一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法

2023-10-11 11:56:54 1

專利名稱：一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法
技術領域：
本發明涉及表面微結構製造技術領域，特別是涉及一種光誘導光折變晶體表面微結構 的方法。
背景技術：
物體表面微結構的製作過程一般包括光刻、刻蝕以及離子束濺射等，也可以僅靠其中 一種方式來實現。
其中，光刻通常分為紫外光刻、x射線光刻、電子束光刻以及聚焦離子束光刻等幾種。
具體實現上，通過在介質上塗敷一層光刻膠後，用光刻的方法形成波長或者亞波長量級的 圖形(掩模)。而刻蝕主要有原子束刻蝕和離子束刻蝕等幾種方式，可以直接在物體表面 刻蝕出需要的微結構來。至於離子束濺射，則是利用掩模在介質表面鍍上一層金屬微結構。
上述這些技術集光學、精密機械、超高真空、計算機自動控制等高新技術於一體，因 此已成為一個國家整體科技水平的象徵。
但是，上述物體表面微結構的製作方法操作複雜，需要使用光刻膠，以及使用高壓、 高真空的昂貴設備才能進行，不利於廣泛的推廣應用。
此外，由於光刻膠的臨近效應，給帶膠圖形的轉移和刻蝕等帶來不少工藝上的複雜性， 不利於表面微結構形成。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法，通過在光 折變晶體表面利用光學的方法構造出金屬或非金屬微結構，操作簡單，不需要使用光刻膠 即可以製備出金屬微結構，同時也不需要藉助高壓、高真空等價格昂貴的設備，有利於廣 泛的推廣應用。
為此，本發明提供了一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法，包括以下歩驟
第一步、選用光折變晶體，對其進行非均勻光的照射，在該光折變晶體的表面和內部 形成了空間電荷場的空間分布；
第二步、通過電泳或介電泳效應，該光折變晶體的表面對微納顆粒進行吸附，最後在 晶體表面形成了與空間電荷場的空間分布有對應關係的微結構。
優選地，所述光折變晶體為具有光生伏打效應的光折變晶體。
優選地，所述光折變晶體為摻Fe鈮酸鋰晶體Li,-Abi+A: Fem，其中，x， y， m的取值範圍分別是0. 05《x《0. 13， 00《y《0. 01， 0. 00《m《7. 5X 10—4。
優選地，非均勻照射光的產生方式包括使用兩束以上相干光源，通過幹涉對晶體進 行非均勻光的照射，或者利用一束光時，通過振幅或相位掩模對品體進行非均勻強度的照 射。
優選地，所採用光束的波長為光折變敏感波長400nm 800nm。
優選地，所述第二歩具體為將微納顆粒懸浮在液體裡，使均勻分散有微納顆粒的液 體在光折變晶體的表面緩緩流過，然後在電泳或介電泳效應的作用下，在晶體表面形成了 與空間電荷場分布有對應關係的微結構；或者，把暴露在空氣中的微納顆粒輕輕地吹拂到 晶體表面上，在電泳或介電泳效應的作用下，晶體表面形成了與空間電荷場分布有對應關 系的微結構。
優選地，所述微納顆粒為金屬顆粒或非金屬顆粒。 優選地，所述微納顆粒平均直徑為20nm 100um。
由以上本發明提供的技術方案可見，本發明提供的一種光誘導光折變晶體表面微結構 的方法操作簡單，不需要使用光刻膠即可以製備出金屬微結構，同時也不需要藉助高壓、 高真空等價格昂貴的設備，有利於廣泛的推廣應用。


圖1為利用介電泳效應在鈮酸鋰晶體表面構造銀顆粒柵，不帶電金屬微納顆粒在介 電泳力的作用下形成表面微結構的示意圖2為利用電泳效應在鈮酸鋰晶體表面構造鋁顆粒柵，帶正電金屬微納顆粒在電泳 力的作用下形成表面微結構的示意圖3為利用介電泳效應在鈮酸鋰晶體表面構造二氧化鈦柵，不帶電的非金屬微納顆粒 在介電泳力的作用下形成表面微結構的示意圖4為利用電泳效應在鈮酸鋰晶體表面構造碳顆粒柵，帶負電非金屬微納顆粒在電泳 力的作用下形成表面微結構的示意圖；
具體實施例方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施方式對本發明 作進一步的詳細說明。
本發明提供了一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法，該方法的基本實質是利用一 束光通過振幅或相位掩模、或利用兩束以上(含兩束)的相干光通過幹涉在晶體表面形成 光強的某種空間分布，從而在晶體中引起相應的空間電荷場的空間分布，然後在電泳力或介電泳力的作用下操縱並俘獲微納顆粒，最終在光折變晶體表面形成微結構。具體包括以 下兩個步驟
第一步選用光折變晶體，對其進行非均勻光的照射，在該光折變晶體的表面和內部 形成了空間電荷場的空間分布；
該步驟在具體實現上，光折變晶體優選為選用具有光生伏打效應的光折變晶體，通過 利用具有光生伏打效應的光折變晶體的光折變效應，在寫入光柵的同時，建立起有一定空
間分布的空間電荷場，從而引起對微納顆粒的操縱並俘獲。
需要說明的是，如果用均勻光照射光折變晶體，則晶體表面的空間電荷場分布均勻， 微納顆粒不會分布在晶體表面，而是會集聚於晶體兩側，從而無法在晶體表面形成具有一 定結構的微納顆粒柵，故本發明採用非均勻光來照射光折變晶體。
上述的非均勻光為具有一定空間分布的光，為存在一定強弱分布的光，非均勻光可以 通過下文所述的兩種方法兩束或多束相干光幹涉以及掩模法來獲得。
需要說明的是，光折變效應是光致折射率變化的簡稱，它是發生在電光材料中的一種 複雜的光電過程。1966年貝爾實驗室的Ashkin等人在鈮酸鋰(LiNb03，簡稱LN晶體)和 鉭酸鋰(LiTa03，簡稱LT晶體)晶體中首先觀察到了光折變效應。
光折變材料包括有機高分子聚合物、有機晶體和無機材料(光折變晶體、陶瓷等)等多 種材料。光折變晶體又可分為三類:化合物半導體、鉍矽族氧化物和鐵電晶體。鐵電晶體 由於具有較大的電光係數以及其他一些有用的性質，所以有關光折變效應研究和應用的大
多數工作都集中在這一類材料上。在所有的光折變材料中，LN晶體被研究得最為廣泛。 極化後的單疇晶體可用於高分辨的全息存儲。通過摻入不同種類和濃度的雜質、對晶體進 行氧化/還原處理以及改變晶體本身的[Li]/[Nb]，可大大改善晶體的光折變性能，得到具 有高均勻性和優良光折變特性的LN晶體。鈮酸鋰晶體中的施主雜質被光激發產生光生載 流子，光生載流子在光生伏打效應作用下漂移並被陷阱俘獲。載流子不斷的被激發、遷移 和俘獲最終形成正負電荷的空間分離。這些光致分離的空間電荷場在晶體內部和表面建立 起與光強空間分布相對應的空間電荷場。
第二步通過電泳或介電泳效應，該光折變晶體的表面對微納顆粒進行吸附，最後在 晶體表面形成了與空間電荷場的空間分布有一定對應關係的微結構。
具體實現上，在等待光折變晶體空間電荷場完全建立後，得到強的空間電荷場時，再 進行第二步。需要說明的是，光折變晶體的空間電荷場建立的響應時間一般在幾秒 幾十 分鐘之間，視入射光強、晶體摻雜量、晶體厚度等因素來確定寫入光柵的時間。經過一段時間的寫光柵的過程，最後在光折變晶體的內部和表面形成強的空間電荷場分布，在足夠 強的空間電荷場分布下，能更好地對微納顆粒進行吸附，增強吸附效果。
需要說明的是，電泳是帶電顆粒在電場作用下向其電性相反的電極的運動，利用電泳 力可操縱並俘獲帶電顆粒；而介電泳是不帶電顆粒在非均勻電場作用下的運動，因此該現 象提供了對不帶電顆粒進行操控的途徑。
光折變晶體在其內部和表面形成具有一定分布的空間電荷場後，針對帶電或者不帶電 的微納顆粒，會出現以下不同的情況
鑑於微納顆粒極容易帶電，任何對微納顆粒輕微的操作(例如攪拌、超聲等)都會由 於摩擦的原因引起帶電，其中，金屬微納顆粒容易帶上正電，而非金屬材料容易帶上負電。 那麼帶電微納顆粒形成電泳,會在空間電荷場作用下運動，於是，帶正電的微納顆粒被吸附 在光折變晶體的負電荷聚集區域的表面上，而帶負電的微納顆粒被吸附在晶體的正電荷聚 集區域的表面上，從而在光折變晶體表面上形成微結構。
如果空間電荷場是周期性分布的，這樣形成的結構周期跟空間電場的分布周期是一一 對應關係。
如果微納顆粒沒有帶上電，那麼該微納顆粒在空間電荷場作用下會發生極化，產生極 化電荷，由於空間電荷場的非均勻分布，微納顆粒上不同位置出現的極化電荷之間的受力 不能彼此抵消，從而該微納顆粒在宏觀上體現出受到空間電荷場的作用，它受到的介電泳 力大小由以下公式決定
F = 2燈、"^^V(五2 );
其中，r為微納顆粒半徑，￡為電場強度，^和Sp分別是微納顆粒周圍的介質(即前
面所說的空氣或者溶劑)、微納顆粒的介電常數。根據微納顆粒的介電常數和周圍介質的
介電常數的關係，在￡ >〉、時，此時介電泳力F為正，那麼微納顆粒沿著所受電場的電場 線的正方向運動；在￡"<^時，此時介電泳力為負，微納顆粒會沿著所受電場的電場線的
負方向運動，兩種情況下微納顆粒最終都到達不受力即介電泳力為零的平衡位置。
因此，不帶電微納顆粒在介電泳時，不帶電微納顆粒在空間電荷場作用下運動，直到 被吸附到所受到的介電泳力F為零的晶體表面平衡位置附近，從而在光折變晶體表面形成 微結構。
鑑於空間電荷場的強度是正弦變化的情況，那麼由上述公式可知，在一個周期裡，介 電泳力F為零的地方出現兩次，因此這樣形成的光折變晶體微結構是雙周期結構(相對於場強的一個周期的變化)。
在本發明中，光折變晶體表面對微納顆粒的吸附包括有兩種實現方式-
第一種方式為將微納顆粒懸浮在液體裡，使均勻分散有微納顆粒的液體在光折變晶 體的表面緩緩流過，然後在電泳或介電泳效應的作用下，在晶體表面形成了與空間電荷場 分布有一定對應關係的微結構；
該液體可以為極性溶劑(如水)，或非極性溶劑(如甲基矽油)。
具體實施上為首先將微納顆粒均勻懸浮在液體裡，把寫好光柵的光折變晶體從光路 取出，傾斜放置，吸取少量分散有微納顆粒的液體，滴加一滴液體到晶體的表面，使液體 輕輕的從晶體表面滑過，在寫有光柵的區域顆粒就會吸附在晶體的表面，形成與空間電荷 場分布有對應關係的微結構。
第二種方式為把暴露在空氣中的微納顆粒輕輕地吹拂到晶體表面上，在電泳或介電 泳效應的作用下，晶體表面形成了與空間電荷場分布有對應關係的微結構。
具體實施上，將微納顆粒暴露在空氣中，然後輕輕地灑到晶體表面上，於是在電泳力 或介電泳力的作用下，微納顆粒被吸附到晶體表面，在晶體表面上形成所需的表面微結構。
在本發明中，所述光折變晶體優選為採用摻Fe鈮酸鋰晶體LilxNb,A: Fe ，其中， x， y， m的取值範圍分別是0.05《x《0. 13, 0. 00《y《0. 01, 0. 00《rn《7. 5X 10—，。 在本發明中，所述微納顆粒可以為銀、鋁等金屬顆粒或碳粉等非金屬顆粒。 所述微納顆粒直徑的範圍優選為20nm 100 u m。 具體實現上，本發明非均勻光分布的產生具有兩種方式
第一種方式兩光束以上(含兩束)的光幹涉的方法，這種方法使用兩束以上相干光 源，利用幹涉的方法對晶體進行非均勻光的照射，主要是用於構造周期性的表面結構(光 柵、波導等)。
通過把待寫光柵晶體放在幹涉區域(為了得到最大的空間電荷場，選用摻Fe的鈮酸 鋰晶體作為待寫光柵晶體)，並在寫入光柵的時候，採用e光入射(晶體的c軸方向平行 與入射光的偏振方向)；其次，我們選用功率較大的氬離子雷射器，出射入波長488nm。 其中，在晶體上形成的光柵周期在200nm 800ym之間，兩束光強度的調製度設置(強度 比)在O. 1 1.0之間。
第二種方式利用一束光通過振幅或相位掩模的方法，這種方法利用一束光時，通過 振幅或相位掩模的方法對晶體進行非均勻強度的照射。該方法用於構造任意形狀的表面微 結構。同樣釆用e光入射，所使用的雷射器釆用的是與第一種方式相同的氬離子雷射器。上述兩種方式所採用光束的波長為光折變敏感波長，即為400nm 800nm。
下面通過實施例對本發明作進一歩說明。
實施例一
對於本發明，採用納米銀粉作為微納顆粒，其顆粒平均直徑為50nm，利用介電泳效 應在鈮酸鋰晶體表面構造銀顆粒柵，不帶電的銀金屬微納顆粒在介電泳力的作用下形成表 面微結構，該表面微結構如圖1所示；
實施例二
對於本發明，釆用球形的金屬鋁粉顆粒作為微納顆粒，其顆粒的中位徑為1.52微米， 那麼利用f乜泳效應在鈮酸鋰晶體表面構造鋁顆粒柵，帶:iH電的鋁金嵐微納顆粒在電泳力的
作用下形成表面微結構，該表面微結構如圖2所示；
實施例三採用二氧化鈦顆粒作為微納顆粒，那麼利用介電泳效應在鈮酸鋰晶體表面 構造二氧化鈦柵，不帶電的非金屬微納顆粒在介電泳力的作用下形成表面微結構，該表面 微結構如圖3所示；
實施例叫
採用球形碳粉顆粒作為微納顆粒，其顆粒平均直徑為io微米左右。通過把這些材料 顆粒分別放在甲基矽油中，然後用超聲波振蕩幾個小時左右，使其分散均勻。那麼利用電 泳效應在鈮酸鋰晶體表面構造碳顆粒光柵，帶負電非金屬微納顆粒在電泳力的作用下形成 表面微結構，該表面微結構如圖4所示。
綜上所述，本發明提供的一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法不需要光刻膠即可 以製備出微結構，擺脫了以往只能在精密大型儀器下製造微結構的束縛，不再需要大型的 昂貴的專業設備，利用簡單的光學方法就可以簡單的製造需要的微結構。
此外，本發明提供的光誘導光折變晶體表面微結構的方法操作簡單，具有通用性，適 合在實驗室的條件下，製作微結構。
此外，本發明提供的光誘導光折變晶體表面微結構的方法重複性好，在光折變晶體中 可以方便的反覆寫入微結構和擦除微結構。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對亍本技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若千改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視 為本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，包括以下步驟第一步、選用光折變晶體，對其進行非均勻光的照射，在該光折變晶體的表面和內部形成了空間電荷場的空間分布；第二步、通過電泳或介電泳效應，該光折變晶體的表面對微納顆粒進行吸附，最後在晶體表面形成了與空間電荷場的空間分布有對應關係的微結構。
2、 如權利要求1所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，所述光 折變晶體為具有光生伏打效應的光折變晶體。
3、 如權利要求2所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，所述光 折變晶體為摻Fe鈮酸鋰晶體LihNb,+y03: Fem，其中，x， y， m的取值範圍分別是0.05《x 《0. 13， 0. 00《y《0. 01, 0. 00《m《7. 5 X 10—4。
4、 如權利要求1所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，非均勻 光照射的產生方式包括使用兩束以上相干光源，通過幹涉對晶體進行非均勻光的照射， 或者利用一束光時，通過振幅或相位掩模對晶體進行非均勻強度的照射。
5、 如權利要求4所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，所採用 光束的波長為光折變敏感波長400nm 800nm。
6、 如權利要求1所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，所述第 二步具體為將微納顆粒懸浮在液體裡，使均勻分散有微納顆粒的液體在光折變晶體的表 面緩緩流過，然後在電泳或介電泳效應的作用下，在晶體表面形成了與空間電荷場分布有 對應關係的微結構;或者，把暴露在空氣中的微納顆粒輕輕地吹拂到晶體表面上，在電泳 或介電泳效應的作用下，晶體表面形成了與空間電荷場分布有對應關係的微結構。
7、 如權利要求1所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，所述微 納顆粒為金屬顆粒或非金屬顆粒。
8、 如權利要求7所述的光誘導光折變晶體表面微結構的方法，其特徵在於，所述微 納顆粒平均直徑為20nm 100 u m。
全文摘要
本發明公開了一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法，包括步驟第一步、選用光折變晶體，對其進行非均勻光的照射，在該光折變晶體的表面和內部形成了空間電荷場的空間分布；第二步、通過電泳或介電泳效應，該光折變晶體的表面對微納顆粒進行吸附，最後在晶體表面形成了與空間電荷場的空間分布有對應關係的微結構。本發明提供了一種光誘導光折變晶體表面微結構的方法，該方法操作簡單，不需要使用光刻膠即可以製備出金屬微結構，同時也不需要藉助高壓、高真空等價格昂貴的設備，有利於廣泛的推廣應用。
文檔編號G02F1/03GK101414090SQ200810153618
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者強 吳, 唐柏權, 孔勇發, 騫 孫, 張心正, 王俊俏, 王振華, 許京軍, 譚信輝 申請人:南開大學