一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法，所述方法中，采用的模板为具有超构功能基元图案的压印模板。本发明专利技术提供的基于纳米压印制备光学超构表面的方法，能够替代制作超构功能基元时用到的电子束光刻方法，大幅度降低成本，并且缩短生产时间。本发明专利技术提供的方法在生产成本和生产时间上显著提高，实现了超构表面光学器件在短时间内的低成本，大规模制作，具有良好的产业化前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法
本专利技术涉及微纳加工领域，尤其涉及光学超构表面的制备。
技术介绍
光学超构材料是由人工设计构建而成的光学结构材料，其中的超构单元能够让光以一种在天然材料中不可能实现的方式来进行传播。我们可以通过调控超构单元的构成材料和几何形状，来设计超构材料的线性光学参数，比如说有效介电常数，磁导率，折射率，等等。通过这种方式，超构单元的电磁响应就不再限制于自身的化学组分了。通过合理地设计光学超构材料，我们可以实现一些奇特的光学物理现象，比如说负折射、超分辨率成像和光学隐身等。但是，由于三维超构材料在纳米加工遇到的挑战和其巨大的光损耗限制了它在光学领域的实际应用。光学超构表面(metasurface)的出现很好地解决了三维超构材料遇到的困难。超构表面就是由一类具有空间变化图案的超构功能基元构成的界面。超构表面是基于光在通过某一设计好的界面时会产生相位突变这一概念。通过在金属和介质材料构成的基底上引入超构功能基元，可以在亚波长尺度下实现对光的偏振、振幅和相位的有效调控。超构表面的二维属性使其能实现体积更紧凑，损耗更低的光学器件的制备。并且，超薄超构表面的制备工艺与现有的互补金属氧化物半导体技术兼容，更容易集成到现有的光电技术中。从某种程度上说，超构平面的出现预示着“平面光学”新时代的到来。利用超构表面我们可以实现高效率的光学全息成像、高数值孔径透镜，各种平面衍射光学元件等。目前工作波段在可见光和近红外的超构表面光学器件中超构功能基元的制作主要利用电子束光刻技术，受限于电子束的小束流以及电子束光刻胶需要一定的曝光量才能有效进行图形转移，我们在刻写一个小面积的光学超构表面时就需要很长的一段曝光时间，并且电子束光刻机也极其昂贵。高制造时间成本，高昂的仪器费用极大地限制了超构表面光学器件的产业化。因此，开发一种更高效更廉价地制备光学超构表面的方法，对于该领域的发展具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法，用以解决现有技术中制备时间长、成本高的问题。为达此目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法，所述方法中，采用的模板为具有超构功能基元图案的压印模板。本专利技术中，通过将纳米压印方法应用于光学超构表面的制备中，替代可传统制备超构功能基元时使用的电子束光刻方法，可以实现超构表面光学器件在短时间内的低成本，大规模制作，并可在柔性衬底上以卷对卷方式进行连续亚微米级别的图形化，实现高精度光学超构平面的规模化生产，相对于传统的电子束光刻方法是突破性的提高。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，所述具有超构功能基元图案的压印模板为高分子薄膜压印模板或金属压印模板中的任意一种。优选地，所述高分子薄膜的材料为聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneglycolterephthalate，PET)、聚氨酯(polyurethane，PU)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)中的任意一种或至少两种的组合，典型但是非限制性的组合有：PC和PMMA的组合，PEEK和PI的组合，PET和PU的组合，PTFE、PVDF和PDMS的组合等。优选地，所述金属模板的材料为Ni。使用Ni作为模板不会在压印过程中破碎，适用于工业生产中常用的卷对卷纳米压印。优选地，所述具有超构功能基元图案的压印模板通过如下方法制备得到：①在衬底上涂覆一层电子束光刻胶，在所述电子束光刻胶上刻写超构表面功能基元图案，用显影液显影，得到电子束光刻胶掩膜板，利用所述电子束光刻胶掩膜板刻蚀所述衬底，用溶剂去除电子束光刻胶，得到具有超构表面功能基元图案的衬底；②将步骤①所述具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到高分子薄膜或金属层上；③将所述高分子薄膜或金属层与衬底剥离，得到所述高分子薄膜压印模板或金属压印模板。上述具有超构功能基元图案的压印模板的制备方法中，所述具有超构表面功能基元图案的衬底上的超构表面功能基元图案为凹进去的纳米级多面体，将图案转移到高分子薄膜压印模板或金属压印模板后，高分子薄膜压印模板或金属压印模板上的超构表面功能基元图案为凸起的纳米级多面体。作为本专利技术优选的技术方案，所述具有超构功能基元图案的压印模板的制备过程中，步骤①所述衬底包括硅片或石英。优选地，步骤①所述涂覆为旋涂。优选地，步骤①所述电子束光刻胶为电子束光刻正胶。优选的，步骤①中，在所述电子束光刻胶上刻写超构表面功能基元图案使用的方法为电子束光刻。优选地，步骤①所述电子束光刻胶的涂覆厚度为150nm～400nm，优选为150nm。具体厚度可以视所选的电子束光刻胶与硅片在感应耦合等离子体刻蚀时的选择比而决定。优选地，步骤①中，刻蚀所述衬底的方法为感应耦合等离子体(InductivelyCouplePlasma，ICP)刻蚀。优选地，步骤①中，刻蚀所述衬底的深度为150nm～400nm，优选为200nm。其具体厚度与后续制作镍模板时的成功率，利用镍模板进行纳米压印超构表面功能基元图案时的成功率，剥离蒸镀在纳米压印胶上的金属的成功率有关，可根据需求进行相应调整。作为本专利技术优选的技术方案，所述具有超构功能基元图案的压印模板的制备过程中，当将具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到高分子薄膜时，步骤②的具体方法为：利用纳米压印方法将所述具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到高分子薄膜上。优选地，所述具有超构功能基元图案的压印模板的制备过程中，当将具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到金属层时，步骤②的具体方法为：先用电子束蒸镀方法在所述经过刻蚀的硅衬底上蒸镀一层金属薄膜，然后用电镀的方法生长金属层。本专利技术中，根据不同的压印模板材质，优选与之相适应的制备方法，有利于优化生产流程，节约生产成本。作为本专利技术优选的技术方案，其特征在于，采用具有超构功能基元图案的压印模版制备光学超构表面的方法为：先将所述压印模板的超构功能图案转移到纳米压印胶上，再进行后处理，得到光学超构表面。优选地，所述转移的方法为：加热纳米压印胶使其变软，向变软的纳米压印胶上加压，让压印模板上的图案印在纳米压印胶上，降温固化纳米压印胶，去除压力，将所述压印模板与纳米压印胶分离，清理残胶后得到具有超构图案的纳米压印胶。优选地，所述加热的温度比纳米压印胶的玻璃化温度高40℃～60℃，优选为50℃。优选地，所述加压的压力为4Mpa～6Mpa，优选为5Mpa。优选地，所述降温至温度为20℃～30℃，优选为25℃。优选地，所述清理残胶的方法为反应离子刻蚀(reactive本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法，其特征在于，所述方法中，采用的模板为具有超构功能基元图案的压印模板。

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法，其特征在于，所述方法中，采用的模板为具有超构功能基元图案的压印模板。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有超构功能基元图案的压印模板为高分子薄膜压印模板或金属压印模板中的任意一种；优选地，所述高分子薄膜的材料为聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚氨酯PU、聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF或聚二甲基硅氧烷PDMS中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述金属模板的材料为Ni；优选地，所述具有超构功能基元图案的压印模板通过如下方法制备得到：①在衬底上涂覆一层电子束光刻胶，在所述电子束光刻胶上刻写超构表面功能基元图案，用显影液显影，得到电子束光刻胶掩膜板，利用所述电子束光刻胶掩膜板刻蚀所述衬底，用溶剂去除电子束光刻胶，得到具有超构表面功能基元图案的衬底；②将步骤①所述具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到高分子薄膜或金属层上；③将所述高分子薄膜或金属层与衬底剥离，得到所述高分子薄膜压印模板或金属压印模板。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述具有超构功能基元图案的压印模板的制备过程中，步骤①所述衬底包括硅片或石英；优选地，步骤①所述涂覆为旋涂；优选地，步骤①所述电子束光刻胶为电子束光刻正胶；优选的，步骤①中，在所述电子束光刻胶上刻写超构表面功能基元图案使用的方法为电子束光刻；优选地，步骤①所述电子束光刻胶的涂覆厚度为150nm～400nm，优选为150nm；优选地，步骤①中，刻蚀所述衬底的方法为感应耦合等离子体刻蚀；优选地，步骤①中，刻蚀所述衬底的深度为150nm～400nm，优选为200nm。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述具有超构功能基元图案的压印模板的制备过程中，当将具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到高分子薄膜时，步骤②的具体方法为：利用纳米压印方法将所述具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到高分子薄膜上；优选地，所述具有超构功能基元图案的压印模板的制备过程中，当将具有超构表面功能基元图案的衬底上的图案转移到金属层时，步骤②的具体方法为：先用电子束蒸镀方法在所述具有超构表面功能基元图案的衬底上蒸镀一层金属薄膜，然后用电镀的方法生长金属层。5.根据权利要求1-4任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫，李贵新，庄鑫，邓俊鸿，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44