一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法技术

本发明专利技术公开了一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，包括步骤：S1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；S2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；S3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；S4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；S5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。本发明专利技术在温度场的基础上，拟通过引入电场，通过调节电场强度、方向、作用时间等参数，利用热‑电耦合抵消内部机械应力，来保障硅基内部结构的稳定成形。

【技术实现步骤摘要】
一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法
本专利技术属于微纳米制造
，具体涉及一种热-电耦合作用下硅基三维光子晶体内部球形空腔阵列稳定成形研究。
技术介绍
硅基三维微纳结构在力学、光学和电学等方面展现出独特的性能，在DNA检测、传感器等领域具有广泛的应用前景。然而，在硅基内部进行球形空腔三维结构加工时，多种制约因素的影响，如：对硅基初始结构进行刻蚀时，产生的内部机械应力；硅基内部空腔结构成形时，表面能不足或过大等等，致使硅基内部结构成形不稳定，从而导致结构对器件的兼容性差，进而影响微纳器件的性能表现。因此，硅基三维微纳结构的稳定成形是微纳器件加工领域的基础性关键问题。近年来，采用电场调控微观结构成形等方面的研究受到青睐。国内外有课题组研究了电-力耦合效应可有效调控微纳表面自组装过程；也有某课题组发现空位缺陷的运动会受到电场的影响，从而致使硅晶体的生长方向、生长速率均受到电场的控制；还有课题组模拟了电迁移诱导表面扩散的过程，表明电场能和表面能均可驱使原子进行扩散；更有甚者，通过实验表明当施加电场时，大量定向运动的电子在电子风力的作用下碰撞硅原子，通过动量交换，原子获得能量克服势垒，硅原子会以晶格扩散的方式，离开原来的平衡位置，向晶格缺陷处移动，以抵消晶格缺陷所产生的内部机械应力，最终保证表面能在无外力干扰的条件下，主导内部结构稳定成形。因此，利用热-电耦合作用，抵消硅基系统残余机械应力的干扰，诱导缺陷结构的成型位置，最终实现硅基内部球形空腔阵列三维结构的稳定成形，具有重要的学术价值和理论研究意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种热电耦合作用下内部球形空腔阵列稳定成形的硅基三维光子晶体制备方法。本专利技术在温度场的基础上，拟通过引入电场，通过调节电场强度、方向、作用时间等参数，利用热-电耦合抵消内部机械应力，来保障硅基内部结构的稳定成形。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，包括以下步骤：S1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；S2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；S3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；S4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；S5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S1中，阵列微孔的孔径D、孔高H、孔距Ds需满足：5≤L/D；Ds＞D。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S2中，根据硅基光子晶体内部球形空腔结构的数量及排列位置，来确定电极板的摆放方式、电场作用方向。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S3中，水平管式炉的环境温度为1150℃。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S5中，电场强度区间为8.90×106V/cm-1.35×107V/cm。本专利技术与现有技术相比，有益效果是：其一，本专利技术专利制造规则排列的硅基三维光子晶体的方法简易，实现了三维球形空腔结构的稳定成形(形状、位置)。其二，本专利技术专利所使用的器材多为常规器材，操作方法简单且绿色无污染。其三，本专利技术专利所提出的热-电耦合诱导硅基光子成型作用机理可推广至其他半导体材料的制备上，为高品质半导体材料的加工制造提供新的方案。附图说明图1表面刻有规则排列的二维阵列微孔的硅基光子晶体示意图；图2为硅基内部结构在热-电耦合作用下的结构示意图；图3为硅基内部结构在热-电耦合作用下的成形示意图一；图4为硅基内部结构在热-电耦合作用下的成形示意图二；图5为有无热-电耦合作用的硅基三维光子晶体的成形对比示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、特征和优点能更加的明显易懂，下面将结合附图对本专利技术专利的具体实施步骤做详细说明。需要说明是，附图采用简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明确的说明本专利技术实施例的目的。首先对长方体硅基光子晶体进行离子刻蚀的技术操作。将其放在离子刻蚀的机器上，如图1所示的圆柱孔深度L、孔的直径D和孔之间的距离Ds等参数进行刻蚀操作。在进行离子刻蚀技术时，刻蚀的每一个圆柱孔的尺寸要保持一致且在光子晶体表面均匀分布。上述的操作使得最终形成的内部球形空腔更加的规则。优选的，阵列微孔的尺寸(孔径D、孔深L、孔距Ds)满足：5≤L/D；Ds＞D。其次，搭建高温度场下的热-电耦合实验装置，实验环境温度设置为1150℃。将表面刻有二维阵列圆柱孔的硅基光子晶体放在该实验装置当中，如图2所示。其中电极板(钼板)水平放置在硅基光子晶体的上下方，可根据实验需要来调节电极板位置，通过调节直流电压控制电场强度。N型硅基光子晶体内部存在大量自由电子，电场对电子产生电子风力。电子在电子风力的推动下和原子进行碰撞，传递部分能量给原子，发生动量交换，促使原子向晶格缺陷处移动。如图3-4所示，在表面力以及电场力的耦合作用下，表面的阵列圆柱孔将会发生形变。图3和图4中，虚线箭头表示硅原子迁移方向，实线箭头表示电子流方向，实心虚线圆圈表示硅原子，空心虚线圆圈表示晶格缺陷位置。随着作用时间的增长，圆柱孔会逐渐的成形出体积一样的球形空腔，且周期性规则排列。对比于未加电场作用的光子晶体内部空腔形成结果，如图5所示。优选的，使用钼板作为电极板，根据光子晶体内部球形空腔结构的数量及排列位置，来确定电极板的摆放方式、电场作用方向。优选的，根据实验需求，球形空腔成形结构不同，电场强度区间为8.90×106V/cm-1.35×107V/cm。以上例举仅为本专利技术的优选实施例。本专利技术并不限于以上实施例，从本专利技术公开内容，依据本专利技术提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；/nS2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；/nS3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；/nS4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；/nS5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；
S2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；
S3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；
S4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；
S5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俐楠，陈建龙，朱伟华，吴立群，王洪成，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33