[发明专利]一种柔性金属光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米光子材料及器件技术领域，涉及一种柔性金属光子晶体的制备方法。

背景技术

金属光子晶体既是光子晶体的一种重要形式，也同时由于其等离子激元等特殊光物理学特性而成为一种相对独立的纳米光子结构形式。金属光子晶体在光电子技术、传感器技术和光学工程中具有多方面的不可替代的应用价值，而发展成为纳米光子学一个重要的研究领域。这使得金属光子晶体的制备技术突显其重要意义。对于制备技术的要求主要体现在工艺简便、制备面积大、成本低廉、效率高、适于批量生产等方面，从而能够为纳米光子器件的工程化应用提供根本的技术保障。

“柔性化”一直是纳米光子结构功能化的一个重要方面。实现“柔性化”不仅丰富了纳米制备技术和纳米光子结构的形式，更重要的是大大拓展了光子晶体等纳米器件的应用范畴，特别是在通常的平板器件无法使用的应用领域，为柔性器件的发展和应用提供了广阔的发展空间。最直接地，柔性器件可应用于各类应力、形变、位移传感器件，而且可与各类光学、光电子学系统集成，在特殊的空间和形状条件下实现其“等离子激元”和“光子晶体”器件的功能。

目前所采用的柔性化光子晶体制备技术中，纳米压印是唯一较成熟且被广泛采用的制备技术。虽然这种方法可以实现大面积纳米光子结构的制备，但存在制备工艺较复杂，转印过程中引入缺陷，导致重复性和成功率降低，且受材料种类影响较大等问题。特别是纳米压印技术尚未实现金属光子晶体的制备。这样，柔性光子晶体的制备亟需一种工艺简便，成功率高的批量制备技术。

到目前为止还未有制备在柔性衬底上的周期在纳米量级的金属光子晶体。这主要归咎于相关纳米制备工艺涉及的多重挑战。

本发明正是针对上述问题，提出了一种工艺简单、实用，成功率达到100%的周期在纳米量级的金属光子晶体结构大面积、批量制备技术。

发明内容

本发明的核心内容在于实现了制备在玻璃等硬质平板基底上的金属光子晶体完全、无损，且成功率100%地转印到柔性衬底，如PDMS、硅酮胶、玻璃胶材料衬底，获得延展性、弯曲性、柔韧性很好的等离子激元纳米结构周期阵列。

本发明的一种基于柔性衬底的金属光子晶体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在平板基体上制备缓冲层，得到缓冲层基体，在缓冲层上再制备光刻胶(PR)纳米光栅结构(如图1a所示)；

(2)将化学合成的金纳米颗粒(Au NP)在二甲苯中形成胶体溶液，将金纳米颗粒的二甲苯胶体溶液旋涂在步骤（1）光刻胶纳米光栅的表面，在表面张力作用下，金纳米颗粒被限制到光栅凹槽中(如图1b所示)；

(3)将步骤（2）制备的缓冲层基体上的样品在200-450℃（优选350℃）马弗炉中热处理后，使得金纳米颗粒表面的有机配合基升华，金纳米颗粒充分熔融，全部进入光栅凹槽中，并沿光栅凹槽形成连续的金纳米线(如图1c所示)，在缓冲层基体的表面成功制备了金纳米线阵列构成的金属光子晶体；

(4)将混有固化剂的柔性衬底液涂布在步骤（3）制备的金属光子晶体表面，然后上方再盖上另一片缓冲层基体，并使缓冲层面与柔性衬底液接触，在两片缓冲层基体间的两边用硅橡胶垫支撑，以保证获得厚度均匀、可控的柔性衬底(如图1d和图1e所示)；

(5)将步骤(4)中制得的样品在100-120℃加热，完成柔性衬底交联聚合反应，加热时间优选45分钟-1小时；

(6)将步骤(5)获得的样品置于盐酸或硫酸溶液中,使得上下两基体上的缓冲层充分溶解，柔性衬底及其上紧密结合的金属光子晶体彻底地从基体上脱离下来(如图1f所示)；

(7)最后将步骤（6）得到的柔性器件用蒸馏水清洗，去除残存酸液和可能产生的杂质，获得独立的柔性器件(如图1g所示)，完成柔性金属光子晶体的制备。

上述所述的柔性衬底优选PDMS、硅酮胶、玻璃胶材料衬底。缓冲层的材料为溶于盐酸或硫酸的金属、金属氧化物等材料，并能够通过热蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积等工艺过程制备在平板基片上，优选ITO层。

上述的基体采用不溶于盐酸、硫酸等溶液且能经受450℃以下的热处理工艺过程的透明材料，如玻璃、石英。

上述所述的金纳米颗粒替换为其他的适用于不溶于盐酸或硫酸的表面有配位基金属纳米颗粒材料。