纳米光栅制作技术的最新进展

李秋琦 孙亚东 陈旗湘 刘旭静 余森江 中国计量学院应用物理系

纳米光栅制作技术的最新进展

李秋琦 孙亚东 陈旗湘 刘旭静 余森江 中国计量学院应用物理系

随着信息化社会的高速发展，现代光栅逐渐应用于信息处理及量子光学等领域，所以纳米光栅的制作变得十分重要。作者首先简要介绍了纳米光栅制作的几种传统方法，包括机械刻划、全息光刻、飞秒激光直写等。传统方法均存在成本高、工期长、条件苛刻、制作过程复杂且难以控制等缺点。在此基础上，作者综述了最新发展起来的基于薄膜应力自组装制作纳米光栅的方法，并对该方法的实验原理、物理机制和适用范围进行了深入讨论。

薄膜；应力；自组装；纳米光栅；PDMS

1 引言

光栅是一种精密光学仪器的核心器件，通常，由大量等宽等间距的平行狭缝组成。最初，光栅被用来实现复色光的空间分离，发展至今已有两百多年的历史。21世纪以来，光栅的作用不再局限于光谱学领域，天文学、量子光学、集成光学、光通讯等诸多领域都需要光栅的参与。本文首先简要介绍了纳米光栅制作的传统方法，然后讨论基于薄膜应力自组装制作纳米光栅的方法，期望引起国内科技工作者的关注，并得到进一步的研究与推广。

2 纳米光栅的传统制备方法

2.1 机械刻划

机械刻划是用来制作母光栅的传统加工方法，即使用符合精度要求的金刚石刻刀刻划金属膜。利用刻划原理制备纳米光栅，可以在扫描探针纳米加工技术的基础上，使用原子力显微镜硅制探针在接触模式下对材料进行刻划［1］。使用刻划法制作纳米光栅需要高精度的设备和环境，尤其需要稳定的供电，以及对室内温度、湿度的精确控制。

2.2 全息光刻

全息光刻制备纳米光栅：首先将处理好的光学玻璃或熔石英等基底涂上一定厚度的光刻胶，烘干后放入干涉光学系统，通过两束准直激光干涉曝光并记录下干涉条纹，最后放入显影液中显影就可以获得图形。

2.3 飞秒激光直写

飞秒激光直写加工是将飞秒激光聚焦到透明材料的内部，与电子相互作用产生非线性效应，诱发材料局部光学性质改变，通过控制激光与材料样品的相对移动得到不同量级的结构。采用飞秒光源经过显微镜聚焦后逐点刻写光栅，可以通过精密移动平台的传动速度来调节光栅周期，具有较高的灵活性。但是飞秒激光直接制备光栅需要复杂的光学系统将激光精确地聚集到一点，得到精确的光栅周期对控制平台移动的步电进机和传动装置也有很高的精度要求。此外，因为聚焦的点有一定的面积，所以在制作周期较小的光栅时，可能会出现相邻两个折射率区域重叠的情况，影响成栅的质量。

3 薄膜应力自组装制作纳米光栅

我们利用弹性基底上硬质薄膜在应力作用下的自组装特性，即自发产生周期分布的表面褶皱来制备纳米级光栅：在预拉伸的PDMS基底上利用磁控溅射技术沉积金属薄膜，薄膜沉积后释放预应变就会得到垂直预应力方向的周期性表面结构，该结构即为一维纳米光栅。光栅的周期，即光栅常数由薄膜厚度和基底的弹性模量决定，并可通过外加应力进行调整，因而可以获得光栅常数连续可调的纳米光栅。

3.1 工艺流程

采用多功能磁控溅射设备在预拉伸的弹性PDMS基底上沉积金属薄膜，研究薄膜厚度、PDMS的弹性模量、预应变和外加应力等因素对薄膜的表面形貌及光栅常数的影响。进行的工艺流程如下：

（1）首先制备本实验所要使用的软性基底材料，即PDMS薄膜（Dow Corning，Sylgard 184），将主剂与固化剂按10∶1的比例充分混合。等产生的气泡完全排除后，使用浇注的方法倒入到已准备好的容器中，利用烘干机将之完全固化。最后使用裁剪刀切割出我们需要的尺寸。

（2）将已经切割好的PDMS柔性基底使用拉伸装置施加一定的预应变，准备溅射镀膜。

（3）将装置放入多功能磁控溅射仪中沉积金属（实验中主要镀了银、铜、铁三种金属）薄膜，改变多种实验参数（以薄膜的厚度为主）进行成膜。

（4）采用光学显微镜观察薄膜的表面结构，特别是由于单轴应力引起的周期分布的一维表面褶皱，研究表面褶皱在预应变释放过程中的形貌演化规律。

3.2 实验原理

以PDMS弹性材料为基底的光栅制备方法最大的特点在于光栅常数可以通过不同参数进行调控。根据

3.3 实验结果

使用光学显微镜观察在施加了预应力的PDMS基底上溅射沉积了不同金属（以Ag、Cu、Fe三种金属为例）薄膜的表面形貌，发现三种金属薄膜都可以得到紧密排列的平行褶皱，完全可以用于制作光栅。因此，采用施加预应变并控制薄膜厚度和PDMS弹性基底的杨氏模量的方法制作光栅，对环境条件没有过于苛刻的要求，溅射镀膜和褶皱成形需要的时间都较短，而且可以大面积制备。

4 结论

本文在介绍了纳米光栅发展历史和制备方法的基础上，提出了一种新型的基于PDMS弹性基底的可调纳米光栅的制备方法，所得的结论主要如下：

（1）制备纳米光栅的传统方法多种多样，各有优劣，但是都需要高精度的设备对缝线进行准确刻划，再进行操作；

（2）本文提出的基于PDMS基底的可调纳米光栅的制备是通过控制镀膜厚度和基底性质等因素，使薄膜自发形成符合精度要求的平行褶皱；

（3）使用这种方法制备纳米光栅只需要普通的PDMS弹性基底的制备装置和磁控溅射仪进行金属镀膜即可，可以降低成本、缩短工期、简化操作。

［1］ 张鸣，张伟，华心，等.光学技术.2006，32：330-332.

浙江省大学生科技创新项目（No. 2015R409027）和国家自然科学基金（No. 11204283）资助课题】