红外探测器100%占空比的方形孔径球面微透镜阵列的研制

为了避免由于红外探测器焦平面阵列存在占空比导致系统光能损失的影响,设计并制作了一种100%占空比、球面矢高8μm、周期50μm的红外石英方形孔径球面微透镜阵列。应用非序列光学分析方法模拟并分析了微透镜周期结构占空比对光能利用率的影响。运用移动掩膜曝光技术和反应离子刻蚀技术制备微透镜阵列,通过显微镜和白光干涉仪对微透镜表面形貌进行表征,并分析了其面形误差。根据实验结果判断射频功率、工作气压及刻蚀气体流量工艺参数对微透镜形貌具有很大影响,经过分析确定了最佳工艺参数组合。测试结果表明:在最佳工艺参数组合条件下制作的微透镜占空比基本达到100%,红外焦平面光能效率从原来的65%提升到93%以上,说明方形孔径球面微透镜能够代替传统圆形孔径微透镜获得更高的光能利用率。     

Si衬底表面圆柱孔形抗反射周期微结构的设计及制造

在本征硅片表面设计并制作了一种圆柱孔形抗反射微结构。基于严格耦合波分析方法,通过数值计算及模拟仿真确定了微结构最优参数组合,设计反射率小于3%。应用二元曝光、湿法腐蚀和反应离子刻蚀技术制作了单面和双面抗反射周期阵列微结构。根据测试结果判断反应气体流量、射频功率及工作气压等工艺参数对微结构形貌及侧壁陡直度具有很大影响,经过实验分析确定了最佳工艺参数组合。采用热场发射扫描电子显微镜和白光干涉仪对该结构进行形貌表征,利用显微成像红外光谱仪对其反射率进行测量。最终结果表明,相比于单面微结构和无结构本征硅片,双面微结构抗反射效果最好,得到反射率为8%左右,基本达到抗反射设计要求。     

聚合物表面纳米蛾眼结构的紫外压印制备工艺及抗反射性能

利用滚对平板(RTP)紫外纳米压印工艺在聚合物薄膜表面成功制备出大面积蛾眼纳米结构。通过原子力显微镜观测,可以看出蛾眼纳米结构在聚合物表面排布比较规整,呈乳状凸起阵列排布。蛾眼结构波峰高度复制率可以达到95.2%,表面微结构填充完整,复制效果良好。与单层镀膜(AR-coating)抗反射材料相比,抗反射蛾眼结构反射率测试结果在可见光波段(380~760nm)反射率平均降到3%。视角在110°左右可见光平均反射率为7%。     

一种大面积二维石英纳米结构制备的工艺研究

介绍一种采用紫外(363.8nm)激光干涉光刻得到大面积二维纳米点阵结构的方法,该技术具有操作简单、光路搭建成本低、可以大面积加工微纳图形结构等优点;并利用等离子体刻蚀传递,获得周期为200nm的二维石英纳米点阵结构。通过光刻工艺与反应离子束刻蚀工艺的优化,得到加工二维石英点阵的最优制备工艺。利用扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)对制备二维纳米图形结构进行表征与分析,并利用紫外可见光分光光度计对制备的二维点阵结构图形进行紫外透过率测试,发现加工的二维结构在365nm处的透过率仍大于90%,符合紫外固化纳米印掩模板对紫外光高透过率的要求。     

纳米金属银、铜辅助化学刻蚀制绒金刚线切割多晶硅的研究

以金刚线切割多晶硅为原料,研究不同纳米金属催化剂(银、铜)辅助化学刻蚀对纳米结构引入及多晶硅片表面制绒效果的影响。研究结果表明:不同纳米金属物种诱导刻蚀对硅片表面形貌结构的影响巨大,相比于纳米银辅助刻蚀形成的硅纳米线阵列结构而言,纳米铜辅助刻蚀形成的倒金字塔结构在各方面的性能均比较突出,大面积微尺度的倒金字塔阵列结构可以更完美地融合表面低反射率和钝化不佳之间的矛盾,且硅片表面切割纹去除效果明显。当金属铜辅助化学刻蚀制绒15 min时,倒金字塔结构最规则、均匀,且在300~1 100 nm波段范围内,反射率由原片的41.8%降低至5.8%。同时倒金字塔形貌具有优越的减反效果和去除切割纹能力,使得制绒金刚线切割多晶硅片有望用来制备高效率的太阳能电池。     

微透镜列阵浮雕深度控制的新方法

在对材料光刻阈值特性进行研究的基础上,提出了一种可有效克服材料非线性特性影响,提高微透镜浮雕深度的新方法——基底曝光法。在曝光之前,对抗蚀剂整体施加一定量的曝光,提升抗蚀剂刻蚀基面。该方法可制作出面形均方根误差小于3%的微透镜阵列。     

ICP深硅刻蚀工艺研究

感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术是微机电系统器件加工中的关键技术之一.利用英国STS公司STS Multiplex刻蚀机,研究了ICP刻蚀中极板功率、腔室压力、刻蚀/钝化周期、气体流量等工艺参数对刻蚀形貌的影响,分析了刻蚀速率和侧壁垂直度的影响原因,给出了深硅刻蚀、侧壁光滑陡直刻蚀和高深宽比刻蚀等不同形貌刻蚀的优化工艺参数.     

FBG光纤的飞秒激光刻蚀特性及传感应用

在布拉格光栅（FBG）光纤的包层中制作微槽,结合敏感材料提高了FBG光纤传感器的灵敏度,拓宽了其传感应用领域。利用飞秒（fs）激光对I型布拉格光栅光纤进行刻蚀,通过调节激光功率和辐照时间,分析光纤折射率变化以及光纤表面和内部结构的刻蚀特性,并探讨fs激光对光纤光栅微沟槽形貌和反射光谱的影响。实验结果表明,微槽表面由于碎屑的凝固而产生许多柱状结构,且随着激光能量的增加,柱状结构不断长大,槽深和形状服从高斯能量分布;随着激光功率和辐照时间的增加,反射率谱永久红移,带宽增加。利用微结构光纤增敏性能,有效提高微结构光纤光栅磁场探头和氢气探头的传感性能。     

电流密度对微/纳结构电铸成型模芯质量的影响

利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics,模拟微/纳结构电铸过程中阴极表面的电场分布,研究不同电流密度下微/纳结构表面的电场分布及电铸层生长前沿情况。仿真结果表明:采用较低的初始电流密度,可有效改善微/纳结构生长前沿铸层厚度的均匀性。选用纳米光阑和纳米柱阵列2种微/纳结构母板进行电铸实验,将初始电流密度从4A/dm2调至1A/dm2,纳米光阑母板成型最大误差60nm降至±20nm之内。通过合理设置初始电流密度、增强阴极表面溶液流动强度等措施,纳米柱阵列模芯特征直径尺寸误差由6.27%下降至2.49%,有效提高电铸模芯的复制质量。     

基于AFM氮化硅探针刻蚀方法制作聚碳酸酯纳米光栅

基于原子力显微镜(AFM)探针的纳米机械刻蚀技术以其成本低、分辨率高的优势被广泛应用于各种纳米元器件的制造中.为了得到最优的光栅结构,首先通过单次刻蚀实验定量分析了刻蚀方向、加载力和刻蚀速率等3个主要加工参数对所得纳米沟槽形貌和尺寸的影响,给出了普通氮化硅探针对聚碳酸酯(PC)的加工特性及加工效率.然后通过改变沟槽间距(100~500 nm)得到了不同周期的纳米光栅结构,并确定了这种探针与样品的组合对间距的要求及最佳加工参数:沿垂直于微悬臂长轴向右刻蚀,加载力2.3μN,刻蚀速率2.6μm/s.最后利用该技术对实验室已有原子光刻技术所得周期为213 nm的一维Cr原子光栅结构进行了复制加工,得到了均匀的213 nm一维光栅,证明这种基于AFM探针的纳米机械刻蚀技术可被广泛应用于纳米加工.     

光子晶体光热调控研究

光和热是人类生存的必需条件,合理调控光与热不仅能使人类的生活更加便利,还可以解决探索太空亟需的难题。以光子晶体为代表的微纳结构,可赋予材料本身所不具备的光学特性,通过对关键材料进行微纳结构化,可以显著提高材料的光热调控性能,满足人类在民生和航天应用的需求。本论文从光热调控原理出发,主要包括4个部分:首先是对构建光子晶体的微球合成、蛋白石结构光子晶体和反蛋白石结构光子晶体的制备以及光谱性能进行简介;其次是介绍以光子晶体为代表的微纳结构在光学特性调控中的应用:光子晶体波段选择性反射的光学特性和仿蛾眼微纳结构的抗反射光学特性;随后依据辐射传热原理介绍微纳结构光热调控在智能热控和智能窗上的应用;并简单介绍国际上热门的微纳结构辐射自制冷的研究;最后结合国内外光热调控的研究现状展望其应用前景。     

全息光刻-离子束刻蚀制作磁性亚微米结构

激光干涉制作亚微米尺寸磁性周期结构中,基底材料具有高反射率,由于垂直驻波的影响,光刻胶浮雕图形侧壁产生"束腰",本文将O2反应离子刻蚀引入到制作工艺中,对光刻胶图形进行修正,获得了很好的效果,具有工艺简单、可控性好等特点。以50nm厚的由磁控溅射生长的Ta/Co0.9Fe0.1/Ta薄膜为基底,采用激光干涉光刻结合离子束刻蚀转移图形的方式,制作出了特征尺寸为330nm Co0.9Fe0.1亚微米周期结构,并采用SQUID的技术对其磁滞回线进行了研究。     

衍射光学元件分析和设计中标量理论的局限性

以衍射光栅为例,用标量理论和严格耦合波理论的对比,分析衍射光学元件各参数对标量理论适用范围的影响。结果表明在光栅周期减小,刻蚀深度增加,光栅折射率增加,光束入射角度增加以及填充因子偏离 50%等情况下,标量理论的误差将逐渐增大,其中光栅周期和刻蚀深度对标量理论的影响较大,光栅周期小到 5 倍波长或者刻蚀深度大到 5 倍波长时,标量理论将不再适用。     

低能斜入射离子束诱导单晶硅纳米结构与光学性能研究

为了研究低能Ar+离子束在不同入射角度下对单晶硅表面的刻蚀效果及光学性能,使用微波回旋共振离子源,对单晶Si(100)表面进行刻蚀,采用原子力显微镜、非接触式表面测量仪和傅里叶变换红外光谱仪对刻蚀后硅片的表面形貌、粗糙度和光学透过率进行了测量.实验结果表明:当离子束能量为1000 eV、束流密度为265μA·cm-2、刻蚀时间为30min时,离子束入射角度从0°增加到30°,样品表面出现条纹状结构.入射角度在0°～15°,随着角度增加,样品表面粗糙度增加,条纹周期减小,光学透过率提高;而在15°～ 30°范围内,随着角度增加,粗糙度开始减小,条纹周期增大,同时光学透过率降低.继续增加入射角度,条纹状结构逐渐消失,入射角度到45°时,粗糙度和光学透过率达到最小值;增加入射角度到55°,样品表面出现自组织点状结构,表面粗糙度急剧增大,光学透过率随着角度增加开始增加;继续增加离子束入射角度到80°,表面粗糙度和光学透过率继续增加,样品表面呈现出均匀有序的自组织柱状结构;此后,随着入射角度的增加,表面粗糙度又开始减小,光学透过率降低.自组织条纹结构到柱状结构的转变是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果.     

电化学刻蚀参数对高阻厚壁宏孔硅阵列表面形貌的影响

采用光电化学刻蚀方法,在电阻率为4～5 kΩ·cm的n-型[100]单晶硅片上制备了厚壁有序宏孔硅阵列。通过对比有限元法模拟诱导坑周围的电场分布,研究了刻蚀参数(电解液、光照、电压)对阵列表面形貌的影响。在刻蚀成孔的过程中,诱导坑对孔的限制受电场分布和实验条件的共同影响,出现刻蚀偏离的现象。模拟结果显示,诱导坑上的电场强度沿着单晶硅的[100]和[110]晶向的分布。这种分布的结果是,随着光照强度的提高和刻蚀溶液表面自由能的降低刻蚀由原光刻图形的(110)面向(100)面偏离。提高刻蚀电压可抑制刻蚀偏离,有利于诱导坑快速刻蚀成孔,从而形成规整的厚壁宏孔硅阵列。     

激光纹理化调控材料表面疏水性能研究进展

超疏水表面由于具有减阻、抗污、防水等独特性能,广泛应用于日常生活、军事、工业等场景,材料表面的微纳结构及化学成分对其超疏水性能有着重要影响。激光纹理化技术由于具有加工分辨率高、加工方式灵活、可加工材料多等优势,可用于制备疏水性能精确可控的表面微纳结构,在制造超疏水表面方面有着广阔的应用前景。首先,介绍了激光纹理化的作用机理,综述了常用的激光纹理化方式,如激光直接写入法、激光干涉图案化法及激光诱导周期性结构法等,并介绍了激光参数对微纳结构的影响。根据表面微纳结构的形貌、周期及尺寸特点对激光纹理化制备的表面分层微纳结构进行了总结归纳,包括覆盖随机纳米结构或激光诱导周期性结构的微沟槽、微网格、微柱及微峰,重点介绍了分层微纳结构的制备方式及微纳结构对疏水性的影响。总结了提高分层微纳结构表面疏水性的后处理方式,包括环境老化、表面化学改性及热处理等,并介绍了后处理方式调控疏水性的作用机理。最后,对采用激光纹理化技术制备超疏水表面的应用前景进行了展望。     

多层增透膜对铒硼硅酸盐玻璃光学性质的影响

玻璃表面由于反射作用会使光能损失.为了减少玻璃表面的反射损失,可以通过在表面镀增透膜来解决.研究了多层增透膜对铒硼硅酸盐玻璃可见光透过率的影响.在理论上比较了不同膜系结构(层数不同)的增透膜对铒硼硅酸盐玻璃的增透效果.采用了六层膜的设计,并对镀膜前后玻璃的反射率和透过率进行了测试,玻璃在可见光区的430nm波段到800m波段的平均反射率从原来的7.5%左右下降到了1%左右,其吸收光谱曲线的最高透过率从未镀膜前的80%左右提高到了97%左右.同时,镀膜后的铒硼硅酸盐玻璃在0.53μm处的透过率仍然保持在0.01%(光密度D0.53=4),而可见光透过率达到了65%,比镀膜前提高了10%左右,玻璃的可视性得到了明显的改善.     

InP/InGaAsP异质结ICP刻蚀表面损伤(英文)

本文详细研究了采用Cl_2/H_2刻蚀气体时,ICP刻蚀系统对InP/InGaAsP材料表面损伤的影响。通过设计特殊结构的InP/InGaAsP多量子阱结构,测量刻蚀区域及非刻蚀区域的光荧光强度的变化,并结合高斯深度分布模型对刻蚀损伤进行定量研究。详细研究ICP刻蚀系统中的压强、ICP功率、RF功率以及Cl_2/H_2刻蚀气体组分对损伤程度的影响。基于这些结果优化得到一组低损伤参数,最终实现刻蚀损伤深度小于16nm。     

基于F-P滤光片的三通道滤光片的设计

以法布里-珀珞滤光片(Fabry-Perot filter)结构为模型进,通过对间隔层干涉级次的计算优化,在理论上得到初步具有三通道特性的滤光片结构;为了进一步减少通道半带宽和提高滤波特性,通过适当提高反射膜的反射率,最终得到一种三个通道半带宽均≤5nm,峰值透过率≥95%的三通道滤光片设计。     

基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺研究

利用光学光刻技术进行多种形状规格聚二甲基硅氧烷(PDMS)微纳敏感结构的并行加工。研究了基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺,并加工出不同形状、、不同大小的PDMS微纳敏感结构。此外,对加工后的PDMS微纳敏感结构薄膜进行表征,观察了不同形状、不同大小的PDMS微纳敏感结构的形貌特征。结果表明:基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺具有加工效率高,加工过程中不需要刻蚀、激光加工等复杂工艺和昂贵设备的特点,并且实现了大批量PDMS微纳敏感结构的并行加工。同时,掩模板上的微纳图案较好地转移到PDMS薄膜上,具有较好的图案曝光成像和图形转移效果。此外,制备的PDMS微纳敏感结构形状较规则、排列整齐,并且不同形状,不同大小的PDMS微纳敏感结构都具有高度一致性较好,侧面轮廓分明,侧壁角接近90°的特征。