CN104849783A - 基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体及其加工方法 - Google Patents

Abstract

基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体及其加工方法，涉及电磁波吸收体。所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体为3层结构，从下至上依次为衬底、金属层和介电层，在介电层上设有金属微纳阵列。1)在衬底上蒸镀金属层，在金属层上沉积介电层；2)在步骤1)所得的介电层上制备双层胶膜，所述双层胶膜由正性光刻胶底层和纳米压印胶顶层组成；3)将步骤2)中所得的基片置于纳米压印设备里，利用中间聚合物模板压印，然后脱模，得到压印图形；4)利用等离子刻蚀去除压印残留的纳米压印胶，利用正胶显影液浸泡去除露在外面的正性光刻胶；5)在步骤4)的基片上蒸镀一层金属材料；6)去除多余的双层胶膜，得到金属微纳阵列。

Description

基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体及其加工方法

技术领域

本发明涉及电磁波吸收体，尤其是涉及一种可用于光伏器件、光电探测器、热光伏器件和微测热辐射计的基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体及其加工方法。

背景技术

不论在科学领域还是工业领域，人们都一直在探索寻找一种具有100％吸收率的电磁波吸收体，它可以用在各种光电器件上，把照向它的电磁波全部吸收，而不发生反射。完美吸收体，正是一种基于人工合成材料的电磁波吸收体，它的电磁参数和周围环境的电磁参数可实现阻抗匹配，因此其在特定频段下的吸收率为100％，且该频段可以通过调整吸收体的参数来改变。因此若将该频段调整成可见与近红外波段，则完美吸收体可以用来制作光伏电池、光电探测器等需要将电磁波高效率吸收的器件。不仅如此，通过改变完美吸收体的参数，还能对电磁波的吸收进行精确的调控，从而实现更多复杂而精密的光电技术，如热影像技术、可调节热光伏器件等。

而在现有技术中，主要难点在于大面积制作带有均匀排列的金属微纳阵列的完美吸收体。

如前所述，要保证完美吸收体性能良好，需要满足以下条件：

(1)金属阵列的周期在亚波长以下，且阵列单元自身的直径需是可调的。

(2)阵列必须均匀排列且每个阵列单元结构相同。

在现有制作完美吸收体的技术中：光刻技术可以较好制作均匀的阵列结构，但其精细化程度不够，由于衍射极限的存在，它通常制作的阵列单元结构在1μm以上；电子束光刻技术虽然克服了传统光刻技术中的衍射极限，也使得可以制作的阵列单元结构尺度在亚波长以下，但是，由于其工艺流程决定了它制作样品的速度很慢，不适合制作大面积的样品，而且由于每次加工都很耗时，也不能批量生产器件；基于聚苯乙烯胶体球掩膜体制作的阵列，虽然可以制作较小的阵列单元，但是由于无法保证每一个聚苯乙烯小球的尺寸大小都完全的一致，而且在实际中很难保证每一次自组装的聚苯乙烯小球都可以紧密排列，也就无法保证阵列的均匀性，阵列的周期性也就无法保证，而且实验的可重复性也比较差。综上可知，现有工艺很难满足工业化生产应用的要求。因此，如何低成本、大规模可重复性的制造大面积可见与近红外光完美吸收体，并实现对其模型尺寸的精确调控，是一个很值得探究的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术缺陷，提供一种基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体及其加工方法。

所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体为3层结构，从下至上依次为衬底、金属层和介电层，在介电层上设有金属微纳阵列。

所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底上蒸镀金属层，在金属层上沉积介电层；

在步骤1)中，所述衬底可采用单面抛光硅片；所述金属层可采用金层或银层；所述金属层的厚度可大于100nm；所述介电层可采用介电氧化物层，如：Al₂O₃或者SiO₂；所述在金属层上沉积介电层的方法可采用射频磁控溅射的方法，所述介电层的厚度可为10～50nm。

2)在步骤1)所得的介电层上制备双层胶膜，所述双层胶膜由正性光刻胶底层和纳米压印胶顶层组成；

在步骤2)中，所述正性光刻胶底层的厚度可为100nm，纳米压印胶顶层的厚度可为200nm。

3)将步骤2)中所得的基片置于纳米压印设备里，利用中间聚合物模板压印，然后脱模，得到压印图形；

在步骤3)中，所述中间聚合物模板由镍模板经热纳米压印制得。

4)利用等离子刻蚀去除压印残留的纳米压印胶，利用正胶显影液浸泡去除露在外面的正性光刻胶；

在步骤4)中，所述残留的纳米压印胶的厚度约为20nm。

5)在步骤4)的基片上蒸镀一层金属材料；

在步骤5)中，所述蒸镀一层金属材料可采用电子束蒸发的方法，厚度视所加工吸收体而定。

6)去除多余的双层胶膜，得到金属微纳阵列。

在步骤6)中，所述去除多余的双层胶膜的方法可将所得基片浸泡在正胶显影液中，浸泡的时间可为5～15h,随着残胶的去除，即可得到金属微纳阵列。

本发明采用纳米压印工艺制作，之所以可以用纳米压印的方法来制作完美吸收体，是因为它有如下特点：

(1)采用电子束直写技术制作的纳米压印模板，其精密程度完全可以满足器件对阵列周期以及阵列直径的要求。

(2)精确模板的使用可以很好地保证每个阵列单元的一致性。

(3)由于纳米压印技术的采用，使器件的制作成本降低，且可用于工业中的大量生产。

正是基于如上特点，纳米压印便可以在保证完美吸收体的工艺要求下，同时大面积的运用于廉价的工业生产中。让完美吸收体的应用更加广泛。

本发明不仅要求控制阵列单元的周期在亚波长以下，而且要求严格控制阵列单元的均匀性及一致性。不仅如此，还要求兼顾制作工艺的可重复性从而可以保证在工业生产中可以大量生产。

附图说明

图1是本发明基于纳米压印制备双层胶膜后的样品示意图。

图2是本发明基于纳米压印去除残胶后的样品示意图。

图3是本发明基于纳米压印镀膜后的样品示意图。

图4是本发明基于纳米压印制作的吸收体样品示意图。

图5是实施例样品的扫描电镜图。

图中，各标记为：1是衬底(单面抛光硅片)；2是金属层(银)；3是介电层(Al₂O₃)；4是正性光刻胶；5是纳米压印胶；6是蒸镀的金属层(银)；7是金属微纳阵列。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体为3层结构，从下至上依次为衬底1、金属层2和介电层3，在介电层3上设有金属微纳阵列7。

利用本发明的制备方法，制作金属层为银层，厚度100nm；介电层为Al₂O₃层，厚度为10nm；均匀金属阵列材料为银，阵列直径250nm，高度50nm的完美吸收体，并测量其反射率。具体步骤如下：

(1)选择单面抛光的硅片为基片，按照标准清洗流程清洁硅片。

(2)在基片用电子束蒸发的方法蒸镀100nm的银，然后用射频磁控溅射的方法沉积10nm的Al₂O₃。

(3)双层胶膜制备：将步骤(2)中做的基片置于涂胶机中，采用旋涂的方式将正性光刻胶均匀的涂在基片上，旋涂的转速为4000r/min，胶厚为100nm，然后将基片置于200℃的加热板上加热3min，加热完成待其冷却之后再涂纳米压印胶，旋涂的转速为2000r/min,胶厚200nm，95℃烘烤2min,在完成步骤(2)、(3)后，样品如图1所示。

(4)压印：将表面干净的中间聚合物软膜放在镍模板表面进行热纳米压印，得到中间聚合物软模板，在中间聚合物软模板表面得到与镍模板互补的纳米结构。以中间聚合物软模板为紫外纳米压印模板，将表面涂有双层胶膜的硅片置于纳米压印光刻***样品台上进行紫外纳米压印，在纳米压印胶表面得到与中间聚合物模板互补的纳米结构。

(5)去残胶：紫外纳米压印后，采用型号为Q150的微波等离子体去胶机气相刻蚀残胶层，残胶刻蚀条件为：仪器Q150，功率300W，胶体压力60Pa，以氧气为除胶源，其流量为1000mL/min，氩气为保护气，其体积流量为100mL/min，刻蚀时间20min。然后将所得基片浸泡在正胶显影液中20s，随后用清水清洗，用氮气吹干，完成之后，样品如图2所示。

(6)镀膜：用电子束蒸发蒸镀一层银膜大约50nm厚，完成之后，样品如图3所示。

(7)剥离：将完成镀膜的基片浸泡于正胶显影液10h，然后用清水冲洗，氮气烘干。便得到了所要的样品：以硅片为衬底，在衬底之上分别有100nm银层、10nmAl₂O₃以及直径300nm、高度50nm、周期为500nm的完美吸收体，完成之后，样品如图4所示。

由图5的实例扫描电镜图可以清楚看到，阵列的均匀性很好，可以满足完美吸收体的要求。图中金属阵列的直径为250nm,周期500nm，达到了预期的效果。从而也证明了纳米压印可以应用于可见和近红外光超级吸收体的制作。

Claims (10)

1.基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体，其特征在于为3层结构，从下至上依次为衬底、金属层和介电层，在介电层上设有金属微纳阵列。

2.如权利要求1所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体，其特征在于所述衬底采用单面抛光硅片；所述金属层可采用金层或银层；所述金属层的厚度可大于100nm。

3.如权利要求1所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体，其特征在于所述介电层采用介电氧化物层，所述介电氧化物层可选自Al₂O₃或SiO₂；所述介电层的厚度可为10～50nm。

4.如权利要求1所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在衬底上蒸镀金属层，在金属层上沉积介电层；

2)在步骤1)所得的介电层上制备双层胶膜，所述双层胶膜由正性光刻胶底层和纳米压印胶顶层组成；

3)将步骤2)中所得的基片置于纳米压印设备里，利用中间聚合物模板压印，然后脱模，得到压印图形；

4)利用等离子刻蚀去除压印残留的纳米压印胶，利用正胶显影液浸泡去除露在外面的正性光刻胶；

5)在步骤4)的基片上蒸镀一层金属材料；

6)去除多余的双层胶膜，得到金属微纳阵列。

5.如权利要求4所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述在金属层上沉积介电层的方法采用射频磁控溅射的方法。

6.如权利要求4所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述正性光刻胶底层的厚度为100nm，纳米压印胶顶层的厚度为200nm。

7.如权利要求4所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述中间聚合物模板由镍模板经热纳米压印制得。

8.如权利要求4所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述残留的纳米压印胶的厚度为20nm。

9.如权利要求4所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述蒸镀一层金属材料采用电子束蒸发的方法。

10.如权利要求4所述基于纳米压印工艺的可见与近红外光吸收体的制备方法，其特征在于在步骤6)中，所述去除多余的双层胶膜的方法是将所得基片浸泡在正胶显影液中，浸泡的时间为5～15h，随着残胶的去除，即得到金属微纳阵列。