金属-聚合物微纳米器件的激光直写技术研究

论文摘要

具有金属性的微纳米结构器件在现代光学中扮演着重要角色,基于表面等离子激元效应的一系列功能性微纳器件近年来吸引了大量的研究并逐渐获得应用。如何进行高效的金属/介质复合微纳结构制备是其中的关键问题之一。目前大量应用的微纳制造技术如电子束曝光、离子束刻蚀、真空镀膜、气相外延等制作过程需要多道工序配合,制备步骤复杂,容错率低,特别是在制备金属性微纳结构时面临更大挑战。激光直写技术作为近年来热门的微纳制造技术,具有高精度、高自由度的特点,如何将其应用于金属性微纳器件制备并简化实验工艺成为一个新的研究方向。针对上述背景,本文实验探索和验证了 一种基于双光子吸收的金属-聚合物一步制备技术。通过近红外飞秒激光的双光子效应,同时完成金离子的还原与树脂的聚合,成功制备了含金的微纳米光栅结构。论文的具体内容和结果如下:（1）介绍了金属性微纳米结构器件制备工艺的研究背景和国内外研究现状,分析了传统微纳加工手段在金属性微纳结构器件制备中的难点。重点介绍了双光子激光直写技术以及金属-聚合物激光直写加工工艺,并给出了用于微纳结构设计的理论依据及模拟计算方法。（2）进行了基于双光子吸收的金属-聚合物微纳米器件的激光直写实验探索研究。详细研究了金属盐、树脂与溶剂混合物在近红外飞秒激光的双光子效应下还原与聚合反应的实验条件及影响因素。具体包括:根据反应原料的特点分别选取金属盐、树脂与溶剂为HAuCl4、IP-L 780及乙醇并配置了金属离子-光刻胶树脂的混合溶液,详细阐述了原料配置过程;实验研究了金盐浓度占比对工艺的影响并分别尝试了将罗丹明B与DETC两种物质作为额外添加光致引发剂的优化实验,并最终选择将罗丹明B加入配方,获得了优化的混合液配方比例;实验研究了激光功率对还原与聚合反应的影响。发现了配方优化的混合液与纯光刻胶树脂的聚合阈值分别为45mW与33mW,并观察到了聚合阈值提高带来的线宽变细现象。最后,根据溶液局部经常发生的灼烧现象,提出了低功率重复曝光方法来减少灼烧发生。（3）对金属-聚合物激光直写技术的应用进行了理论探究。基于时域有限差分算法设计与优化了两种含金的功能性器件:一种工作在3-5 μm波段的含金线偏振器,其在金颗粒体积分数20%、周期600nm、高度600nm、占空比0.5时,具有大于68%的TM光透过率及大于26dB的消光比,且金颗粒体积分数越大、金粒尺寸越小,器件的性能更优;一种工作在700nm波长的非完美1/4波片,其在线偏振入射方位角45°,金颗粒体积分数10%、周期280nm、高度1 μm、占空比0.5时,可实现振幅不完全相等,但位相差为π/2的1/4波片功能。（4）为了验证该制备技术具有制作功能性含金器件的能力,且综合考虑器件性能及测试条件,我们实际制备了具有相位调控能力的周期600nm,线宽250nm,高度280nm的含金的光栅样品。实验结果表明器件在1510nm,1530nm,1550nm,1570nm的4个波长处的位相调控值与理论很好地吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本论文的主要内容与章节安排
• 第二章 基本原理及计算方法
•   2.1 表面等离子激元
•   2.2 时域有限差分算法（FDTD）
•   2.3 双光子吸收（TPA）
•   2.4 本章小结
• 第三章 金属-聚合物激光直写技术研究
•   3.1 实验装置及双光子还原聚合反应原理
•   3.2 实验材料的选取与制备
•   3.3 实验工艺的初步探究
•   3.4 低功率重复曝光法
•   3.5 本章小结
• 第四章 金属-聚合物直写技术的应用探索
•   4.1 含金器件的基底材料选择
•   4.2 红外波段（3-5μm）含金亚波长线偏振器
•   4.3 含金亚波长线偏振器参数优化
•   4.4 透射型含金1/4波片
•   4.5 透射型含金1/4波片的参数优化
•   4.6 含金功能性器件的制备与测试
•   4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人公开发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭俊杰

导师: 王钦华（Wang Chinhua）

关键词: 双光子吸收,聚合和还原,纳米结构,偏振,波片

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 苏州大学

分类号: TB383.1;TN24

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001669

总页数: 78

文件大小: 7221K

下载量: 44