一種微透鏡納米孔混合陣列結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納結(jié)構(gòu)與器件制備和紫外納米壓印光刻加工領(lǐng)域，特別涉及一種微透鏡納米孔混合結(jié)構(gòu)的微納制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微透鏡陣列作為一種非常重要的微納結(jié)構(gòu)化的光學(xué)元器件，具有許多獨(dú)特的光學(xué)特性。通過(guò)精確控制微透鏡分布、焦距、占空比、數(shù)值孔徑等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的擴(kuò)散、整形、聚集及成像等光學(xué)調(diào)制。因此，在焦平面集光、大面積顯示、激光準(zhǔn)直、光計(jì)算、光效率增強(qiáng)及光互聯(lián)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而且，在硬質(zhì)材料(如石英、玻璃等)和軟質(zhì)材料(如聚甲基丙烯酸丁酯、聚碳酸酯等)上制備微透鏡陣列的工藝也日益成熟，如反應(yīng)離子刻蝕法、激光直寫(xiě)法、光刻膠回流法、熱壓印法和灰度掩模法等。然而，正如《Lighttrapping properties of pyramidalIy textured surfaces))(Journal of AppliedPhysics, 1987, 62(1): 243-249) “〈Accurate opto-electrical modeling of mult1-crystalline silicon wafer-based solar cells(Solar Energy Materials and SolarCells, 2014，123: 17-29)等文獻(xiàn)報(bào)道:由于微透鏡陣列的形貌尺度在微米尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)(300 nm?800 nm)，因此微透鏡陣列無(wú)法在廣角寬光譜范圍內(nèi)減少表面光線反射損失。
[0003]亞波長(zhǎng)納米陣列結(jié)構(gòu)具有抑制入射光線反射，在寬波段、寬角度增強(qiáng)光線透射的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因而能提高光學(xué)元件的抗反射特性。然而，正如文獻(xiàn)《Absorpt1n enhancementin ultrathin crystalline silicon solar cells with antireflect1n and light-trapping nanocone gratings))(Nano letters, 2012, 12(3): 1616-1619)等報(bào)道:亞波長(zhǎng)納米陣列不能實(shí)現(xiàn)入射光線的朗伯體散射，而且由于納米陣列尺度在亞波長(zhǎng)尺度(一般小于800 nm)，因此表面機(jī)械性能明顯弱于微透鏡陣列，容易劃傷損壞。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)《TheDry-Style Antifogging Properties of MosquitoCompound Eyes and Artificial Analogues Prepared by Soft Lithography》(AdvancedMaterials , 2007, 19(17): 2213-2217)和《Fabricat1n of Antireflective CompoundEyes by Imprinting》(ACS applied materials & interfaces, 2013, 5(24): 12799-12803)分別給出了各自的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)制備方法，結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是將納米陣列構(gòu)建在微透鏡陣列表面，實(shí)現(xiàn)了納米陣列和微透鏡陣列的結(jié)合，可以在廣角寬光譜范圍內(nèi)減少表面入射光線反射損失。然而他們依然采用聚二甲基硅氧烷軟納米壓印模板，其制備成本較高，不適合大面積工業(yè)化卷對(duì)卷印刷制備。而且，盡管實(shí)現(xiàn)了在微透鏡陣列上構(gòu)建亞波長(zhǎng)納米陣列結(jié)構(gòu)而形成微納混合結(jié)構(gòu)，但是納米陣列結(jié)構(gòu)依然在微透鏡陣列表面，仍然無(wú)法克服表面機(jī)械性能弱，容易劃傷的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種具有制作簡(jiǎn)單，成本低廉，可大面積制作的微透鏡與納米孔陣列相結(jié)合的新光學(xué)結(jié)構(gòu)元器件，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列和納米陣列的光學(xué)特性和機(jī)械性能。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種微透鏡納米孔混合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:
51)利用紫外壓印光刻制作微透鏡陣列；
52)利用紫外納米壓印光刻制作納米陣列；
53)在微透鏡陣列層上涂布一層紫外光固化膠(UV膠)；
54)將上述制備的納米陣列置于上述涂布的紫外光固化膠上；
55)利用所述的納米陣列作為壓印模板，通過(guò)紫外納米壓印和紫外光固化膠的自回流，在微透鏡四周形成微米圓孔陣列，且微米圓孔陣列內(nèi)嵌微米三角形，三角形邊長(zhǎng)范圍為2 μπι?145 Mi，微米圓孔與三角形的間隔區(qū)域呈現(xiàn)納米孔陣列分布，且納米孔陣列的直徑范圍為100 nm?800 nm，槽深范圍為300 nm-70 μπι。
[0007]優(yōu)選的，所述的紫外壓印光刻制作微透鏡陣列，包括步驟:
在凹陷狀微透鏡陣列模板上涂布紫外光固化膠，凹陷狀微透鏡的直徑在5 μπι?150 μπι之間；
在上述涂布紫外光固化膠上覆蓋基底；
施加壓力I?4 bar同時(shí)，在1000 mW/m2紫外光照射下，經(jīng)過(guò)20?30秒后，移開(kāi)基底，在基底上制備出材質(zhì)為紫外光固化膠的微透鏡陣列。
[0008]優(yōu)選的，所述的微透鏡納米孔混合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:
以六官能聚氨酯丙稀酸酯(Six-funct1nal urethane aery late ):娃氧燒環(huán)氧(siloxane epoxy) = l: 1.05的質(zhì)量比混合后，按照1: 1.15的體積比摻入到氨酯丙稀酸酯(UV-curable polyurethane acrylate)中，攪拌均勾后涂布在凹陷納米陣列模板上；在上述涂布的氨酯丙烯酸酯上覆蓋基底；
施加壓力I?4 bar同時(shí)，在1000 mW/m2紫外光照射下，經(jīng)過(guò)10?20秒后，移開(kāi)基底，在基底上制備出材質(zhì)為氨酯丙烯酸酯納米陣列模板，納米陣列槽深在100 nm?500 nm之間。
[0009]優(yōu)選的，在所述的步驟S4)和步驟S5)的時(shí)間間隔為10-50秒。
[0010]優(yōu)選的，在所述的步驟S5)中的紫外納米壓印操作的施加壓力為2?5bar同時(shí)，紫外光光照強(qiáng)度為1000 mff/m2，光照時(shí)間為10?40秒。
[0011]優(yōu)選的，所述的凹陷狀微透鏡陣列可以通過(guò)業(yè)已成熟的制備工藝獲得:如已知的傳統(tǒng)工藝制備，如反應(yīng)離子刻蝕法、激光直寫(xiě)法、光刻膠回流法、熱壓印法和灰度掩模法等。
[0012]優(yōu)選的，所述的凹陷狀納米陣列模板可以通過(guò)業(yè)已成熟的制備工藝獲得:如電子束光刻，激光全息干涉、等離子刻蝕、復(fù)制天然生物樣品和納米壓印等。
[0013]優(yōu)選的，所述的紫外光固化膠的微透鏡陣列和氨酯丙烯酸酯納米陣列模板的基底可以是硬質(zhì)材質(zhì):如石英、鎳和硅片等，也可為柔性材質(zhì):如聚甲基丙烯酸丁酯、全氟聚醚、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和聚氯乙烯等。
[0014]優(yōu)選的，所述的紫外光固化膠的微透鏡陣列分布狀態(tài)可為四邊形、六邊形或環(huán)形。
[0015]優(yōu)選的，所述氨酯丙烯酸酯納米陣列模板可以為周期性、準(zhǔn)周期或隨機(jī)分布狀態(tài)。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是:提供了一種微透鏡納米孔混合陣列結(jié)構(gòu)的新光學(xué)結(jié)構(gòu)元器件制備方法，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列和亞波長(zhǎng)納米陣列的光學(xué)特性和機(jī)械特性。凹陷狀微透鏡陣列模板和凹陷狀納米陣列模板可由傳統(tǒng)已成熟工藝制備，方法靈活多樣。壓印在室溫和常壓下進(jìn)行，適用于工業(yè)化的卷對(duì)平面、卷對(duì)卷納米低成本、批量化制備，且氨酯丙烯酸酯納米陣列模板可多次重復(fù)使用，壓印完成后不需要冷卻，節(jié)省時(shí)間，提尚了效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種具有制作簡(jiǎn)單，成本低廉，可大面積制作的微透鏡與納米孔陣列相結(jié)合的新光學(xué)結(jié)構(gòu)元器件，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列和納米陣列的光學(xué)特性和機(jī)械性能。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種微透鏡納米孔混合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:
51)利用紫外壓印光刻制作微透鏡陣列；
52)利用紫外納米壓印光刻制作納米陣列；
53)在微透鏡陣列層上涂布一層紫外光固化膠(UV膠)；
54)將上述制備的納米陣列置于上述涂布的紫外光固化膠上；
55)利用所述的納米陣列作為壓印模板，通過(guò)紫外納米壓印和紫外光固化膠的自回流，在微透鏡四周形成微米圓孔陣列，且微米圓孔陣列內(nèi)嵌微米三角形，三角形邊長(zhǎng)范圍為
2μπι?145 Mi，微米圓孔與三角形的間隔區(qū)域呈現(xiàn)納米孔陣列分布，且納米孔陣列的直徑范圍為100 nm?800 nm，槽深范圍為300 nm-70 μπι。
[0019]優(yōu)選的，所述的紫外壓印光刻制作微透鏡陣列，包括步驟:
在凹陷狀微透鏡陣列模板上涂布紫外光固化膠，凹陷狀微透鏡的直徑在5 μπι?150 μπι之間；
在上述涂布紫外光固化膠上覆蓋基底；
施加壓力I?4 bar同時(shí)，在1000 mW/m2紫外光照射下，經(jīng)過(guò)20?30秒后，移開(kāi)基底，在基底上制備出材質(zhì)為紫外光固化膠的微透鏡陣列。
[0020]優(yōu)選的，所述的微透鏡納米孔混合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:
以六官能聚氨酯丙稀酸酯(Six-funct1nal urethane aery late ):娃氧燒環(huán)氧(siloxane epoxy) = l: 1.05的質(zhì)量比混合后，按照1: 1.15的體積比摻入到氨酯丙稀酸酯(UV-curable polyurethane acrylate)中，攪拌均勾后涂布在凹陷納米陣列模板上；在上述涂布的氨酯丙烯酸酯上覆蓋基底；
施加壓力I?4 bar同時(shí)，在1000 mW/m2紫外光照射下，經(jīng)過(guò)10?20秒后，移開(kāi)基底，在基底上制備出材質(zhì)為氨酯丙烯酸酯納米陣列模板，納米陣列槽深在100 nm?500 nm之間。[0021 ]優(yōu)選的，在所述的步驟S4)和步驟S5)的時(shí)間間隔為10-50秒。
[0022]優(yōu)選的，在所述的步驟S5)中的紫外納米壓印操作的施加壓力為2?5bar同時(shí)，紫外光光照強(qiáng)度為1000 mff/m2，光照時(shí)間為10?40秒。
[0023]優(yōu)選的，所述的凹陷狀微透鏡陣列可以通過(guò)業(yè)已成熟的制備工藝獲得:如已知的傳統(tǒng)工藝制備，如反應(yīng)離子刻蝕法、激光直寫(xiě)法、光刻膠回流法、熱壓印法和灰度掩模法等。
[0024]優(yōu)選的，所述的凹陷狀納米陣列模板可以通過(guò)業(yè)已成熟的制備工藝獲得:如電子束光刻，激光全息干涉、等離子刻蝕、復(fù)制天然生物樣品和納米壓印等。
[0025]優(yōu)選的，所述的紫外光固化膠的微透鏡陣列和氨酯丙烯酸酯納米陣列模板的基底可以是硬質(zhì)材質(zhì):如石英、鎳和硅片等，也可為柔性材質(zhì):如聚甲基丙烯酸丁酯、全氟聚醚、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和聚氯乙烯等。
[0026]優(yōu)選的，所述的紫外光固化膠的微透鏡陣列分布狀態(tài)可為四邊形、六邊形或環(huán)形。
[0027]優(yōu)選的，所述氨酯丙烯酸酯納米陣列模板可以為周期性、準(zhǔn)周期或隨機(jī)分布狀態(tài)。
[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是:提供了一種微透鏡納米孔混合結(jié)構(gòu)的新光學(xué)結(jié)構(gòu)元器件制備方法，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列和亞波長(zhǎng)納米陣列的光學(xué)特性和機(jī)械特性。凹陷狀微透鏡陣列模板和凹陷狀納米陣列模板可由傳統(tǒng)已成熟工藝制備，方法靈活多樣。壓印在室溫和常壓下進(jìn)行，適用于工業(yè)