周期可调制纳米光栅的制备与研究

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纳米压印技术是一种低成本、高产出、有广阔的应用前景的下一代纳米图案制备技术。纳米压印技术按照固化方式不同可以分为:热纳米压印技术和紫外光纳米压印技术。由于热纳米压印技术在制备图案的过程中使用了高温和高压,模板和衬底的热膨胀系数不同,易造成图形失真。紫外光纳米压印技术是在室温和低压下利用模板进行图案转移,可以在大面积衬底上制备分辨率高的结构。因此紫外光纳米压印技术的应用更为广泛。  本论文利用刚性薄膜和弹性衬底的双层体系形成周期可控的褶皱结构。对褶皱的形成、周期的影响因素、以及开裂行为进行了系统的研究,并以制成复合纳米压印模板,实现了褶皱图形的复制与转移。采用双层纳米压印技术结合反应离子刻蚀、电子束蒸发镀膜和举离等工艺,在聚二甲基硅氧烷弹性衬底上制备了周期可调的金属光栅结构。主要结论归纳如下:  利用硬质的紫外光固化胶/柔性的聚二甲基硅氧烷双层材料体系形成可控褶皱。在单向拉伸的聚二甲基硅氧烷表面,紫外光固化胶曝光固化形成薄膜,应力释放后,形成与拉伸方向垂直的正弦褶皱。控制紫外光固化胶的厚度和衬底的拉伸比,得到不同周期的准正弦结构褶皱。通过对褶皱的形貌进行分析,可以看出硬质层的厚度越厚,衬底的预拉伸比越小,形成的褶皱的越密集,周期越小。  由于聚二甲基硅氧烷吸附溶液能力强,吸收紫外光固化胶形成梯度渐变界面对裂纹的出现有影响。通过对双层突变结构和双层渐变结构的分析发现梯度渐变结构有利于减少裂纹。实验得出裂纹的产生与硬质层的厚度和衬底的拉伸比有关,硬质层厚度越厚、拉伸比越大越容易形成裂纹。  基于可控褶皱的形成,我们制备了纳米压印复合模板并实现图形的转移。首先对褶皱表面进行处理,得到准正弦结构的复合模板;然后通过紫外光压印技术转移图案;最后利用等离子体刻蚀、电子束蒸镀、举离等工艺制备金属光栅。实验表明,利用紫外光固化胶作为硬质层而产生的似正弦形的褶皱可以制成压印模板,通过后续的工艺流程实现不同占空比的金属光栅图案的转移。  采用双层纳米压印技术,结合反应离子刻蚀、电子束蒸发镀膜等工艺,实现图形从硬质硅片到柔性聚二甲基硅氧烷表面的转移,在高分子弹性衬底上得到周期可调的金属结构。以聚乙烯醇为牺牲层,调节刻蚀参数,制备了聚乙烯醇图案,真空蒸镀金属后,覆盖聚二甲基硅氧烷形成聚二甲基硅氧烷/金属/聚乙烯醇/硅衬底的多层结构,水浴溶解聚乙烯醇后,金属线被转移至聚二甲基硅氧烷弹性衬底上,形成周期可调的金属光栅结构。光学测试表明,通过调节聚二甲基硅氧烷衬底的拉伸在0-20%之间,可以有效地调制金属光栅的周期。
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