本發(fā)明涉及微納米表面極化加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微納米陣列結(jié)構(gòu)、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

紅外吸收，紅外隱身以及紅外輻射冷卻技術(shù)在民用和軍工方面得到越來越廣泛的關(guān)注，實(shí)現(xiàn)寬光譜，高強(qiáng)度的紅外吸收是科技發(fā)展的一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)紅外吸收方法很難做到既能實(shí)現(xiàn)寬光譜、高強(qiáng)度的紅外吸收特性，又能在極端惡劣環(huán)境下工作，而碳化硅器件則以其優(yōu)越的力學(xué)、熱學(xué)以及機(jī)械性能使其能在極端環(huán)境下工作而受到廣泛的青睞。

表面聲子極化激元(Surface Phonon Polariton，SPhP)是指存在于極性晶體表面的晶格振動(dòng)與電磁波相互作用產(chǎn)生的沿極性晶體表面?zhèn)鞑サ穆曌?。其特點(diǎn)是局域在極性晶體表面，沿晶體法向呈現(xiàn)電磁場指數(shù)衰減，故只能沿晶體切向傳播，類似于表面等離子體激元。通過改變金屬表面結(jié)構(gòu)，SPhP的性質(zhì)及其和電磁波相互作用的性質(zhì)可以得到有效的調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)碳化硅高強(qiáng)度的紅外寬光譜吸收提供了可能。

一般的碳化硅紅外吸收技術(shù)是通過在碳化硅表面加工規(guī)則的陣列納米結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，但是這種規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)陣列只能實(shí)現(xiàn)某一個(gè)波長的吸收，不能實(shí)現(xiàn)寬光譜吸收。而且，這些加工一般要用到昂貴的加工手段，如電子束曝光、聚焦離子束刻蝕等技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)大面積快速加工，對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來了阻礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種微納米陣列結(jié)構(gòu)、制備方法及應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)寬光譜、高強(qiáng)度的紅外吸收。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種微納米陣列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括碳化硅基底、在所述碳化硅基底上的微米柱體以及在所述碳化硅基底和所述微米柱體表面的納米結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，微納米結(jié)構(gòu)的紅外吸收是通過表面聲子極化激元與電磁波的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，通過在碳化硅基底表面制備微米柱體，再通過微米柱體上制備納米結(jié)構(gòu)，從而使得碳化硅基底與微米柱體表面形成規(guī)則的陣列納米結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)紅外寬光譜吸收。

優(yōu)選地，所述碳化硅基底為存在表面極化激元的碳化硅晶體。

本發(fā)明中，所述碳化硅晶體在紅外波段具有光學(xué)聲子存在。

優(yōu)選地，所述的微米柱體為圓柱、四方柱或多邊形柱狀結(jié)構(gòu)中的任意一種。

優(yōu)選地，所述納米結(jié)構(gòu)為納米顆粒、納米針尖或納米錐中的任意一種。

優(yōu)選地，所述納米結(jié)構(gòu)與基底為同種材料。

優(yōu)選地，所述微米柱體為周期陣列，微米柱體的周期過小，超出了紫外光刻的加工極限；如果周期過大，柱體的作用不能發(fā)揮，影響紅外吸收效果，所以周期為2-20μm，例如可以是2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm，優(yōu)選為5-15μm。

優(yōu)選地，所述微米柱體尺寸過小，超過紫外光刻加工極限；尺寸過大，也會(huì)超過紫外光刻的加工極限，同時(shí)不能發(fā)揮微米柱體的紅外吸收作用，所述微米柱體的橫截面積為3-30μm²，例如可以是3μm²、4μm²、5μm²、6μm²、7μm²、8μm²、10μm²、11μm²、12μm²、13μm²、15μm²、16μm²、17μm²、 18μm²、20μm²、22μm²、25μm²、26μm²、27μm²、28μm²、29μm²或30μm²。

優(yōu)選地，所述微米柱體的高度為0-30μm，例如可以是0.1μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、12μm、15μm、16μm、18μm、20μm、22μm、25μm、26μm、28μm或30μm。

優(yōu)選地，加工過程中納米結(jié)構(gòu)的底面積過小，鑒于ICP加工特點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)高度較小，減低納米結(jié)構(gòu)的紅外吸收效果；納米結(jié)構(gòu)底面積過大，則會(huì)影響納米結(jié)構(gòu)的尺寸和密度，也會(huì)影響紅外吸收效果，所述納米結(jié)構(gòu)的底面橫截面積為0.01-4μm²，例如可以是0.01μm²、0.02μm²、0.05μm²、0.06μm²、0.08μm²、0.1μm²、0.2μm²、0.3μm²、0.5μm²、0.6μm²、0.8μm²、1μm²、2μm²、3μm²或4μm²。

優(yōu)選地，所述納米結(jié)構(gòu)的高度過小SPhP不能有效激發(fā)，則會(huì)影響紅外吸收效果，從而嚴(yán)重影響該結(jié)構(gòu)的使用；納米結(jié)構(gòu)的高度過大，鍍膜和刻蝕時(shí)間加長，快速增加成本，所述納米結(jié)構(gòu)的高度為1-10μm，例如可以是1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種制備如第一方面所述的微納米陣列結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟：

(1)在碳化硅基底上旋涂紫外光刻膠，旋涂后烘烤，再使用紫外光刻機(jī)曝光后，在顯影液中顯影；

(2)用電子束蒸發(fā)鍍膜儀鍍銅后去膠，優(yōu)選在丙酮中去膠；

(3)用反應(yīng)離子刻蝕，將柱狀陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到碳化硅基底上；

(4)用電子束蒸發(fā)鍍膜儀鍍銅，再用反應(yīng)離子刻蝕，得到碳化硅微納米陣列結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，步驟(1)所述的碳化硅基底的厚度為100-400μm，例如可以是 100μm、150μm、200μm、220μm、230μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm、360μm、370μm、380μm、390μm或400μm，優(yōu)選為200-350μm。

優(yōu)選地，步驟(1)所述的紫外光刻膠厚度為0.2-5μm，例如可以是0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm，優(yōu)選為2μm。

優(yōu)選地，步驟(1)所述烘烤的時(shí)間為1-8min，例如可以是1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min或8min。

優(yōu)選地，步驟(1)所述的曝光時(shí)間為20-50s，例如可以是20s、21s、22s、23s、24s、25s、26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s、35s、36s、38s、40s、42s、45s、46s、48s或50s，優(yōu)選為30-45s。

優(yōu)選地，步驟(1)所述的顯影時(shí)間為20-50s，例如可以是20s、21s、22s、23s、24s、25s、26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s、35s、36s、38s、40s、42s、45s、46s、48s或50s，優(yōu)選為30-45s。

優(yōu)選地，步驟(2)所述的鍍銅厚度為330-480nm，例如可以是330nm、340nm、350nm、360nm、380nm、390nm、400nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm或480nm。

優(yōu)選地，步驟(4)所述的鍍銅厚度為220-400nm，例如可以是220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、280nm、290nm、300nm、310nm、320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、380nm或400nm。

優(yōu)選地，步驟(4)所述的刻蝕時(shí)間為20-50min，例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min、30min、31min、32min、33min、35min、36min、38min、40min、42min、45min、46min、48min或50min，優(yōu)選為30-45min。

第三方面，本發(fā)明還提供了一種如第一方面所述的微納米陣列結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，采用紅外入射光照射碳化硅微納米陣列結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)紅外寬光譜的吸收。

優(yōu)選地，所述紅外入射光覆蓋碳化硅基底存在光學(xué)聲子的波段。

優(yōu)選地，所述紅外入射光的照射角度為0-90°，例如可以是0°、1°、2°、3°、5°、6°、8°、10°、12°、14°、15°、16°、18°、20°、23°、25°、26°、28°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°或90°。

本發(fā)明中，紅外入射光的照射角度0°表示垂直入射，紅外入射光照到微納米陣列結(jié)構(gòu)表面，激發(fā)起SPhP，實(shí)現(xiàn)10-13μm寬光譜完全吸收。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明微納米陣列結(jié)構(gòu)，微米柱體與納米結(jié)構(gòu)均不受形狀的限制，通過兩者的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)表面聲子極化激元與電磁波相互耦合，從而實(shí)現(xiàn)了紅外寬光譜吸收；

(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了10-13μm的中紅外寬光譜吸收，吸光率幾乎為1；

(3)本發(fā)明基底為單一的碳化硅基底，材料簡單，操作步驟單一，而且微納米結(jié)構(gòu)加工方便，價(jià)格相對(duì)便宜，使用紫外光刻等設(shè)備，避免使用電子束光刻和聚焦離子束刻蝕，降低了成本，可實(shí)現(xiàn)大面積快速加工，為實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的在碳化硅結(jié)構(gòu)上加工的微納米陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的微納米陣列結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖，其中，方框組成的線是所述結(jié)構(gòu)的FDTD軟件模擬所得紅外吸收光譜，實(shí)線為所述結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)所 得紅外吸收光譜。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的微納米陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中，黑色實(shí)線是所述結(jié)構(gòu)的FDTD軟件模擬所得紅外吸收光譜。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3的微納米陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中，黑色實(shí)線是所述結(jié)構(gòu)的FDTD軟件模擬所得紅外吸收光譜。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例4的微納米陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中，黑色實(shí)線是所述結(jié)構(gòu)的FDTD軟件模擬所得紅外吸收光譜。

具體實(shí)施方式

為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及其效果，以下結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明并非局限在實(shí)施例范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)材料：

紫外光刻膠 S1813型

實(shí)驗(yàn)器材：

紫外光刻機(jī) MA6

電子束蒸發(fā)鍍膜儀 OHMIKER-50B

反應(yīng)離子刻蝕 SENTECH PTSA ICP-RIE ETCHER SI 500

實(shí)施例1

制備微納米陣列結(jié)構(gòu)，包括如下步驟：

(1)在330μm厚的碳化硅基底上旋涂2μm厚的紫外光刻膠，旋涂后烘烤5min，再使用紫外光刻機(jī)曝光40s后，在顯影液中顯影40s；

(2)用電子束蒸發(fā)鍍膜儀鍍400nm銅后，放在丙酮中去膠；

(3)利用反應(yīng)離子刻蝕，將柱狀陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到碳化硅基底上，精確控制 微米柱體的結(jié)構(gòu)高度；

(4)再用電子束蒸發(fā)鍍膜儀鍍300nm銅，再利用反應(yīng)離子刻蝕40min，得到微納米結(jié)構(gòu)。

制備得到的微納米陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示，微米柱體為圓柱，周期為8μm，直徑為6μm，高度為8.75μm；碳化硅微納米陣列結(jié)構(gòu)為納米錐，底面橫截面積為0.01-4μm²，高度為1-7μm。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果符合較好，在10-13μm左右波段吸光率接近100％。

實(shí)施例2

制備方法同實(shí)施例1，制備得到的微納米陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示，微米柱體為方柱，周期為6μm，邊長為4μm，高度為14μm；納米結(jié)構(gòu)為納米錐，底面橫截面積為0.04-4μm²，高度為2-8μm。在10-13μm左右波段吸光率大于80％。

實(shí)施例3

制備方法同實(shí)施例1，制備得到的微納米陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，微米柱體為八邊形柱，周期為6μm，十字形柱由兩個(gè)長方體交叉組成，每一長方體長為4μm，寬為1.657μm，高度為8.5μm；納米結(jié)構(gòu)為納米錐，底面橫截面積為0.04-4μm²，高度為2-8μm。在10-13μm左右波段吸光率大于85％。

實(shí)施例4

制備方法同實(shí)施例1，制備得到的微納米陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，微米柱體為十邊形柱，周期為6μm，十字形柱由兩個(gè)長方體交叉組成，每一長方體長為4μm，寬為1.657μm，高度為8.5μm；納米結(jié)構(gòu)為納米錐，底面橫截面積為0.04-4μm²，高度為2-8μm。在10-13μm左右波段吸光率大于85％。

綜合實(shí)施例1-4，本發(fā)明的微米柱體不受形狀的限制，可以是圓柱、方柱、多邊柱體；納米結(jié)構(gòu)不受形狀限制，可以是納米顆粒、納米針尖和納米椎 體；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了10-13μm的中紅外寬光譜吸收，吸光率幾乎為1；本發(fā)明基底為單一的碳化硅基底，材料簡單，操作步驟單一，而且納米結(jié)構(gòu)加工方便，價(jià)格相對(duì)簡單，使用紫外光刻等設(shè)備，避免使用電子束光刻和聚焦離子束刻蝕，降低了成本，可實(shí)現(xiàn)大面積快速加工，為實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。

申請(qǐng)人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)方法才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。