CN111239077A - 纳米结构阵列及其制备方法和含其的色散仪 - Google Patents

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Abstract

一种纳米结构阵列及其制备方法和含其的色散仪，该纳米结构阵列包括衬底，起支撑作用；设置在衬底上的若干纳米结构，若干纳米结构形成阵列，用于接收入射光并根据入射光频率不同将复色光分解成单色光；以及金属掩膜层，其覆盖在所述圆柱纳米结构的顶部，用于提高反射率。本发明通过电子束光刻和电子束蒸发沉积方法形成圆柱周期阵列，精度高；与传统的半导体工艺兼容，易于集成；采用圆柱纳米阵列结构激发米氏共振，根据折射率的变化，同时可以观察样品变化带来的结构色的变化，易于观察，且绿色环保。

Description

纳米结构阵列及其制备方法和含其的色散仪
技术领域
本发明涉及纳米技术和光色散技术领域，具体地涉及一种纳米结构阵列及其制备方法和含其的色散仪。
背景技术
色散是复色光分解为单色光而形成光谱的现象。色散可以利用棱镜或光栅等作用为色散***的仪器来实现。如复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。例如太阳光通过三棱镜后，产生自红到紫循序排列的彩色连续光谱。复色光通过光栅或干涉仪时，由于光的衍射和干涉作用，也能使各种色光分散。从广泛的意义上来说，色散不仅指光波分解成频谱，而且任何物理量只要随频率(或波长)而变，都称色散，例如旋光色散等。
目前，基于米氏共振的电介质结构色的研究得到了广泛的关注和快速的发展。由于结构的米氏共振波长依赖于固有的材料特性和结构几何形状，因此可以传统化学着色的缺点，绿色环保。色散就是复色光分解为单色光而形成光谱的现象。让一束白光射到色散仪上，光线经过折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带，其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色，靠近底边的一端是紫色，中间依次是橙黄绿蓝靛，这样的光带叫光谱。光谱中每一种色光不能再分解出其他色光，称它为单色光。由单色光混合而成的光叫复色光。自然界中的太阳光、白炽电灯和日光灯发出的光都是复色光。在光照到物体上时，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收。如果物体是透明的，还有一部分透过物体。不同物体，对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现不同的色彩。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种纳米结构阵列及其制备方法和含其的色散仪，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种纳米结构阵列，包括：
衬底，起支撑作用；
设置在衬底上的若干纳米结构，若干纳米结构形成阵列，用于接收入射光并根据入射光频率不同将复色光分解成单色光；以及
金属掩膜层，其覆盖在所述圆柱纳米结构的顶部，用于提高反射率。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种纳米结构阵列的制备方法，制备如上所述的纳米结构阵列，包括：
在衬底上制备纳米结构层，图案化光刻后形成阵列结构；
在阵列结构上沉积金属掩膜层后剥离图形区域外的金属掩膜铝；
以铝为掩膜刻蚀纳米结构层，形成所述纳米结构阵列。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种色散仪，包括光源、光探测器、分束器、摄像机、光谱仪以及显示器，其特征在于，还包括如上所述的纳米结构阵列或如上所述制备方法得到的纳米结构阵列。
基于上述技术方案可知，本发明的纳米结构阵列及其制备方法和含其的色散仪相对于现有技术至少具有以下优势之一：
(1)本发明的色散仪及其制备方法，通过电子束光刻和电子束蒸发沉积方法形成圆柱周期阵列，精度高；与传统的半导体工艺兼容，易于集成；
(2)采用圆柱纳米阵列结构激发米氏共振，根据折射率的变化，同时可以观察样品变化带来的结构色的变化，易于观察，且绿色环保；
(3)本发明色散仪中，不同阵列周期或者不同尺寸圆柱结构的反射谱特性不同，研究人员可以根据需要制作不同的圆柱结构，满足不同波长情况下的测量以及不同颜色的色散；
(4)采用圆柱形周期纳米阵列激发米氏共振产生的结构色，绿色环保，分辨率高，可通过显微镜和照相机初步观察到图像的色彩变化；
(5)本发明色散仪采用周期纳米结构，体积小，易于携带，样品折射率变化导致色散仪结构色发生变化。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，各个部件的尺寸可以任意地增加或减少。
图1为本发明实施例色散仪中圆柱纳米结构阵列的剖面图；
图2为本发明实施例色散仪中圆柱纳米结构阵列的俯视图；
图3为本发明实施例基于介质纳米结构的色散仪的示意图；
图4为本发明实施例形成圆柱纳米结构阵列的流程图；
图5至图9为与图4制备圆柱纳米结构阵列的流程图相对应的结构示意图。
具体实施方式
以下公开内容提供了多种不同实施例或实例，以实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...下面”、“下部”、“在...上面”、“上部”等空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中示出的的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。
本发明公开了一种用于色散仪的纳米结构阵列，包括：
衬底，起支撑作用；
设置在衬底上的若干纳米结构，若干纳米结构形成阵列，用于接收入射光并根据入射光频率不同将复色光分解成单色光；以及
金属掩膜层，其覆盖在所述圆柱纳米结构的顶部，用于提高反射率。
在本发明的一些实施例中，所述纳米结构的形状包括圆柱形、立方体型、十字型中的任一种。
在本发明的一些实施例中，所述纳米结构阵列呈周期排列，相邻的所述纳米结构在x和y方向的排列周期p均介于200纳米至440纳米之间。
在本发明的一些实施例中，所述纳米结构的高度介于240纳米至520纳米之间。
在本发明的一些实施例中，所述纳米结构的直径介于100纳米至220纳米之间，且直径与周期的比值在0.45到0.6之间。
在本发明的一些实施例中，所述金属掩膜层的厚度在30纳米到50纳米之间。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括石英、二氧化硅或硅。
在本发明的一些实施例中，所述纳米结构阵列采用的材料包括二氧化钛、氧化铝或硅；
在本发明的一些实施例中，所述金属掩膜层采用的材料包括铝或铬。
本发明还公开了一种纳米结构阵列的制备方法，制备如上所述的纳米结构阵列，包括：
在衬底上制备纳米结构层，图案化光刻后形成阵列结构；
在阵列结构上沉积金属掩膜层后剥离图形区域外的金属掩膜铝；
以铝为掩膜刻蚀纳米结构层，形成所述纳米结构阵列。
本发明还公开了一种色散仪，包括光源、光探测器、分束器、摄像机、光谱仪以及显示器，其特征在于，还包括如上所述的纳米结构阵列或如上所述制备方法得到的纳米结构阵列；
在本发明的一些实施例中，所述光源设置在该色散仪的上方。
在本发明的一个示例性实施例中，一种色散仪的纳米结构阵列，包括：衬底；形成在所述衬底上的薄膜结构，所述薄膜结构为圆柱纳米结构；形成在所述圆柱纳米结构上覆盖的一层金属掩膜铝；以及所述圆柱纳米结构形成的圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光并将复色光分解为单色光而形成光谱。由介电材料石英衬底以及二氧化钛圆柱纳米结构阵列中的米氏共振引起的结构色将光波分解成频谱，通过覆盖一层金属掩膜铝增强反射，提高反射率。
其中，所述圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻所述圆柱纳米结构在x和y方向的排列周期p均介于200纳米至440纳米之间。
其中，形成的所述圆柱纳米结构的高度H1介于240纳米至520纳米之间，圆柱上面覆盖的金属掩膜铝的厚度H2为固定值50纳米，直径d介于100纳米至220纳米之间，且直径d与周期p的比值为固定值0.5。
其中，所述薄膜结构的材料为二氧化钛。
上述用于色散仪的纳米结构阵列的制备方法，包括：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上形成薄膜结构，薄膜结构为二氧化钛圆柱纳米结构，并在其上覆盖一层金属掩膜铝；
(3)圆柱纳米结构形成圆柱纳米结构阵列，用于检测其反射率及颜色变化，由圆柱纳米结构阵列中的米氏共振引起的折射率变化以及结构色来进行色散。
本发明还公开了一种基于介质纳米结构的色散仪，包括上述所述的纳米结构阵列，还包括：位于所述显示技术的圆柱纳米结构阵列上的光源、光探测器、分束器、摄像机、光谱仪以及显示器。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本实施例的纳米结构阵列如图1所示，该纳米结构包括石英衬底1及上面的二氧化钛圆柱纳米结构2，在圆柱纳米结构上覆盖的一层金属掩膜铝3。
图2为本实施例色散仪中圆柱纳米结构阵列的俯视图。如图2所示，圆柱纳米结构呈周期排列形成圆形柱纳米结构阵列，形成的相邻所述圆柱纳米结构阵列在x和y方向的周期p均介于200纳米至440纳米之间。对于圆柱纳米结构的高度H1介于240纳米至520纳米之间，圆柱上面覆盖的金属掩膜铝的厚度H2为固定值50纳米，直径d介于100纳米至220纳米之间，且直径d与周期p的比值为固定值0.5。
图3为本实施例基于介质纳米结构的色散仪的示意图。如图3所示，由光源4发出的探测光经过半反半透膜5后垂直入射到圆柱纳米结构阵列上。圆柱纳米结构阵列呈四方格子周期分布，探测光垂直入射到圆柱纳米结构阵列上，这时在某些波长会产生米氏共振，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜5，再经过半反半透膜6，一半反射光由摄像机8接收，一半反射光由光探测器7接收，最后图像呈现在显示屏9上。
以下对本发明米氏共振色散仪的原理及特性进行说明。为方便起见，以下说明中，圆柱纳米结构阵列采用的材料为二氧化钛，其折射率为2.76。
图4为本发明实施例形成圆柱纳米结构阵列的方法流程图，该方法包括以下步骤：
如图5所示，步骤S1，在石英衬底1上磁控溅射生长一层二氧化钛薄膜2并在二氧化钛薄膜上涂上一层150nm厚电子束敏感树脂PMMA胶；
如图6所示，步骤S2，采用电子束光刻法在PMMA胶上图案化，曝光显影；具体操作包括：通过电子束曝光，电子束电压100Kv，电流200pA，电子剂量1000μC/cm2；在电子束光刻胶上曝光圆形孔阵列，圆形孔的直径约190nm，周期280nm。
如图7所示，步骤S3，采用电子束蒸发方法沉积50nm厚金属掩膜铝层3；
如图8所示，步骤S4，采用湿法去胶方法，剥离图形区域外的金属掩膜铝；使用的溶液依次是丙酮、无水乙醇、去离子水，然后用N2吹干；
如图9所示，步骤S5，采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀方法以铝为掩膜刻蚀二氧化钛，形成圆柱纳米结构阵列。刻蚀使用的工艺气体是28sccm氩气，80sccm溴化氢，工作气压800Pa，功率300W，刻蚀90s。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于色散仪的纳米结构阵列，包括：
衬底，起支撑作用；
设置在衬底上的若干纳米结构，若干纳米结构形成阵列，用于接收入射光并根据入射光频率不同将复色光分解成单色光；以及
金属掩膜层，其覆盖在所述圆柱纳米结构的顶部，用于提高反射率。
2.根据权利要求1所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述纳米结构的形状包括圆柱形、立方体型、十字型中的任一种。
3.根据权利要求1所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述纳米结构阵列呈周期排列，相邻的所述纳米结构在x和y方向的排列周期p均介于200纳米至440纳米之间。
4.根据权利要求1所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述纳米结构的高度介于240纳米至520纳米之间。
5.根据权利要求2所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述纳米结构的直径介于100纳米至220纳米之间，且直径与周期的比值在0.45到0.6之间。
6.根据权利要求1所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述金属掩膜层的厚度在30纳米到50纳米之间。
7.根据权利要求1所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括石英、二氧化硅或硅。
8.根据权利要求1所述的纳米结构阵列，其特征在于，
所述纳米结构阵列采用的材料包括二氧化钛、氧化铝或硅；
所述金属掩膜层采用的材料包括铝或铬。
9.一种纳米结构阵列的制备方法，制备如权利要求1至8任一项所述的纳米结构阵列，包括：
在衬底上制备纳米结构层，图案化光刻后形成阵列结构；
在阵列结构上沉积金属掩膜层后剥离图形区域外的金属掩膜铝；
以铝为掩膜刻蚀纳米结构层，形成所述纳米结构阵列。
10.一种色散仪，包括光源、光探测器、分束器、摄像机、光谱仪以及显示器，其特征在于，还包括如权利1至8任一项所述的纳米结构阵列或如权利要求9所述制备方法得到的纳米结构阵列；
其中，所述光源设置在该色散仪的上方。
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