一种多级纳米结构及其制备方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，尤其涉及一种多级纳米结构及其制备方法。

背景技术

非分光红外(NDIR)气体探测系统通过极性气体分子在红外波段的特殊吸收峰，基于比尔朗伯定律，通过信号强度反馈所探测气体的浓度。整个探测系统由红外光源、气室、探测器与信号处理电路组成，其中红外光源的辐射能量密度很大程度决定最终探测信号的质量。基于微纳加工的MEMS热辐射红外光源通过晶圆级的大面积制备具有较低的成本；基于普朗克黑体热辐射原的热辐射红外光源使其在极性气体分子吸收峰密集的中红外波段拥有较高的能量密度，所以具有MEMS工艺兼容且具有较高辐射率的辐射材料对于光源具有重大意义。

黑硅是硅基薄膜经过反应离子刻蚀之后，在薄膜表面形成的因不均匀刻蚀而产生的非周期性纳米柱状结构，最初其并非反应离子刻蚀所希望获得的形貌，但因为其独特的陷光效应，实现了可见光-近红外90％以上的高吸收率，并且其制备工艺与半导体的微纳加工工艺兼容，因此实现了黑硅在多种吸波器件上的应用。CN 109950336 A在氟化氢气体气氛中通过飞秒激光刻蚀制得了黑硅，但是其较高的工作气压与激光设备增加了设备对黑硅制备的限制；CN 104022190A使用飞秒激光刻蚀通过对黑硅进行掺杂，增加载流子浓度，增加中红外波段的红外辐射强度，但掺杂原子在高温下易产生团聚，限制了其在高温环境下的应用。上述黑硅均在1-5μm波段实现了90％以上的吸收，但是由于硅本身禁带宽度的印象，在大于1.1μm波长的波段存在较高的透射，无法形成较高的吸收。

因此，亟待提出一种通过在黑硅表面修饰纳米金属的方法，提升黑硅在中红外波段的红外吸收能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种多级纳米结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)在氧化硅表面通过纳米PS小球自组装形成密排单层膜(采用紧密排列的堆积方式)，氧化硅置于硅衬底上；

2)使用氧等离子体处理PS小球表面，缩小PS小球直径；

3)以步骤2)得到缩小直径后的PS小球为掩膜，使用刻蚀气体去除氧化硅表面层；

4)使用复合刻蚀气体刻蚀硅衬底得到竖直硅柱；

5)使用有机溶剂去除PS小球；

6)通过磁控溅射设备，在所得纳米结构上溅射贵金属纳米结构。

在一些优选地实施方案中，所述步骤1)中使用自组装设备在热氧化硅片上组装单层PS小球膜，氧化硅片置于硅衬底上，所使用的自组装设备由本实验室自行搭建。

在一些优选地实施方案中，所述步骤2)中使用氧等离子处理PS球，控制其大小。

在一些优选地实施方案中，所述步骤2)中使用氧等离子处理的工艺气体为O

在一些优选地实施方案中，所述步骤3)中的刻蚀过程为干法刻蚀。

在一些更优选地实施方案中，所述步骤3)干法刻蚀的条件为：刻蚀气体为CF

在一些优选地实施方案中，所述步骤4)中刻蚀过程为干法刻蚀。

在一些优选地实施方案中，所述步骤4)复合刻蚀气体为SF

在一些更优选地实施方案中，所述步骤4)刻蚀的气体流量比为6:1～3:1、工作气压为1～3Pa、刻蚀功率为250～400W、刻蚀时间为240～480s。

在一些优选地实施方案中，所述步骤6)中磁控溅射的条件为：所使用的靶材包括贵金属靶材，选自以下中的一种或几种：金靶、银靶、铂靶。

在一些优选地实施方案中，所述步骤6)中磁控溅射的压强为2～3Pa、溅射功率为15～25W、氩气流量为50～70sccm、溅射时间为20～40s。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用贵金属在纳米硅柱表面修饰二级纳米结构，可实现晶圆级大面积制备，克服了传统单一硅基纳米结构在1.1μm～5μm红外波段的低吸收问题，可达到更高的红外吸收效果。

2、使用磁控溅射工艺，通过对溅射压强、溅射功率、溅射时间的工艺参数调控制备出不同间距、大小的纳米贵金属颗粒。

3、本发明提供了一种能实现大面积制备的、重复性好的、具有高红外吸收能力的多级纳米结构制备方法。

附图说明

图1～5为本发明一级纳米结构制备流程图，

图1为热氧化硅片完成单层PS小球自组装示意图，

图2为氧等离子体缩球示意图，

图3为氧化硅层刻蚀示意图，

图4为纳米硅柱刻蚀示意图；

图5为本发明一级纳米结构示意图；

其中，1-硅衬底，2-氧化硅，3-PS小球，4-二级纳米结构材料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细介绍，下面描述的实施例仅为本发明的优选实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的技术方案，都属于本发明保护的范围。

参见图1-5，本发明为一种多级纳米结构制备方法，包括以下步骤：(1)使用自组装设备在热氧化硅片上组装单层PS小球(聚苯乙烯小球)，氧化硅的温度控制在室温至60℃，氧化硅片置于硅衬底上，所使用的自组装设备由本实验室自行搭建。(2)使用氧等离子处理PS球，控制其大小，工艺气体为O

实施例1

(1)使用本实验室自行搭建的自组装设备，在液-气界面将PS小球制成单层连续薄膜，在热氧化硅2片上实现单层PS小球3组装，氧化硅片置于硅衬底1上；。

(2)使用氧等离子处理PS球，控制其大小，工艺气体为O

(3)使用反应离子刻蚀，刻蚀条件为：刻蚀气体为CF

(4)使用反应离子刻蚀，刻蚀条件为：刻蚀气体为SF

(5)通过磁控溅射修饰贵金属，即二级纳米结构材料4，磁控溅射的条件为：所使用的靶材为银靶，溅射的压强为2.5Pa、溅射功率为20W、氩气流量为60sccm、溅射时间为30s。

制备得到的多级纳米结构在5μm以上均有良好的红外吸收效果。

实施例2

(1)使用本实验室自行搭建的自组装设备，在液-气界面将PS小球制成单层连续薄膜，在热氧化硅片上实现单层PS小球组装，氧化硅片置于硅衬底上。

(2)使用氧等离子处理PS球，控制其大小，工艺气体为O

(3)使用反应离子刻蚀，刻蚀条件为：刻蚀气体为CF

(4)使用反应离子刻蚀，刻蚀条件为：刻蚀气体为SF

(5)通过磁控溅射修饰贵金属，磁控溅射的条件为：所使用的靶材为银靶，溅射的压强为3Pa、溅射功率为25W、氩气流量为70sccm、溅射时间为20s。

制备得到的多级纳米结构在5μm以上均有良好的红外吸收效果。

实施例3

(1)使用本实验室自行搭建的自组装设备，在液-气界面将PS小球制成单层连续薄膜，在热氧化硅片上实现单层PS小球组装，氧化硅片置于硅衬底上。

(2)使用氧等离子处理PS球，控制其大小，工艺气体为O

(3)使用反应离子刻蚀，刻蚀条件为：刻蚀气体为CF

(4)使用反应离子刻蚀，刻蚀条件为：刻蚀气体为SF

(5)通过磁控溅射修饰贵金属，磁控溅射的条件为：所使用的靶材为银靶，溅射的压强为3Pa、溅射功率为15W、氩气流量为50sccm、溅射时间为40s。

制备得到的多级纳米结构在5μm以上均有良好的红外吸收效果。