专利摘要

本发明公开了一种制备一元或二元图案化胶体光子晶体的方法。本发明在图案化的基底上生长胶体光子晶体薄膜，然后通过超声震荡选择性地剔除整个胶体光子晶体薄膜的非图案部分就得到一元图案化胶体光子晶体。在疏水化的图案化胶体光子晶体基础之上，继续沉积另一种胶体光子晶体就可以得到二元图案化胶体光子晶体。本发明提供的方法简单易行，可大面积制备最高图案精度可达10微米以下的任意图案的一元及二元胶体光子晶体。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备一元或二元图案化胶体光子晶体的方法。

背景技术

光子晶体(Photonic Crystal)，又称光子带隙材料，它是由至少两种不同介电常数的材料周期性地排列而形成的一种在特定方向上具有光子带隙的复合材料。这种特殊微观结构使得光子晶体能够选择性地反射或局域特定波长(频率)的电磁波，因此也被成为光的半导体，这也使得它在光学器件、激光、传感乃至通讯领域具有广泛的应用前景。

传统制备光子晶体的方法主要包括“自上而下法(Top-Down)”和“自下而上法(Bottom-Up)”。前者主要是利用微电子加工等方法得到可精确控制的周期性结构，耗时长、成本高；后者主要是将胶体颗粒组装得到结构有序的三维胶体晶体，成本低，操作简便，但是结构可控性较差。为此常有研究人员将两者结合起来，用微加工的模版来诱导胶体颗粒组装形成特殊结构的胶体光子晶体(Colloidal Photonic Crystal)。

制备可设计图案的光子晶体，是其由单一材料走向复杂器件的关键一步。通常制作图案化光子晶体往往是在一个图案化的基底上，利用化学或者物理的模板作用来限制生长胶体光子晶体。前者主要是在基底上首先修饰一层图案化的亲水或者疏水的分子，差异化不同区域浸润性。在毛细管力的驱动下，胶体晶体更趋向于在亲水区域组装形成胶体晶体，这样在整个基板上就形成图案化的胶体光子晶体(Adv.Mater.2003，15，1025；Langmuir 2005，21，11588)。然而，在这些独立亲水区域内形成的光子晶体在厚度和取向上很难得到一致。后者主要是在基底上通过物理刻蚀的方法形成一些孔道，在这些孔道的物理限制之下，毛细管力的驱动使得胶体颗粒组装形成图案化的光子晶体(Adv.Funct.Mater.2009，19，1247；J.Mater.Chem.2009，19，1964；Soft Matter2009，5，1129)。然而这些图案化基底的制备过程较为复杂，成本相对较高，从而限制了其应用范围。因此，大批量、低成本地制作图案化光子晶体是光子晶体真正实现器件化的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备一元或二元图案化胶体光子晶体的方法。

本发明提供的制备一元图案化胶体光子晶体的方法，包括如下步骤：

1)在图案化基底上制备一层铬层，再在所述铬层上制备一层铜层或金层后，将基底插入到含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液中进行烘干，在所述图案化基底的铜层或金层表面得到一元图案化胶体光子晶体薄膜；

2)在所述步骤1)所得基底浸入溶剂中进行超声，超声完毕后在所述基底表面得到所述一元图案化胶体光子晶体。

上述方法的步骤1)中，构成所述图案化基底的材料为玻璃或硅片；所述铬层的厚度为2-10纳米，优选2纳米，所述铜层或金层的厚度为20-50纳米，优选20纳米；所述含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液中，所述二氧化硅微球和聚苯乙烯微球的体积百分含量为0.08-0.2％，优选0.1％，所述二氧化硅微球的粒径为180-350纳米优选290nm，分散度为2％-5％，优选2％，所述聚苯乙烯微球的粒径为200-400纳米，优选250nm，分散度为2％-5％，优选2％；所述一元图案化胶体光子晶体薄膜的厚度为1-3微米，优选2微米；烘干步骤中，温度为55-65℃，优选65℃；制备所述铬层、铜层和金层的方法均为真空蒸镀法，所述真空蒸镀法中，真空度为10^-2-10^-4Pa，优选10^-3Pa。

该步骤中，铬层的作用是作为粘附层，其作用是有利于后续胶体光子晶体的整体剥离；所用图案化基底是将玻璃或硅片按照各种常规方法进行图案化处理，如可为在洁净亲水的玻璃或硅片基底上旋涂一层光刻胶，经过掩模曝光刻蚀可以得到图案化的光刻胶基底。

此外，在几十纳米到几微米尺度范围内得到单分散的球形胶体颗粒是组装获得胶体光子晶体的关键。该步骤所用二氧化硅微球是按照下述文献中提供的 方法制备而得：J.Colloid.Interface Sci.1968，26，62，其具体方法为：在250ml单口反应瓶中依次加入120ml乙醇，8ml氨水，5ml高纯水，待混合均匀且混合液温度恒定后(温度范围20-35℃，优选28℃)，加入7ml的正硅酸乙酯(TEOS)，搅拌速率恒定为600r/min，连续反应12个小时后即可停止反应。将产物反复离心洗涤5次，真空干燥后即可得到单分散的二氧化硅胶体微球。聚苯乙烯微球是按照下述文献中的方法制备而得：Colloid Polym.Sci.1979，257，61，其具体方法为：在250ml三口烧瓶中加入100ml水和1.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，混合均匀。然后密封装置通入氮气，40分钟后，加入苯乙烯单体10.5ml，升温至60℃，再加入引发剂偶氮二异丁基脒盐酸盐0.26g。继续升温并恒定在70℃，搅拌速率为400r/min，反应24小时后停止加热。待温度降至40℃以下后停止反应，用高纯水反复离心洗涤数次就可以得到单分散的聚苯乙烯微球。所述基底插入到含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液中进行烘干步骤中，二氧化硅微球或聚苯乙烯微球在该烘干步骤中进行对流自组装(Chem.Mater.1999，11，2132)。

所述步骤2)中，所述溶剂选自乙醇和丙酮中的一种，当步骤1)中所用为二氧化硅微球时，优选丙酮；当步骤1)中所用为聚苯乙烯微球时，优选乙醇；所述浸泡步骤中，时间为5-10分钟，优选10分钟；超声步骤中，功率为150-250W，优选250W，时间为2-10秒，优选2秒。

该步骤中，将生长好的一元图案化胶体光子晶体薄膜浸入溶剂中进行短时间的超声(＜10s)，基底上留下的光刻胶薄膜就会带着附着其上的光子晶体一起脱落，而在具有铬粘附层的区域则保留在硅基底上形成光子晶体图案。该步骤的关键也是难点在于严格控制超声强度和时间，超声太强容易把图案区域的光子晶体微结构给破坏掉，太弱则无法有效除去非图案区域，不能得到清晰准确的图案化光子晶体。

本发明提供的制备二元图案化胶体光子晶体的方法，包括如下步骤：

1)在图案化基底上制备一层铬层，再在所述铬层上制备一层铜层或金层后，将基底插入到含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液中进行烘干，在所述图案化基底的铜层或金层表面得到一元图案化胶体光子晶体薄膜；

2)将所述步骤1)所得一元图案化胶体光子晶体薄膜用硅烷偶联剂进行疏水修饰，得到表面具有疏水特性的一元图案化胶体光子晶体薄膜；

3)在所述步骤2)所得基底浸入溶剂中进行超声，超声完毕后得到表面具有一元图案化胶体光子晶体的基底，将所述表面具有一元图案化胶体光子晶体的基底插入到含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液中进行烘干，得到所述二元图案化胶体光子晶体。

所述步骤1)中，构成所述图案化基底的材料为玻璃或硅片；所述铬层的厚度为2-10纳米，优选2纳米，所述铜层或金层的厚度为20-50纳米，优选20纳米；所述含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液中，所述二氧化硅微球和聚苯乙烯微球的体积百分含量为0.08-0.2％，优选0.1％，所述二氧化硅微球的粒径为180-350纳米，优选280nm，分散度为2％-5％，优选2％，所述聚苯乙烯微球的粒径为200-400纳米，分散度为2％-5％，优选2％；所述一元图案化胶体光子晶体薄膜的厚度为1-3微米，优选2微米；烘干步骤中，温度为55-65℃，优选65℃；制备所述铬层、铜层和金层的方法均为真空蒸镀法，所述真空蒸镀法中，真空度为10^-2-10^-4Pa，优选10^-3Pa；

所述步骤2)中，所述疏水修饰步骤中，所述硅烷偶联剂选自十六烷基三氯硅烷和十七氟代癸基三氯硅烷中的一种，优选十六烷基三氯硅烷(OTS)；疏水修饰方法为气相沉积法，所述气相沉积法中，温度为100-130℃，优选120℃，真空度为1000-6000Pa，优选3000Pa，时间为1-3小时，优选2小时；

所述步骤3)中，所述溶剂选自乙醇和丙酮中的一种，当步骤1)中所用为二氧化硅微球时，优选丙酮；当步骤1)中所用为聚苯乙烯微球时，优选乙醇；所述含有二氧化硅微球或聚苯乙烯微球的水分散液可与步骤1)中所用水分散液相同或不同，具体可根据实际需要进行选择，所述步骤3)所用该水分散液中，所述二氧化硅微球和聚苯乙烯微球的体积百分含量为0.08-0.2％，优选0.1％，所述二氧化硅微球的粒径为180-200纳米，分散度为2％-5％，优选2％，所述聚苯乙烯微球的粒径为200-400纳米，分散度为2％-5％，优选2％；浸泡步骤中，时间为5-10分钟，优选10分钟；超声步骤中，功率为150-250W，优选250W，时间为2-10秒，优选2秒。

该步骤中，由于利用毛细管力驱动的一元图案化胶体光子晶体只会在亲水区域生长，因而其只会选择性地在非图案区(亲水性区域)上继续生长，从而得到了二元图案化的胶体光子晶体。

按照上述方法制备而得的一元和二元图案化胶体光子晶体，也都属于本发明的保护范围。

本发明基于集成电路的制备技术来制备图案化光子晶体，通过图案区和非图案区基底材料和胶体光子晶体的物理黏附力不同，较容易地选择性剔除去整块光子晶体中非图案区的部分，以此方法重复地制备得到了具有厚度和取向均一性的图案化光子晶体。该方法操作简单易行，可低成本、可重复、大面积地制备图案化胶体光子晶体，图案分辨率可达10μm。本方法适用于目前制备光子晶体所常用的SiO₂和聚合物材料，制备出的图案化光子晶体厚度和取向均一，且可以进一步制备二元或多元光子晶体。本发明所提供的方法在集成光路、光信息和光子计算等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的样品1^#的光学显微镜图像(a，b)，扫描电子显微镜图像(c，d)，及反射光谱(e)。

图2为实施例2制备的样品2^#的光学显微镜图像(a)，扫描电子显微镜图像(b，c)，及反射光谱(d)。

图3为实施例3制备的样品3^#的光学显微镜图像与扫描电子显微镜图像。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明，均为常规方法。所述材料如无特别说明，均能从公开商业途径购买得到。

实施例1

1)在洁净亲水的硅片基底上旋涂一层厚度为2微米的光刻胶，所用光刻胶为安智9918，经过掩模、曝光(时间为3秒)和用10毫升丙酮进行刻蚀后，得到图案化的基底，在该图案化基底上用真空蒸镀法(真空度为10^-3Pa)制备一层厚度为2纳米的铬层，再在铬层上用真空蒸镀法(真空度为10^-3Pa)制备一层厚度为20纳米的铜层后，将基底插入到含有单分散250nm聚苯乙烯微球的水分散液(聚苯乙烯微球的体积百分含量为0.1％，分散度为3％)中于65℃恒温烘干，即在基底表面得到厚度为2微米的一元图案化胶体光子晶体薄膜；

2)将步骤1)所得基底浸泡于乙醇溶剂中10分钟后，在250W的超声功率下超声2秒钟，使得非图案区域剥离，得到一元图案化胶体光子晶体。

所得图案化PS胶体光子晶体(编号1^#)的光学显微镜以及扫描电子显微镜图像示于图1中，由图可见，采用本发明的制备方法得到的图案化PS胶体光子晶体具有良好的图案分辨效果和鲜艳的光学色彩。

实施例2

1)在洁净亲水的硅片基底上旋涂一层厚度为2微米的光刻胶，所用光刻胶为安智9918，经过掩模、曝光(时间为3秒)和用10毫升丙酮进行刻蚀后，得到图案化的基底，在该图案化基底上用真空蒸镀法(真空度为10^-3Pa)制备一层厚度为2纳米的铬层，再在铬层上用真空蒸镀法(真空度为10^-3Pa)制备一层厚度为20纳米的铜层后，将基底插入到含有单分散290nm二氧化硅微球的水分散液(二氧化硅微球的体积百分含量为0.1％，分散度为5％)中于65℃恒温烘干，即在基底表面得到厚度为2微米的一元图案化胶体光子晶体薄膜；

2)将步骤1)所得基底浸泡于丙酮溶剂中10分钟后，在250W的超声功率下超声2秒钟，使得非图案区域剥离，得到一元图案化胶体光子晶体。

所得图案化SiO₂胶体光子晶体(编号2^#)的光学显微镜以及扫描电子显微镜图像示于图2中，由图可见，采用本发明的制备方法得到的图案化SiO₂胶体光子晶体具有良好的图案分辨效果和鲜艳的光学色彩。

实施例3

1)在洁净亲水的玻璃基底上旋涂一层厚度为2微米的光刻胶，所用光刻胶为安智9918，经过掩模、曝光(时间为3秒)和用10毫升丙酮进行刻蚀后，得到图案化的基底，在该图案化基底上用真空蒸镀法(真空度为10^-3Pa)制备一层厚度为2纳米的铬层，再在铬层上用真空蒸镀法(真空度为10^-3Pa)制备一层厚度为20纳米的铜层后，将基底插入到含有单分散280nm二氧化硅微球的水分散液(二氧化硅微球的体积百分含量为0.1％，分散度为2％)中于65℃恒温烘干，即在基底表面得到厚度为2微米的一元图案化胶体光子晶体薄膜；

2)将步骤1)所得一元图案化胶体光子晶体薄膜用硅烷偶联剂OTS进行气相沉积(真空度为3000Pa、沉积温度为120℃，时间为2小时)的方法进行疏水修饰，得到表面具有疏水特性的一元图案化胶体光子晶体薄膜；

3)将步骤2)所得基底浸泡于丙酮溶剂中10分钟后，在250W的超声功率下超声2秒钟，使得非图案区域剥离，得到一元图案化胶体光子晶体A，将含有该一元图案化胶体光子晶体A的基底插入到含有粒径为245nm的二氧化硅微球的水分散液(该二氧化硅微球的体积百分含量为0.1％，分散度为5％)中于65℃恒温烘干，得到二元图案化胶体光子晶体B，这样就可以得到同时含有两种不同种类(A和B)的二元图案化的胶体光子晶体。

所得二元图案化SiO₂胶体光子晶体(编号3^#)的光学显微镜以及扫描电子显微镜图像示于图3中，由图可见，采用本发明的制备方法得到二元图案化SiO₂胶体光子晶体具有良好的图案分辨效果和鲜艳的光学色彩对比度，与此同时，两种SiO₂胶体光子晶体(A和B)的表面对水的浸润性具有较大的差别。

一种制备一元或二元图案化胶体光子晶体的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。