CN102096134B - 量子点植入反射式主动光栅及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点植入反射式主动光栅及其制造方法，该方法利用量子点具有优良的光致发光能力，且色度选择范围宽的特点，采用压印工艺，首次将量子点埋入光栅结构中，通过结构设计及量子点种类的选择，实现量子点所发射光线与光栅反射的光线共同衍射，增强了衍射效果。本发明制作过程为：使用电子束光刻及真空熔铸法制作量子点及光栅模具，使用压印工艺制作量子点及光栅微结构图案，最终形成光栅结构。光栅周期为20nm至20um，槽宽20nm至20um，高度为20nm至20um，光栅微结构形状为圆柱、正方形、长方形、菱形或六边形以及梯形等图形，微结构边缘与铅直方向夹角可控，夹角范围在0至90度之间。
Description
技术领域：
本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种新型减阻表面及其制造方法，尤其是一种量子点植入反射式主动光栅及其制造方法。
背景技术：
光栅技术己广泛地应用于精密位移测量、角度测量。在数控加工、微电子等领域大量采用。作为数控机床核心技术之一，光栅测量技术对保障现代机床的各项性能指标起着决定性作用。但是，光栅式测量也存在如下问题：线数较高、长度较大的光栅刻制困难，体现在测长上就是测量分辨率与量程的矛盾；测量精度与光栅的制造精度有直接的关系，因此受光栅加工工艺的影响比较大。随着光栅量程的增加，对衍射效果及信噪比的要求越来越高，而现有光栅的衍射效率，随着量程的增加，能够产生衍射的光强度呈现出明显的相对减弱趋势，特别是在反射式光栅方面，需要在光栅结构处参与衍射的光强度有极大提高，以满足大量程光栅对衍射效果的需求。量程为几百毫米的光栅尺价格达几万甚至十几万元，限制了应用范围。目前光栅通常采用半导体光刻工艺加工，基于半导体材料进行制作，但光刻工艺方法制作面积小、价格昂贵、制作周期长。
相比于上述制作工艺存在的局限性,纳米压印技术是一种可以制造大面积微纳米结构的并行制造技术,具有成本低,生产效率高的特点。本发明采用微压印技术，并结合旋涂工艺和电子束刻蚀技术，将具有光致发光效应的量子点植入光栅结构，制作出具有自主发光能力的大尺度反射式光栅，极大地提高了光栅衍射效果，提高了信噪比。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有光栅聚光能力有限，信噪比低的缺点，提供一种具有自主发光能力的反射光栅。利用半导体量子点材料受光激发后能够发光，而且可以调整量子点材料粒子尺寸来得到不同颜色波段荧光的特点，采用微压印技术，将量子点植入光栅结构中，当光栅界面受到光照射后，量子点受到激发后发出的光与光栅所反射的光共同衍射，其强度将大大强于仅靠光栅反射所产生的衍射光强度。并通过对光栅微结构进行设计，最大程度收集光线，并使量子点受激发射的光和光栅反射的光的衍射效果最优化，提高信噪比性能。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现。
本发明的光栅结构为微米阵列交错排列结构，光栅内部设置有量子点，该量子点表面包覆有PDMS胶状液，量子点和其表面包覆的PDMS胶状液构成光栅表面的凸起。
所述光栅周期为20nm至20um，槽宽20nm至20um，高度为20nm至20um。
所述量子点是CdSe/ZnS核壳量子点、CdS/ZnS核壳量子点或ZnSe/CdSe/ZnS双核壳量子点。
所述微米阵列剖面的形状为圆形、正方形、长方形、菱形或六边形以及梯形,微结构边缘与铅直方向夹角可控,夹角范围在0至90度之间。
主动发光式光栅的制作方法包括以下步骤：
(1)量子点植入模具（模具Ⅰ）的制作。首先在基片（硅、石英上）采用光学光刻法或电子束加工出带有微米级阵列的模版Ⅰ，模具Ⅰ采用透明硅橡胶PDMS作为模具材料，真空浇注硅橡胶PDMS，通过模板Ⅰ复型为软模具。微米阵列交错排列，光栅周期为20nm至20um，槽宽20nm至20um，高度为20nm至20um。
(2)在基底上压印量子点。在模具Ⅰ表面铺涂一层聚对二甲苯沉积涂层，以利于量子点胶状溶液的扩散，以氯仿作为溶剂，将量子点溶液通过旋涂方式制备到涂有聚对二甲苯沉积涂层的模具Ⅰ图形表面。采用逆压印（胶状量子点溶液在模具表面）对光栅基底进行压印，将量子点图案转移到基底表面。
(3)光栅模具（模具Ⅱ）制作。根据基底上的量子点图案，先通过电子束直写制作微米结构的硅基母（模板Ⅱ），真空浇注硅橡胶PDMS后，复型出光栅模具（模具Ⅱ）。
(4)制作量子点植入式光栅。在已有量子点图形的光栅基底上，旋涂PDMS胶状溶液，将整个量子点图形埋入其中，将模具Ⅱ与基底对准版,对埋有量子点的PDMS胶状溶液施加工艺，脱模后保留量子点图形。随后进行烘干、固形。
所述量子点模具（模具Ⅰ）是在硅或石英上采用光刻或电子束刻蚀加工出微米级模板图形。
所述模具均选用单体和固化剂混合搅拌后反应固化型高分子材料硅橡胶PDMS,以真空浇注方式复型为软模具。
在旋涂量子点胶状溶液至量子点模具（模具Ⅰ）之前，先在模具表面铺涂一层聚对二甲苯沉积涂层，以保证量子点与模具表面微结构的充分结合。
所述量子点材料选用外表面包覆有硫化镉（CdS）的硒化镉(CdSe)，将胶状量子点溶于氯仿溶液中。
所述光栅结构的凸起部位，是由埋入的量子点和包在其表面的PDMS胶状液构成。
本发明采用微压印等工艺，在传统光栅的基础上，利用量子点受激发光的特点，直接精确地制作量子点植入式主动反射光栅装置，光栅结构中的反射光线与量子点所发光线相结合，所产生的衍射效应及光强显著强于传统光栅。解决了传统光栅衍射效应不明显所带来的信号强度差，信噪比低的缺点。
此外，本发明采用的微压印工艺，能实现批量生产，解决批量制造的问题，并使成本大大降低。用于光谱分析、超高精密平面光栅、高精度机床用精密光栅。
附图说明：
图1为用量子点模具制作过程示意图；
图2为量子点模具上铺涂脱模层示意图示意图；
图3为量子点模具上铺涂量子点示意图；
图4为光栅基底上逆压印量子点示意图；
图5为光栅模具制作示意图；
图6为光栅基底铺涂PDMS溶液；
图7为压印得到反射光栅微结构阵列；
图8为角度可控光栅微结构阵列一；
图9为角度可控光栅微结构阵列二。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
第1步，参照图1，采用真空熔铸法，制作量子点模具（模具Ⅰ）。以电子束直写光刻加刻蚀工艺制作模板Ⅰ，硅橡胶单体对固化剂的比例为10:1，浇铸真空压力2.3×10-2Pa,热固化温度100℃，热固化时间1小时,以确保从硅基母模板上复型的PDMS软模具结构清晰，无气泡、颗粒等缺陷。
第2步，参照图2，采用旋涂工艺，在模具Ⅰ图形面上均匀铺涂厚度为30nm的聚氯代对二甲苯-C（parylene-C）薄膜作为脱模层，这将极大地促进量子点在压印过程中从模具向基底顺利转移，并阻挡量子点与PDMS模具发生反应；
第3步，参照图3，以旋涂方式将悬浮在有机溶剂（氯仿）中的胶状量子点溶液，均匀铺涂到沉积了parylene-C脱模层的模具Ⅰ表面，待其自由流平；
第4步，参照图4，待有机溶剂蒸发之后，采用逆压印工艺，将分布在模具表面的量子点转印到低地板基底表面，在基底表面形成由量子点构成的图案，压印前务必保证基底表面清洁，模具与基底要对准。
第5步，参照图5，采用与模具Ⅰ相同的加工工艺（第一步），制作光栅软模具（模具Ⅱ），光栅周期为20nm至20um，槽宽20nm至20um，高度为20nm至20um。
第六步，以旋涂方式，用匀胶机将经过稀释的液态高分子聚合物PDMS阻蚀胶（低黏度）旋转涂铺在基底表面，将量子点埋入其中，待其自然流平。
第6步，加载压力将光栅模具压在旋涂层上，并放入真空烘箱里，调整温度在100℃，真空烘烤30分钟。取出后脱模，形成量子点光栅。压印之前务必保证基底表面甩胶均匀，模具与基底要对准。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种量子点植入反射式主动光栅，其特征在于：所述光栅结构为微米阵列交错排列结构，光栅内部设置有量子点，该量子点表面包覆有PDMS胶状液，量子点和其表面包覆的PDMS胶状液构成光栅表面的凸起。
2.如权利要求1所述一种量子点植入反射式主动光栅，其特征在于：所述光栅周期为20nm至20um，槽宽20nm至20um，高度为20nm至20um。
3.如权利要求1所述一种量子点植入反射式主动光栅，其特征在于：所述量子点是CdSe/ZnS核壳量子点、CdS/ZnS核壳量子点或ZnSe/CdSe/ZnS双核壳量子点。
4.如权利要求1所述一种量子点植入反射式主动光栅，其特征在于：所述微米阵列剖面的形状为圆形、正方形、长方形、菱形或六边形以及梯形，微结构边缘与铅直方向夹角可控，夹角范围在0至90度之间。
5.如权利要求1、2、3或4所述量子点植入反射式主动光栅的制作方法，其特征在于，按照如下步骤：
(1)制作量子点模具：首先在基片采用光学光刻法或电子束加工出带有微米级阵列的量子点模板，量子点模具采用透明硅橡胶PDMS作为模具材料，真空浇注硅橡胶PDMS，通过量子点模板复型为量子点模具；
(2)在光栅基底上压印量子点：采用旋涂工艺，在模具图形面上均匀铺涂厚度为30nm的聚氯代对二甲苯-C薄膜作为脱模层，这将极大地促进量子点在压印过程中从模具向基底顺利转移，并阻挡量子点与PDMS模具发生反应；以利于量子点胶状溶液的扩散，以氯仿作为溶剂，将量子点溶液通过旋涂方式制备到涂有聚对二甲苯沉积涂层的量子点模具图形表面；采用逆压印对光栅基底进行压印，将量子点图案转移到光栅基底表面；
(3)制作光栅模具：根据光栅基底上的量子点图案，先通过电子束直写制作微米结构的硅基母，真空浇注硅橡胶PDMS后，复型出光栅模具；
(4)制作量子点植入式光栅：在已有量子点图形的光栅基底上，旋涂PDMS胶状溶液，将整个量子点图形埋入其中，将光栅模具与基底对准版，加载压力将光栅模具压在旋涂层上，并放入真空烘箱里，调整温度在100℃，真空烘烤30分钟，取出后脱模，形成量子点光栅。
6.如权利要求5所述量子点植入反射式主动光栅的制作方法，其特征在于，所述量子点模具是在硅或石英上采用光刻或电子束刻蚀加工出微米级模板图形。
7.如权利要求5所述量子点植入反射式主动光栅的制作方法，其特征在于：在旋涂量子点胶状溶液至量子点模具之前，先采用旋涂工艺，在模具图形面上均匀铺涂厚度为30nm的聚氯代对二甲苯-C薄膜作为脱模层，这将极大地促进量子点在压印过程中从模具向基底顺利转移，并阻挡量子点与PDMS模具发生反应；使量子点与模具表面微结构的充分结合。
8.如权利要求5所述量子点植入反射式主动光栅的制作方法，其特征在于，所述量子点材料选用外表面包覆有硫化镉的硒化镉，将胶状量子点溶于氯仿溶液中。
9.如权利要求5所述量子点植入反射式主动光栅的制作方法，其特征在于，所述基片是由硅、有机玻璃或铝制成。
10.如权利要求5所述量子点植入反射式主动光栅的制作方法，其特征在于，所述真空浇注硅橡胶PDMS的条件为：硅橡胶单体对固化剂的比例为10∶1，浇铸真空压力2.3×10-2Pa，热固化温度100℃，热固化时间1小时。
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