多形貌多周期微纳米复合结构的制备及表征 下载: 1324次封面文章
1 引言
当今时代以光电子信息技术为主要特征,规则排列的微纳米阵列具有广泛的应用前景,如生物传感器、光子晶体、有机光电子器件、超疏水界面、压力传感器和表面等离子体拉曼增强测试等领域[1-10],因此,微纳米结构的制备也备受关注。随着微纳米加工技术的日趋成熟,微纳米结构的制备技术已呈现百家争鸣的趋势。目前,微纳米加工技术主要包括光刻技术、纳米压印、分子自组装、激光加工技术、扫描电子束刻蚀和离子束刻蚀技术等[11-14]。1995年,华裔科学家美国普林斯顿大学Chou等[15]首次提出了纳米压印技术,并且制备了25 nm大小的特征图形。2016年,日本熊本大学的Lee等[16]采用分子自组装技术,在有机薄膜太阳能电池中引入周期为500 nm的光栅结构。2017年,中国吉林大学孙洪波团队,利用激光干涉多角度多次曝光的方法,制备出具有超疏水特性的微纳米光栅结构[17]。
与传统的扫描电子束刻蚀、离子束刻蚀等工艺相比,纳米压印以及分子自组装技术的制造成本更低,但也存在一些不足,如纳米压印对模具制造以及图形转移的工艺条件要求十分苛刻,制备的微结构均匀性差、平坦度低[18];分子自组装技术是分子自发形成微结构的过程,所以分子自组装技术受多种因素的制约,不仅对材料选择要求苛刻,还需精确控制分子自组装的条件,且制备的微结构重复性不高[19]。与分子自组装和纳米压印技术相比,激光加工技术是一种更成熟的微加工方式,利用不同波长不同类型的激光与不同材料(金属,光刻胶,有机薄膜)相互作用,可以在材料表面制备出微结构。激光加工技术具有高效、简易、绿色无污染等诸多优点。激光加工方法主要分为三维直写加工[20]和干涉加工[21-23]。激光三维直写加工方法可以实现复杂的三维微结构的加工,但加工时间长、效率低,难以用于批量生产。激光干涉加工方法通过两束或多束激光光束叠加产生干涉场,并作用于材料,可以大幅提高加工效率,并且无需掩模、系统简易、加工面积大、成本低。目前激光干涉加工技术应用广泛。
利用传统激光干涉加工技术一次曝光制备的微结构形貌过于单一,可调谐性差。为了在同一种材料表面获得多形貌、多周期、结构复杂、具有高重复性的准三维微纳米结构,本文利用光刻技术和激光干涉技术相结合的方法以及激光干涉技术连续两次曝光的工艺方法,制备了多形貌、多周期、可调谐的准三维微纳米复合结构。
2 微纳米复合结构的制备及结果讨论
2.1 微纳米复合结构的加工原理
本文利用传统紫外光刻技术与激光双光束干涉光刻技术相结合的方法,制备出多形貌、多周期、可调谐的准三维的微纳米复合结构。
图 1. 工艺原理及干涉光场分布图。(a)光刻工艺原理;(b)激光双光束干涉光刻工艺原理;(c)激光双光束干涉光场分布
Fig. 1. Principle of process and interference light field distribution. (a) Principle of lithography; (b) principle of two-beam laser interference lithography; (c) two-beam laser interference light field distribution
式中:
由
干涉光场分布周期为
式中:
2.2 光刻工艺与激光双光束干涉光刻工艺结合制备微纳米复合结构
制备工艺步骤如下:1) 清洁玻璃衬底。使用丙酮和乙醇棉球反复擦拭玻璃衬底,再依次放入丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗,用氮气吹干,再放入热烘箱烘干10 min,取出待冷却后使用。2) 制备光刻胶薄膜。
图 2. 微纳米复合结构制备流程及不同形貌掩模板显微镜照片。(a)光刻工艺与激光双光束干涉工艺相结合的微纳米复合结构制备流程;(b)条形;(c)矩形点阵;(d)圆形点阵;(e)六边形点阵
Fig. 2. Preparation process of micro-nano composite structure and microscope photos of masks with different patterns. (a) Preparation process of micro-nano composite structure using lithography combined with two-beam laser interference lithography;(b) strip; (c) rectangular lattices; (d) circular lattices; (e) hexagonal lattices
图 3. AFM照片。(a)条形微米光栅与纳米光栅平行分布的复合结构;(b)条形微米光栅与纳米光栅垂直分布的复合结构;(c)微米矩形点阵与纳米光栅相结合的复合结构;(d)微米圆形点阵和纳米光栅相结合的复合结构;(e)微米六边形点阵与纳米光栅相结合的复合结构
Fig. 3. AFM images. (a) Composite structure with micro-strip grating and nano-grating in parallel orientation; (b) composite structure with micro-strip grating and nano-grating in vertical orientation; (c) composite structure with micro-rectangular lattices combined with nano-grating; (d) composite structure with micro-circular lattices combined with nano-grating; (e) composite structure with micro-hexagonal lattices combined with nano-grating
同时,通过改变掩模板中图案的周期以及激光双光束干涉中两束激光的夹角,可以制备出不同周期的微米结构与纳米结构相结合的复合结构。
因此,通过改变掩模板中图案的形貌、周期、激光双光束干涉光路中两束激光的夹角,以及两次曝光中SU-8光刻胶玻璃衬底的取向,可以实现微纳米复合结构形貌和周期的多样化。
2.3 激光双光束干涉连续两次曝光制备微纳米复合结构
与2.2节中的制备方法不同,将坚膜后的SU-8光刻胶玻璃衬底直接放置于激光双光速干涉光路中的光屏,如
图 4. 不同周期的微米光栅与纳米光栅相结合的复合结构AFM照片。(a) 4 μm;(b) 5 μm;(c) 6 μm
Fig. 4. AFM images of composite structures with nano-grating combined with micro-gratings with different periods. (a) 4 μm; (b) 5 μm; (c) 6 μm
图 5. AFM照片。(a)周期为2 μm的条形光栅结构;(b)周期为2 μm的微米光栅与纳米光栅平行分布的复合结构;(c)周期为2 μm的微米光栅与纳米光栅垂直分布的复合结构
Fig. 5. AFM images. (a) Strip-grating with period of 2 μm; (b) composite structure with nano-grating and micro grating with period of 2 μm in parallel orientation; (c) composite structure with nano-grating and micro grating with period of 2 μm in vertical orientation
因此,通过改变两次曝光中SU-8光刻胶玻璃衬底的取向以及两次曝光中激光的夹角,可以实现微纳米复合结构周期和形貌的多样化。
2.4 微纳米复合光栅对钙钛矿材料吸收的影响
微纳米复合结构可以广泛应用于有机电致发光器件、有机太阳能电池及钙钛矿太阳能电池和超疏水界面等领域。针对微纳米复合结构对钙钛矿电池中钙钛矿材料吸收的影响进行了初步研究。
图 6. IMI结构示意图及其结构中CH3NH3PbI3吸收光谱。(a)具有微纳米复合光栅结构的IMI结构示意图;(b)具有不同光栅结构的IMI结构中CH3NH3PbI3的吸收光谱
Fig. 6. Structural diagram of IMI and absorption spectra of CH3NH3PbI3 in IMI structure. (a) Structural diagram of IMI with micro-nano composite grating; (b) absorption spectra of CH3NH3PbI3 in IMI structures with different gratings
3 结论
采用紫外光刻技术与激光双光束干涉技术相结合的方法以及激光双光束干涉技术两次曝光的方法,成功制备出了周期为4,5,6 μm条形微米光栅与周期为350 nm条形光栅结合的微纳米复合结构以及微米条形、矩形点阵、圆形点阵和六边形点阵与纳米条形光栅结合的微纳米复合结构等结构,实现了在单一材料表面经过一次加工,制备出形貌和周期可调的微纳米复合结构。制备过程更加简单,成本更加低廉,制备精度和重复性更高;与单一周期的微结构相比,微纳米复合结构层次更加复杂。通过引入微纳米复合光栅结构,利用微纳米复合光栅诱导的光散射以及SPPs的电场增强作用,玻璃/光刻胶/银膜/ CH3NH3PbI3结构中CH3NH3PbI3光吸收强度在350~780 nm范围内得到明显增强。
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