二氧化钛基有机-无机复合薄膜的制备及采用该薄膜制备微光器件的方法技术

二氧化钛基有机－无机复合薄膜的制备及采用该薄膜制备微光器件的方法，通过改进的溶胶－凝胶技术结合低温有机－无机复合技术引入了有机光敏功能基团以实现具有光敏特性同时集光波导特性于一身的有机－无机复合光电子材料。并基于该类复合材料的紫外光敏特性结合掩模技术、热熔回流技术和压印技术进行低成本的脊型光波导器件和微透镜阵列的制作。特别是本发明专利技术是基于在低温下具有数微米厚、折射率可调和紫外光敏特性的单层光学质量波导薄膜，所以非常利于光电子器件的集成化和低成本制作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有紫外光敏特性的低温有机-无机复合光电子材料的制备 及其应用领域，具体涉及一种二氧化钛基有机-无机复合薄膜的制备及采用该薄膜 制备微光器件的方法。
技术介绍
随着光子学和集成光学的日益发展和研究兴趣的增加，特别是光通信系统及 网络技术的迅速发展和需要，大大增加了对微光学器件的需求。微光学元件是光 电子器件中的重要光学元件，在成像、准直、耦合以及色像差校正、波前形状控 制等应用上起着不可替代的作用。目前微光学元件制作技术已较为成熟，然而由 于使用设备昂贵，工艺过程复杂，因价格因素，致使微光学元件的应用，尤其是 在民用产品方面的应用受到很大限制。随着我国成为世界的制造中心，微光学及 微器件的加工和生产将向我国转移，廉价微光器件的批量制作技术需求将日益迫 切，促使和激励人们进行光子和光波导材料及微器件的研究和开发。近年来基于有机改性硅酸盐基复合材料在集成光电子学方面的应用，在国际上引起了科学家们极大的关注。有机改性硅酸盐具有良好的透光性,是通过在Si02等无机材料的结构网络中弓l进有机分子，获得的一种性能优越的新型光学材料， 所以基于有机改性硅酸盐的溶胶一凝胶集成光学显示出潜在的光电子学应用前 景。和无机玻璃基质材料相比，有机-无机复合材料随着有机基团的加入不但可以 改进材料的物理、化学和机械特性，而且还可以改进无机基质的结构，使得对有 机光敏分子基团异构化具有更大的空间。例如含有可聚合的包括未饱和的碳氢化 合物或环氧物替代等有机基团的有机-无机复合材料已被广泛的研究和开发，因为这类复合材料可根据其紫外光的光敏特性结合掩模技术、激光写入技术、激光全 息术或电子束曝光技术等，然后直接进行显影冲洗掉未被光照(未聚合)区域而实现光波导器件和微光器件的制作。除此之外，我们利用PDMS弹性印章可以直接 在这类光敏材料上结合紫外光固化压印技术制备各类其j也形状的微光学器件。由 此可见，基于该类光敏复合材料的光器件制作过程，可以省去无机材料中必须的 刻蚀过程，从而可大大降低器件制作成本和进行简单和批量制作。所以结合改进 的溶胶-凝胶技术和低温有机-无机复合技术实现其具有良好光波导特性和紫外光 敏特性于一身的二氧化钛基有机-无机复合光敏材料和微光器件制作的研究对于 光子学和集成光学的发展将具有重要意义。本专利技术的目的在于提供一种具有良好光波导特性及紫外光敏特性的低温二氧 化钛基有机-无机复合薄膜的制备及基于该薄膜制备微光器件的方法。 本专利技术的低温二氧化钛基有机-无机复合薄膜的审IJ备方法如下1) 首先，将1摩尔钛酸丁酯和3 5摩尔乙酰丙酮混合搅拌均匀得溶液A;2) 其次，将1摩尔3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯、2 4摩尔异 丙醇和2 4摩尔去离子水混合，然后加入0. 01摩尔标准盐酸溶液作为催化剂， 搅拌均匀水解-縮聚后得溶液B;3) 然后，将l摩尔甲基三乙氧基硅烷、3 5摩尔乙醇和3 5摩尔去离子水混合均匀，然后加入0.01摩尔的标准盐酸作为催化剂并不断搅拌均匀水解-縮聚后作为溶液C;4) 按溶液A中钛酸丁酯、溶液B中3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯 和溶液C中甲基三乙氧基硅烷摩尔比为1: 2-3: 2-1将溶液A、溶液B和溶液C 混合室温下搅拌，得含硅钛的低温有机-无机复合基质母液；5) 取有机-无机复合基质母液重量3. 0-4. 0%的双(2， 4， 6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦光弓l发剂加入到复合基质母液中，并在暗室和室温下搅拌均匀得到悬 浊液；6)禾佣旋转涂层工艺在转速为每分钟2500-4500转的情况下将悬浊液沉积在 硅基片或玻璃基片上，将沉积好的薄膜样品放在70-85°C下处理3-5分钟得到具 有高光学质量和紫外光敏特性的二氧化钛基有机-无机复合薄膜。采用该复合薄膜制备微光器件的方法利用光刻机通过脊型光波导掩膜版对 二氧化钛基有机-无机复合薄膜采用接触式曝光8-25分钟，然后在无水乙醇或丙 酮中显影12-60秒得到脊型光波导器件。采用该复合薄膜制备微光器件的方法1) 利用台湾永光EPG533型正性光刻胶以每分钟1000-3000转的转速将光刻 胶均匀旋涂在硅基片上，然后将沉积好的光刻胶薄膜在80-100°C的炉子或热板上 处理1-5分钟，最后禾U用光亥晰通过圆柱阵列掩膜版对该光亥鹏薄膜采用接触式 曝光50-80秒，在正胶显影液中显影25-120秒得到圆柱体阵列；2) 然后将所得圆柱体阵列在150-180°C中回流得到微透镜阵列母版；3) 将PDMS 贞聚物和固化剂按10 : 1的重量比混合搅匀，并将其放入真空干 燥箱中直至气泡完全去除，然后，将其浇注在微透镜阵列母版上并置于室温中固 化24小时或90°C中固化1小时；4) 将固化后的PDMS冷却至室温后，将其从微透镜阵列母版上上剥离，得到 微结构与微透镜阵列母版图案完全互补，大小等同的PDMS弹性印章；5) 首先，将1摩尔钛酸丁酯和3 5摩尔乙酰丙酮混合搅拌均匀得溶液A;6) 其次，将l摩尔3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯、2 4摩尔异 丙醇和2 4摩尔去离子水混合，然后加入0. 01摩尔标准盐酸溶液作为催化剂， 搅拌均匀7jC解-缩聚后得溶液B;7) 然后，将l摩尔甲基三乙氧基硅烷、3 5摩尔乙醇和3 5摩尔去离子水混合均匀，然后加入0.01摩尔的标准盐酸作为催化剂并不断搅拌均匀水解-縮聚后作为溶液C;8) 按溶液A中钛酸丁酯、溶液B中3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯 和溶液C中甲基三乙氧基硅烷摩尔比为1: 2-3: 2-1将溶液A、溶液B和溶液C混合室温下搅拌，得含硅钛的低温有机-无机复合基质母液；9) 取有机-无机复合基质母液重量3.0-4.0%的双(2， 4， 6-三甲基苯甲酰基) 苯基氧化膦光引发剂加入到复合基质母液中，并在暗室和室温下搅拌均匀得到悬 浊液；10) 将悬浊液以800_2000rpm旋转120-60s旋涂到硅衬底上形成复合薄膜， 然后将PDMS弹性印章压印到复合薄膜上面，经紫外光照固化后，将PDMS弹性印 章从固化的复合薄膜上去除得到微透镜阵列，所说的紫外光照固体采用短弧氤灯 发射，其电流为15mA，照射10-15min。本专利技术的光刻机采用JKG-2A型光刻机；脊型光波导或圆柱阵列掩膜版采用二 元掩膜铬板。本专利技术采用改进溶胶-凝胶技术结合有机-无机复合技术在低温下制备具有良 好光学特性的复合光敏特性薄膜，并利用掩膜技术制备光波导器件，其制备工艺 简单，而且重复性好。采用二氧化钛作为无机基质和有机改性硅酸盐甲基三乙氧 基硅烷和3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(含有不饱和碳碳双键，其在 紫外光的照射下碳碳双键会断裂再聚合生成稳定的聚合物)为有机基质的低温有 机-无机复合光敏材料，通过基于其有机光敏功能基团以实现具有光敏特性同时集 光波导特性于一身的有机-无机复合光电子材料。同时通过该类低温复合材料的紫 外光敏特性结合掩模技术、压印技术或其它激光技术进行低成本的光波导器件或 其它微光器件的制作。所以本专利技术对于实现微纳光电子器件的集成化和批量制作 有重大意义。附图说明图1不同热处理温度下得到的二氧化钛基有机-无机复合薄膜的傅立叶变换红 外光谱曲线图，其中横坐标为波数(cnf1本文档来自技高网...

【技术保护点】
二氧化钛基有机－无机复合薄膜的制备方法，其特征在于：　１）首先，将１摩尔钛酸丁酯和３～５摩尔乙酰丙酮混合搅拌均匀得溶液Ａ；　２）其次，将１摩尔３－（三甲氧基硅烷基）丙基甲基丙烯酸酯、２～４摩尔异丙醇和２～４摩尔去离子水混合， 然后加入０．０１摩尔标准盐酸溶液作为催化剂，搅拌均匀水解－缩聚后得溶液Ｂ；　３）然后，将１摩尔甲基三乙氧基硅烷、３～５摩尔乙醇和３～５摩尔去离子水混合均匀，然后加入０．０１摩尔的标准盐酸作为催化剂并不断搅拌均匀水解－缩聚后作为溶液Ｃ ；　４）按溶液Ａ中钛酸丁酯、溶液Ｂ中３－（三甲氧基硅烷基）丙基甲基丙烯酸酯和溶液Ｃ中甲基三乙氧基硅烷摩尔比为１∶２－３∶２－１将溶液Ａ、溶液Ｂ和溶液Ｃ混合室温下搅拌，得含硅钛的低温有机－无机复合基质母液；　５）取有机－无机复 合基质母液重量３．０－４．０％的双（２，４，６－三甲基苯甲酰基）苯基氧化膦光引发剂加入到复合基质母液中，并在暗室和室温下搅拌均匀得到悬浊液；　６）利用旋转涂层工艺在转速为每分钟２５００－４５００转的情况下将悬浊液沉积在硅基片或玻璃基 片上，将沉积好的薄膜样品放在７０－８５℃下处理３－５分钟得到具有高光学质量和紫外光敏特性的二氧化钛基有机－无机复合薄膜。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阙文修，贾春颖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]