李秋琦 孫亞東 陳旗湘 劉旭靜 余森江 中國計(jì)量學(xué)院應(yīng)用物理系

納米光柵制作技術(shù)的最新進(jìn)展

李秋琦 孫亞東 陳旗湘 劉旭靜 余森江 中國計(jì)量學(xué)院應(yīng)用物理系

隨著信息化社會(huì)的高速發(fā)展，現(xiàn)代光柵逐漸應(yīng)用于信息處理及量子光學(xué)等領(lǐng)域，所以納米光柵的制作變得十分重要。作者首先簡(jiǎn)要介紹了納米光柵制作的幾種傳統(tǒng)方法，包括機(jī)械刻劃、全息光刻、飛秒激光直寫等。傳統(tǒng)方法均存在成本高、工期長(zhǎng)、條件苛刻、制作過程復(fù)雜且難以控制等缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，作者綜述了最新發(fā)展起來的基于薄膜應(yīng)力自組裝制作納米光柵的方法，并對(duì)該方法的實(shí)驗(yàn)原理、物理機(jī)制和適用范圍進(jìn)行了深入討論。

薄膜；應(yīng)力；自組裝；納米光柵；PDMS

1 引言

光柵是一種精密光學(xué)儀器的核心器件，通常，由大量等寬等間距的平行狹縫組成。最初，光柵被用來實(shí)現(xiàn)復(fù)色光的空間分離，發(fā)展至今已有兩百多年的歷史。21世紀(jì)以來，光柵的作用不再局限于光譜學(xué)領(lǐng)域，天文學(xué)、量子光學(xué)、集成光學(xué)、光通訊等諸多領(lǐng)域都需要光柵的參與。本文首先簡(jiǎn)要介紹了納米光柵制作的傳統(tǒng)方法，然后討論基于薄膜應(yīng)力自組裝制作納米光柵的方法，期望引起國內(nèi)科技工作者的關(guān)注，并得到進(jìn)一步的研究與推廣。

2 納米光柵的傳統(tǒng)制備方法

2.1 機(jī)械刻劃

機(jī)械刻劃是用來制作母光柵的傳統(tǒng)加工方法，即使用符合精度要求的金剛石刻刀刻劃金屬膜。利用刻劃原理制備納米光柵，可以在掃描探針納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用原子力顯微鏡硅制探針在接觸模式下對(duì)材料進(jìn)行刻劃［1］。使用刻劃法制作納米光柵需要高精度的設(shè)備和環(huán)境，尤其需要穩(wěn)定的供電，以及對(duì)室內(nèi)溫度、濕度的精確控制。

2.2 全息光刻

全息光刻制備納米光柵：首先將處理好的光學(xué)玻璃或熔石英等基底涂上一定厚度的光刻膠，烘干后放入干涉光學(xué)系統(tǒng)，通過兩束準(zhǔn)直激光干涉曝光并記錄下干涉條紋，最后放入顯影液中顯影就可以獲得圖形。

2.3 飛秒激光直寫

飛秒激光直寫加工是將飛秒激光聚焦到透明材料的內(nèi)部，與電子相互作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)，誘發(fā)材料局部光學(xué)性質(zhì)改變，通過控制激光與材料樣品的相對(duì)移動(dòng)得到不同量級(jí)的結(jié)構(gòu)。采用飛秒光源經(jīng)過顯微鏡聚焦后逐點(diǎn)刻寫光柵，可以通過精密移動(dòng)平臺(tái)的傳動(dòng)速度來調(diào)節(jié)光柵周期，具有較高的靈活性。但是飛秒激光直接制備光柵需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)將激光精確地聚集到一點(diǎn)，得到精確的光柵周期對(duì)控制平臺(tái)移動(dòng)的步電進(jìn)機(jī)和傳動(dòng)裝置也有很高的精度要求。此外，因?yàn)榫劢沟狞c(diǎn)有一定的面積，所以在制作周期較小的光柵時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)相鄰兩個(gè)折射率區(qū)域重疊的情況，影響成柵的質(zhì)量。

3 薄膜應(yīng)力自組裝制作納米光柵

我們利用彈性基底上硬質(zhì)薄膜在應(yīng)力作用下的自組裝特性，即自發(fā)產(chǎn)生周期分布的表面褶皺來制備納米級(jí)光柵：在預(yù)拉伸的PDMS基底上利用磁控濺射技術(shù)沉積金屬薄膜，薄膜沉積后釋放預(yù)應(yīng)變就會(huì)得到垂直預(yù)應(yīng)力方向的周期性表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)即為一維納米光柵。光柵的周期，即光柵常數(shù)由薄膜厚度和基底的彈性模量決定，并可通過外加應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，因而可以獲得光柵常數(shù)連續(xù)可調(diào)的納米光柵。

3.1 工藝流程

采用多功能磁控濺射設(shè)備在預(yù)拉伸的彈性PDMS基底上沉積金屬薄膜，研究薄膜厚度、PDMS的彈性模量、預(yù)應(yīng)變和外加應(yīng)力等因素對(duì)薄膜的表面形貌及光柵常數(shù)的影響。進(jìn)行的工藝流程如下：

（1）首先制備本實(shí)驗(yàn)所要使用的軟性基底材料，即PDMS薄膜（Dow Corning，Sylgard 184），將主劑與固化劑按10∶1的比例充分混合。等產(chǎn)生的氣泡完全排除后，使用澆注的方法倒入到已準(zhǔn)備好的容器中，利用烘干機(jī)將之完全固化。最后使用裁剪刀切割出我們需要的尺寸。

（2）將已經(jīng)切割好的PDMS柔性基底使用拉伸裝置施加一定的預(yù)應(yīng)變，準(zhǔn)備濺射鍍膜。

（3）將裝置放入多功能磁控濺射儀中沉積金屬（實(shí)驗(yàn)中主要鍍了銀、銅、鐵三種金屬）薄膜，改變多種實(shí)驗(yàn)參數(shù)（以薄膜的厚度為主）進(jìn)行成膜。

（4）采用光學(xué)顯微鏡觀察薄膜的表面結(jié)構(gòu)，特別是由于單軸應(yīng)力引起的周期分布的一維表面褶皺，研究表面褶皺在預(yù)應(yīng)變釋放過程中的形貌演化規(guī)律。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

以PDMS彈性材料為基底的光柵制備方法最大的特點(diǎn)在于光柵常數(shù)可以通過不同參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。根據(jù)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用光學(xué)顯微鏡觀察在施加了預(yù)應(yīng)力的PDMS基底上濺射沉積了不同金屬（以Ag、Cu、Fe三種金屬為例）薄膜的表面形貌，發(fā)現(xiàn)三種金屬薄膜都可以得到緊密排列的平行褶皺，完全可以用于制作光柵。因此，采用施加預(yù)應(yīng)變并控制薄膜厚度和PDMS彈性基底的楊氏模量的方法制作光柵，對(duì)環(huán)境條件沒有過于苛刻的要求，濺射鍍膜和褶皺成形需要的時(shí)間都較短，而且可以大面積制備。

4 結(jié)論

本文在介紹了納米光柵發(fā)展歷史和制備方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的基于PDMS彈性基底的可調(diào)納米光柵的制備方法，所得的結(jié)論主要如下：

（1）制備納米光柵的傳統(tǒng)方法多種多樣，各有優(yōu)劣，但是都需要高精度的設(shè)備對(duì)縫線進(jìn)行準(zhǔn)確刻劃，再進(jìn)行操作；

（2）本文提出的基于PDMS基底的可調(diào)納米光柵的制備是通過控制鍍膜厚度和基底性質(zhì)等因素，使薄膜自發(fā)形成符合精度要求的平行褶皺；

（3）使用這種方法制備納米光柵只需要普通的PDMS彈性基底的制備裝置和磁控濺射儀進(jìn)行金屬鍍膜即可，可以降低成本、縮短工期、簡(jiǎn)化操作。

［1］ 張鳴，張偉，華心，等.光學(xué)技術(shù).2006，32：330-332.

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（No. 2015R409027）和國家自然科學(xué)基金（No. 11204283）資助課題】