一步地，步骤（1）中，所述压印技术是指纳米压印技术；所述压印技术为热压印或者紫外光固化压印技术；优选地，压印的分辨率小于10nm。

进一步地，步骤（2）中，在沉积金属前不包含去残胶的步骤。可选的，在沉积金属步骤后包含去残胶步骤。

进一步地，周期性结构是指微米级、纳米级别的微观结构，特别是尺寸小于10nm的结构。

进一步地，步骤（2）中，所述金属层为Cr层；优选地，所述Cr层的厚度为5-20nm；所述Cr层为电子束蒸发或者磁控溅射等技术生长。

进一步地，步骤（3）中，所述等离子刻蚀为反应等离子体刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。

进一步地，步骤（1）中，所述衬底为金刚石；优选地，所述金刚石为单晶或者多晶金刚石。

进一步地，所述周期性或非周期性的凸起为矩阵形的、针形的、倒V形的、倒金字塔形或者各种不规则形状的微米和纳米周期性结构的一种或多种。

本发明进一步地提供所述的方法制备的表面具有周期性或非周期性结构的材料。

本发明还进一步地提供表面具有周期性结构的金刚石材料在制备在高辐射条件下的各类反射和透射光栅、光子晶体发光二极管、菲涅尔透镜中的应用，以及在医疗、外太空、核电站等高辐射场所使用的探测器中的应用。

下面以金刚石为例对本发明做进一步说明：本发明制备一种具有周期结构的耐辐射金刚石超材料，首先在环境条件极端恶劣的辐射领域中，由于具有优异的抗辐射性能，可以作为抗辐射的窗口，如X射线窗口、辐射条件下各类反射和透射光栅、光子晶体发光二极管、菲涅尔透镜、辐射探测器等。其次，金刚石禁带宽度为（5.5eV），电阻率高，介电常数小，这些电学性质保证了金刚石作为器件噪声小，信噪比高。而且由于禁带宽度大，金刚石从近紫外到红外范围几乎都是透明的，在使用过程中杂散光对金刚石的影响极小。因为带隙宽，金刚石器件和硅晶体管相比能够在高得多的温度下（500℃）工作，在电子应用领域金刚石器件将会替代在恶劣环境中的硅器件。此外，金刚石热导率高，使得金刚石探测器可以在室温、甚至高温下正常工作，不必像硅探测器那样外加冷却系统。最后，金刚石的高硬度也使得其具有在使用过程中不易被划伤损坏这一独特的优点。