一种光超吸收材料表面的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光超吸收材料表面的制备方法，属于微纳加工技术领域。

背景技术

随着现今微纳加工技术的迅猛发展，其对于超材料的发展提供了技术支撑。超材料，即通过人工制造的一种自然中没有的材料，表现出独特的电磁特性，包括负折射率、电磁波掩蔽、逆多普勒效应、激光、不对称光传输和人工磁性。其中光超吸收材料得到广泛的研究。光超吸收材料，即光照射在材料上，并无透射且没有块状耀斑，光进入材料后有较少的反射光，以提高材料的消光性能和持久性。光超吸收材料表面在军事、光电探测、生物医疗、折射率传感器、太阳能吸收、隐身技术等领域有巨大应用潜力。传统的光吸收材料通过在其表面镀单层或多层薄膜，但单层膜只能作用于特定波长，多层膜之间会存在失匹配以及机械稳定性问题，导致吸收材料无法广泛应用于各种光学器件上。

随着超材料的实现，一种新型吸光材料受到广泛关注，即超吸收材料。超吸收材料表面是一种新型吸光方法，受到蛾眼结构的启发，在可见光范围内使结构周期小于波长，近红外波段范围内高度大于波长的一半，从而实现超吸收性能。但目前大部分超吸收表面的制备方法复杂、形状怪异、耗时长且难以大面积制备。

参见文献《Applied Physics Letters》，作者Azar发表了一篇“Bull’s eyegrating integrated with optical nanoantennas for plasmonic enhancement ofgraphene long-wave infrared photodetectors”该方法设计了一种金属牛眼光栅，引入了光学纳米天线，但该吸收电磁波制备方法复杂、形状怪异、耗时长且难以大面积制备。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在制备方法复杂、形状怪异、耗时长且难以大面积制备的问题。提供了一种光超吸收材料表面的制备方法，它高效、可大规模生产。

本发明解决技术问题的技术方案是：

一种光超吸收材料表面的制备方法，其特征是，该方法基于模板制造技术以及高温退火形成贵金属小球以及带有可模压材料的纳米压印转移同性化学腐蚀形成的超高深宽比的锥形结构，具体步骤如下：

步骤1，预处理，在单晶硅基底表面涂覆抗反射层和光刻胶：将涂覆抗反射层和光刻胶后的单晶硅基底通过泰伯位移光刻机进行曝光，形成周期点阵凹槽结构；

步骤2，镀膜，在单晶硅基底上沉积贵金属层：将步骤1得到的基片沉积一层贵金属层，同时利用lift-off工艺去除光刻胶，留下贵金属膜层点阵；

步骤3，贵金属层转化为贵金属小球：利用高温退火工艺将步骤2中得到的沉积贵金属层的基片在其表面析出贵金属小球；

步骤4，单晶硅基底上形成深孔阵列：将步骤3得到的表面为贵金属小球的基片放入氢氟酸和双氧水的混合液中，进行贵金属各向异性诱导刻蚀形成深孔阵列；

步骤5，单晶硅基底上形成锥形结构：利用同性化学腐蚀，将步骤4得到的带深孔阵列的基片放入腐蚀液中进行各向同性刻蚀，在深孔的基础上形成锥孔阵列；

步骤6，图形转移：将可模压材料放入纳米压印设备中，将步骤5中得到锥形阵列通过纳米压印转移到模压材料上，形成最终形态。

所述步骤5中同性化学腐蚀采用的腐蚀液浓度为HF(49％):HNO

一种光超吸收材料表面的制备方法制作出的一种光超吸收材料表面，其特征在于，在单晶硅基底上基于模板制造技术以及高温退火形成贵金属小球以及带有可模压材料的纳米压印转移同性化学腐蚀形成的超高深宽比的锥形结构。

所述纳米锥为锥形结构，其结构参数为：锥形底面中心之间的距离为100nm-1μm，高度为400nm-5000nm，深宽比约为3-10。

所述可模压材料为碳纳米球和树脂材料混合物，或为黑色硅橡胶材料。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明方法中高温退火工艺和贵金属诱导刻蚀形成的锥形结构具有超高深宽比，可在可见光到红外波段实现抗反射、超吸收性能。

(2)该方法中所述各向同性刻蚀形成结构为锥形结构，可实现渐变折射率。

(3)该方法使用泰伯位移光刻形成的结构周期可控，使得最终形成的结构抗反射性能好，单元阵列结构的周期控制在亚波长范围内。

(4)该方法使用纳米压印技术能够实现大面积连续型生产，降低器件的制作成本，可以进行大规模制备。

(5)本发明可以应用于红外成像、热发射器、电磁屏蔽、光电探测、光电信号检测等领域。本发明具有超吸收性能、消光性好、耐久性好、适应性好、高生产率等优势，能够实现超吸收材料表面的大规模生产，使超吸收表面广泛应用于各种光学器件中。

附图说明

图1是本发明一种光超吸收材料表面制备方法流程示意图。

图2是本发明涂覆抗反射涂层和光刻胶后的样品示意图。

图3是本发明使用泰伯位移光刻曝光后的样品示意图。

图4是本发明利用高温退火工艺析出贵金属小球的样品示意图。

图5是本发明沉积贵金属层后的样品示意图。

图6是本发明利用贵金属诱导刻蚀后的样品示意图。

图7是本发明利用同性化学腐蚀后的样品示意图。

图8是本发明基于纳米技术得到的最终形态后的样品示意图。

图中，各标号为：1为光刻胶；2为抗反射涂层，3为单晶硅基底(单面抛光硅片)；4为周期点阵凹槽结构；5为贵金属层；6为贵金属小球；7为深孔阵列；8为锥形阵列；9为可模压材料。

具体实施方式

以下实施方案将结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，一种光超吸收材料表面的制备方法，该方法是基于模板制造技术以及高温退火工艺形成贵金属小球以及带有可模压材料的纳米压印转移同性化学腐蚀形成的高深宽比的锥形结构，步骤如下：

步骤1，预处理，在单晶硅基底3表面涂覆抗反射涂层2和光刻胶1：将涂覆抗反射涂层2和光刻胶1后的单晶硅基底3通过泰伯位移光刻机进行曝光，形成周期点阵凹槽结构4；

步骤2，镀膜，在单晶硅基底3上沉积贵金属层5：将步骤1得到的带有周期点阵凹槽结构4的基片沉积一层贵金属层5，同时利用lift-off工艺去除光刻胶1，留下贵金属膜层点阵；

步骤3，贵金属层5转化为贵金属小球6：利用高温退火工艺将步骤2中得到的沉积贵金属层5的基片在其表面析出贵金属小球6；

步骤4，单晶硅基底3上形成深孔阵列7：将步骤3得到的表面为贵金属小球6的基片放入氢氟酸和双氧水的混合液中，进行贵金属各向异性诱导刻蚀形成深孔阵列7；

步骤5，单晶硅基底3上形成锥形阵列8：利用同性化学腐蚀，将步骤4得到的带深孔阵列7的基片放入腐蚀液中进行各向同性刻蚀，在深孔阵列7的基础上形成锥孔阵列8；

步骤6，图形转移：将可模压材料9放入纳米压印设备中，将步骤5中得到锥形阵列8通过纳米压印转移到可模压材料9上，形成最终形态。

所述贵金属可以为银、金或铜。

所述可模压材料为粒径为20nm碳纳米球与硅橡胶薄膜混合而成的材料。

所述的纳米锥结构为圆锥结构，其结构参数为：锥形底面中心之间的距离为100nm-1000nm，高度为300-5000nm，深宽比为3-10。

所述高温退火形成贵金属小球的直径为40nm-150nm。

所述步骤5中同性化学腐蚀采用的腐蚀液浓度为HF(49％):HNO

一种光超吸收材料表面的制备方法制作出的一种光超吸收材料表面，即在单晶硅基底上基于模板制造技术以及高温退火形成贵金属小球以及带有可模压材料的纳米压印转移同性化学腐蚀形成的超高深宽比的锥形结构。

实施例：

一种光超吸收材料表面的制备方法，具体步骤如下：

(1)预处理，在单晶硅基底3表面涂覆抗反射层2和光刻胶1。

①选择单面抛光的硅片作为基片，将单晶硅基底3分别放入丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声10min，氮气吹干备用。

②涂覆抗反射涂层2和光刻胶1，如图2。前烘，使用掩模板的周期为300nm的圆形点阵光栅，通过泰伯位移光刻进行曝光，后烘，显影后得到周期为300nm的周期点阵列凹槽结构4，如图3。

(2)镀膜，在单晶硅基底3上沉积银金属层5。

①将步骤(1)得到的具有周期点阵凹槽结构4的基片放入镀膜机中，在其表面沉积一层银金属层5，银金属层5厚度为10nm，使步骤(1)得到的裸露在空气中的单晶硅表面3与银金属层5接触，如图4。

(3)银金属层5转化为银金属小球6。

①将步骤(2)得到的基片通过高温退火，退火温度为：400-420℃，形成银金属小球6直径为40nm-80nm，如图5。

(4)单晶硅基底3上形成深孔阵列7。

①将步骤(3)中得到的基片放入氢氟酸和双氧水的混合液中，利用金属诱导刻蚀，控制混合液浓度和刻蚀时间，使其形成深孔阵列7，如图6。

(5)单晶硅基底3上形成锥形结构8。

①将步骤(4)中得到的基片放入浓度比为HF(49％):HNO

(6)图形转移。

将可模压材料9放入纳米压印设备中，通过纳米压印技术将步骤(5)得到的锥形结构8的转移到可模压材料9上，形成最终形态，如图8。