一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法
阅读说明：本技术 一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法 (Preparation method for forming polarization rotator through nano paper-cut ) 是由 李家方 刘之光 于 2018-06-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法,属于三维微纳加工技术和三维器件技术领域。其包括步骤:制备一悬空的导电薄膜；对所述导电薄膜切割,得到至少一个导电薄膜构成局部连接的、多条非接触曲线构成的非封闭二维通透结构；采用离子束对非封闭二维通透结构所在的区域进行帧扫描式的整体辐照,以形成拱起及扭曲的三维曲面微纳结构,即得到构成偏振旋转器的三维曲面结构单元；将三维曲面结构单元按预定的周期排列,以得到偏振旋转器。本发明提供的制备方法,能解决现有技术中三维微纳结构形貌简单,无法实现丰富的三维微纳结构制备的不足,具有工艺简单、易于实现、可重复制作的优点。(The invention provides a preparation method for forming a polarization rotator through nano paper-cut, and belongs to the technical field of three-dimensional micro-nano processing technology and three-dimensional devices. The method comprises preparing a suspended conductive film; cutting the conductive film to obtain a non-closed two-dimensional transparent structure which is formed by a plurality of non-contact curves and is formed by at least one conductive film in a local connection manner; carrying out frame scanning type integral irradiation on the region where the non-closed two-dimensional transparent structure is located by adopting an ion beam to form an arched and distorted three-dimensional curved surface micro-nano structure, and obtaining a three-dimensional curved surface structure unit forming the polarization rotator; and arranging the three-dimensional curved surface structure units according to a preset period to obtain the polarization rotator. The preparation method provided by the invention can overcome the defects that the three-dimensional micro-nano structure in the prior art is simple in appearance and cannot realize rich preparation of the three-dimensional micro-nano structure, and has the advantages of simple process, easiness in realization and capability of being repeatedly manufactured.)
技术领域
本发明涉及三维微纳加工技术和三维器件技术领域，特别是涉及一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法。
背景技术
光是一种电磁波，它的偏振特性广泛应用于3D成像和通讯(特别是量子通信)领域。传统的偏振旋转器，如液晶和法拉第旋转器，由于偏振效率较低，通常厚度较大，不利于微纳器件的集成应用。
另一方面，随着微纳光电器件的集成度越来越高，单纯的在二维空间内的光电器件集成已经难以满足日益增长的多功能化需求，因此，三维微纳光电器件的制备成为微纳器件超小型化、功能化集成发展的一个重要途径，众多三维制备技术，如3D打印得到了极大的关注和发展。但是，采用3D打印制备微纳米级别的金属光电功能器件存在巨大挑战。与此同时，人们发展出一些简单的利用离子束辐照控制薄膜形变来制备三维结构的工艺。其具体原理是在悬空的自支撑金属薄膜上，利用聚焦离子束刻蚀出悬臂结构，然后再用离子束辐照使金属悬臂结构发生形变，可以获得一些简单的三维金属结构。这类三维金属结构已经在微纳光学性能开发、微纳光学传感和光电调控等方面显示出独特的应用价值。
但是，现有技术中得到的三维微纳结构形貌简单，无法实现丰富的三维微纳结构制备，如三维自由曲面的偏振旋转器，限制了其在更为广阔的微纳光电领域的应用。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，克服上述技术缺陷，解决现有技术中三维微纳结构形貌简单，无法实现丰富的三维微纳结构制备的不足。
特别地，本发明提供了一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，其包括以下步骤：
S1，制备一悬空的导电薄膜；
S2，对所述导电薄膜切割，得到至少一个导电薄膜构成局部连接的、多条非接触曲线构成的非封闭二维通透结构；
S3，采用离子束对非封闭二维通透结构所在的区域进行帧扫描式的整体辐照，以形成拱起及扭曲的三维曲面微纳结构，即得到构成偏振旋转器的三维曲面结构单元；
S4，将三维曲面结构单元按预定的周期排列，以得到偏振旋转器。
可选地，所述导电薄膜为表面平坦的、中间悬空、四周支撑的导电薄膜。
可选地，导电薄膜悬空形成在具有窗口的基底上，所述导电薄膜的四周被所述基底的窗口支撑。
可选地，所述导电薄膜为复合薄膜或纯金属薄膜；所述复合薄膜为对介质膜材料进行金属镀膜形成；所述纯金属薄膜是利用微纳加工工艺将介质膜去除后获得。
可选地，所述复合薄膜为商用氮化硅窗口进行热蒸发的镀金膜。
可选地，所述导电薄膜为金、银、铜、铝、镍、钛、铬中的一种或多种。
可选地，在S2中，对所述导电薄膜切割时采用离子束切割、紫外曝光或电子束曝光及刻蚀工艺进行。
可选地，在S2中，所述非封闭二维通透结构的形状根据最终制作三维器件的需求选择；
所述非封闭二维通透结构可以是四腿风车形状结构、三腿形风车形状结构、复合弧形结构中的任意一种。
可选地，在S3中，所述三维曲面微纳结构具有连续变化的曲面和三维扭曲特征。
可选地，在S3中，采用离子束对所述非封闭二维通透结构进行整体辐照，以使得扫描覆盖的导电薄膜区域发生变形，所述非封闭二维通透结构的各个部分在分别变形的同时相互关联、相互作用，进而带动整个图案在向上拱起的同时形成扭曲形变，以实现纳米剪纸的“拉花”步骤，形成几何结构丰富的悬空的三维曲面微纳结构。
本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，提供了一种通过实施纳米剪纸形成三维曲面偏振旋转器的加工方法。该方法操作简单，将传统拉花剪纸工艺扩展到微纳加工领域，先“剪裁”后“拉花”，使三维微纳器件各个子部件之间相互关联，属于一种闭环的制备工艺，即通过闭环形成的应力平衡来实现更为丰富和复杂的三维曲面微纳结构器件。
本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，与现有的开环的离子束辐照制备技术相比，本发明能够以易于实现的闭环工艺，通过整体辐照，可重复地制作具有丰富和复杂形貌的、其他微纳制备方法所不能实现的三维曲面偏振旋转器。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法的制备示意图；
图2是根据本发明的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法的流程示意图；
图3是根据本发明的一种偏振旋转器的工作效果示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法的制备示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例的一种三维微纳结构的制备方法的制备示意图。
具体实施方式
本发明的发明人通过对现有技术中利用离子束辐照控制薄膜形变来制备三维结构的工艺进行深入研究，发现：现有技术中利用离子束辐照控制薄膜形变来制备三维结构的工艺，均是采用树形即开环式的制备流程，各个子结构之间均为线性链接，得到的三维微纳结构形貌简单，无法实现丰富的三维微纳结构制备，使其不能够用于制备譬如三维自由曲面的偏振旋转器，限制了其在更为广阔的微纳光电领域的应用。
因此，针对这一发现，提出了一种通过实施纳米剪纸形成三维曲面偏振旋转器的加工方法，通过将传统拉花剪纸工艺扩展到微纳加工领域，先“剪裁”后“拉花”，使三维微纳器件各个子部件之间相互关联，属于一种闭环的制备工艺，即通过闭环形成的应力平衡来实现更为丰富和复杂的三维曲面微纳结构器件。
图1是根据本发明的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法的制备示意图。图2是根据本发明的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法的流程示意图。图3是根据本发明的一种偏振旋转器的工作效果示意图。图4是根据本发明的一个实施例的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法的制备示意图。下面结合图1-图4对本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法进行详细说明。
具体地，本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，一般性地，可以包括以下步骤：
S1，制备一悬空的导电薄膜；
S2，对所述导电薄膜切割，得到至少一个导电薄膜构成局部连接的、多条非接触曲线构成的非封闭二维通透结构；
S3，采用离子束对非封闭二维通透结构所在的区域进行帧扫描式的整体辐照，以形成拱起及扭曲的三维曲面微纳结构，即得到构成偏振旋转器的三维曲面结构单元；
S4，将三维曲面结构单元按预定的周期排列，以得到偏振旋转器。
具体地，在S1中，提供一个具有平坦表面的悬空导电薄膜作为纳米剪纸的对象。导电薄膜2为表面平坦的、中间悬空、四周支撑的导电薄膜。如图1所示，基底1上覆盖有导电薄膜2。导电薄膜2悬空形成在具有窗口的基底1上，导电薄膜2四边被基底1的窗口支撑。
其中，窗口支撑的悬空导电薄膜2可以是对介质膜材料进行金属镀膜形成的复合薄膜，如对市售的氮化硅窗口进行热蒸发镀金膜，也可以是利用微纳加工工艺将介质膜去除之后获得的纯金属薄膜。在一个具体的实施方式中，导电薄膜2为金、银、铜、铝、镍、钛、铬中的一种或多种。
在S2中，在导电薄膜2的上采用离子束切割，“剪裁”形成一个具有预定图案的器件单元。离子束的种类可以是聚焦离子束或者宽束离子束。离子束中离子的能量大于500电子伏特。在其他实施例中，也可以采用紫外曝光/电子束曝光工艺获得非封闭曲线图形，并利用刻蚀工艺获得多条非接触曲线构成的非封闭通透结构3。图1所示的在导电薄膜2层上形成的非封闭通透结构3的形状为一个四腿风车形的预定图案。
在本发明的一个优选实施例中，选取金薄膜厚度为80nm。如果导电薄膜2的厚度太大，会导致薄膜弹性应力过大而无法形成器件。相反，如果导电薄膜2的厚度太小，则会导致形变过大，使器件变形。形成在导电薄膜2上的预定图案(即非封闭二维通透结构3的形状)并不局限于四腿风车形结构，也可以根据最终制作三维器件的需求选择所需的形状。如预定图案还可以是三腿形风车结构、复合弧形结构等其它形状结构。根据所设计预定图案的形貌的不同，最终形成三维曲面微纳结构的变形方向也不同。例如如图5所示，在悬空的80nm金薄膜上形成的一个网状结构的微纳器件，其器件从薄膜平面向下翻转。
在S3中，采用离子束对S2中形成的非封闭二维通透结构3进行整体辐照，即帧扫描，以使得扫描覆盖的导电薄膜区域发生变形，非封闭二维通透结构3的各个部分在分别变形的同时又相互关联、相互作用，进而带动整个图案在向上拱起的同时形成扭曲形变，实现纳米剪纸的“拉花”步骤，从而形成几何结构丰富的悬空的三维曲面微纳结构4。这也是本发明的发明人通过对现有技术中利用离子束辐照控制薄膜形变来制备三维结构的工艺进行深入研究时发现的闭环纳米剪纸技术的基本原理。三维曲面微纳结构4具有连续变化的曲面和三维扭曲特征，能够为微纳器件带来新颖的特性。
在S4中，将三维曲面微纳结构4构成的三维曲面结构单元按照一定的周期进行排列，可以构成偏振旋转器5。即入射电磁波通过该偏振旋转器5后，偏振方向会被旋转一个角度。如图3所示，其中，11为入射光的偏振方向，12为偏振旋转角，13为出射光的偏振方向，14为光的传播方向。
在S4中，将三维曲面微纳结构4构成的三维曲面结构单元按照一定的周期进行排列，可以是在S2中即在悬空导电薄膜2上切割出按照一定的周期进行排列的非封闭二维通透结构3，然后再对按照一定的周期进行排列的非封闭二维通透结构3进行整体辐照变形，使其直接形成按照一定的周期进行排列的三维曲面微纳结构4，从而制备出本发明的三维曲面偏振旋转器5。在非封闭二维通透结构3进行整体辐照变形时，由于离子束对形成的非封闭二维通透结构3的导电薄膜2整体进行辐照，非封闭二维通透结构3在离子束辐照作用下，由于其自身受到的应力和局部连接的、多条非接触曲线导致的形状的限定，使得其各个部分在分别变形的同时又相互关联、相互作用，进而带动整个图案在向上拱起的同时形成扭曲形变，实现纳米剪纸的“拉花”步骤，从而形成几何结构丰富的悬空的三维曲面微纳结构4，而无需像现有技术中制备简单的三维金属结构一样，以采用变化强度的局部离子束辐照分别控制金属悬臂结构各部分的形变量。在一个具体的实施方式中，窗口支撑的悬空导电薄膜2是纯金属薄膜。在其它未示出的实施例中，悬空导电薄膜2还可以是对介质膜材料进行金属镀膜形成的复合薄膜，如对市售的氮化硅窗口进行热蒸发镀金膜。
本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，与现有的开环的离子束辐照制备技术相比，本发明能够以易于实现的闭环工艺，通过整体辐照，可重复地制作具有丰富和复杂形貌的、其他微纳制备方法所不能实现的三维曲面偏振旋转器。该偏振旋转器5工作于1.5微米光通讯波段，厚度只有400～500nm，偏转效率达到200，000度/毫米，是一种超薄的偏振旋转器。
本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，提供了一种通过实施纳米剪纸形成三维曲面偏振旋转器的加工方法。该方法操作简单，将传统拉花剪纸工艺扩展到微纳加工领域，先“剪裁”后“拉花”，使三维微纳器件各个子部件之间相互关联，属于一种闭环的制备工艺，即通过闭环形成的应力平衡来实现更为丰富和复杂的三维曲面微纳结构器件。
本发明提供的一种通过纳米剪纸形成偏振旋转器的制备方法，与现有的开环的离子束辐照制备技术相比，本发明能够以易于实现的闭环工艺，通过整体辐照，可重复地制作具有丰富和复杂形貌的、其他微纳制备方法所不能实现的三维曲面偏振旋转器。
下面结合更具体的实施例进行详细说明。
步骤1：在厚度为500微米的硅衬底上旋涂一层紫外光刻胶S1813，旋涂转速为4000r/分钟，然后将硅衬底置于115℃热板上烘烤2分钟使溶剂挥发。
步骤2：在敷涂有光刻胶硅衬底上通过电子束蒸发沉积厚度为80纳米厚的金薄膜层。
步骤3：将生长有80纳米金薄膜的衬底浸泡在丙酮中24小时，使光刻胶S1813充分溶解，金膜从硅衬底表面脱落，漂浮于丙酮溶液中。
步骤4：用镊子夹住商用TEM网栅，将漂浮于溶液中的金膜捞起，在氮气环境下吹干，即得到了悬空的导电薄膜2。
步骤5：利用聚焦离子束在步骤4得到的悬空导电薄膜2上切割出具有预定图案的多条非封闭非接触曲线通透结构。离子种类为Ga+，加速电压为30kV，离子束流大小为24pA，扫描剂量600pC/μm2。
步骤6：利用聚焦离子束对步骤5得到的悬空的非封闭曲线通透结构进行整体帧扫描，悬空结构向上拱起，同时由于各子结构之间的相互作用而发生扭曲，从而形成最终的悬空的三维曲面微纳结构4。离子束流大小为24pA，扫描剂量40pC/μm2。
在上述步骤5中，可以在导电薄膜2上形成多个器件单元，即可以由多个器件单元在导电薄膜2的表面上形成三维曲面偏振旋转器阵列。图4为在悬空的80nm金薄膜上形成的偏振旋转器的扫描电子显微镜照片。当结构单元的大小为1.1微米，高度为380nm，周期为1.45微米时，实验测得在1.7微米处偏振旋转的角度达到90度，偏振旋转效率达到了200000度/毫米。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。