[發明專利]一種在材料表面制備微納米尺度周期性或非周期性結構的方法

在審

• 申請號: 201610475697.7
• 申請日: 2016-06-27
• 公開（公告）號: CN107546102A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 黃翀
• 申請（專利權）人: 長沙新材料產業研究院有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L33/00;B81C1/00;G02B1/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 郭立中,蔣尊龍

技術領域

本發明涉及一種在材料表面制備微納米尺度周期性或非周期性結構的方法。

背景技術

金剛石是自然界中硬度最高的材料，作為一種真正意義上的“寶石”，金剛石提供了一系列的獨特性能，包括透光性、熱傳導性、剛性、耐磨性及其電子特性。特別是金剛石的大小和純度達到一定水準時，金剛石的眾多性能特別是光學和半導體性能得到更好的發揮和廣泛的應用。

在襯底材料中，硅和藍寶石是比較常用的襯底材料。70年代起，隨著硅材料的制備工藝和半導體面工藝的不斷改進，硅探測器得到了很快的發展。但在強輻射環境中，硅晶格易受到輻射損傷，使探測器漏電流增加，性能下降。由于熱激發產生的本征導電性是隨溫度按指數增加的，而硅的禁帶寬度較小，因此硅材料制造的器件不適合工作在150℃的環境中。藍寶石襯底在發光二極管芯片制作時具有生產技術成熟、器件質量好、穩定性好、機械強度高等特點。但也存在晶格失配和熱應力失配的問題。藍寶石的導熱性差（100℃約為25W/(m·K)），在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量，特別是對面積較大的大功率器件，導熱性是一個非常重要的考慮因素。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在材料表面制備微納米尺度周期性或非周期性結構的方法，通過在大尺寸高純凈度的基片上采用納米壓印、生長金屬層和等離子體刻蝕等技術制成具有周期結構的材料。通過進一步選擇金剛石作為襯底材料，所制備的具有周期結構的材料，可以用于制備在高輻射條件下的各類反射和透射光柵、光子晶體發光二極管、菲涅爾透鏡等，以及可以應用在醫療、外太空、核電站等在高輻射場所使用的探測器件上。同時，為了拓展具有周期結構的耐輻射金剛石超材料，我們采取了新的制備工藝，降低了制備成本，減少了環境污染同時提高了所得金剛石材料的制品精度。

本發明的技術方案是，提供一種在材料表面制備微納米尺度周期性或非周期性結構的方法，包括以下步驟：

(1) 在襯底上涂覆壓印膠；使用壓印技術將具有周期性或非周期性結構的模板壓印至襯底上后脫模，使壓印膠在襯底表面形成具有周期性或非周期性的凸起；

(2) 在襯底上沉積金屬層，使金屬層僅沉積在所述凸起的表面；

(3) 進行等離子刻蝕；

(4) 將沉積的金屬層及壓印膠從襯底上剝離，得到表面具有周期性或非周期性結構的材料。

進一步地，步驟（1）中，所述壓印技術是指納米壓印技術；所述壓印技術為熱壓印或者紫外光固化壓印技術；優選地，壓印的分辨率小于10nm。

進一步地，步驟（2）中，在沉積金屬前不包含去殘膠的步驟。可選的，在沉積金屬步驟后包含去殘膠步驟。

進一步地，周期性結構是指微米級、納米級別的微觀結構，特別是尺寸小于10nm的結構。

進一步地，步驟（2）中，所述金屬層為Cr層；優選地，所述Cr層的厚度為5-20nm；所述Cr層為電子束蒸發或者磁控濺射等技術生長。

進一步地，步驟（3）中，所述等離子刻蝕為反應等離子體刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕。

進一步地，步驟（1）中，所述襯底為金剛石；優選地，所述金剛石為單晶或者多晶金剛石。

進一步地，所述周期性或非周期性的凸起為矩陣形的、針形的、倒V形的、倒金字塔形或者各種不規則形狀的微米和納米周期性結構的一種或多種。

本發明進一步地提供所述的方法制備的表面具有周期性或非周期性結構的材料。

本發明還進一步地提供表面具有周期性結構的金剛石材料在制備在高輻射條件下的各類反射和透射光柵、光子晶體發光二極管、菲涅爾透鏡中的應用，以及在醫療、外太空、核電站等高輻射場所使用的探測器中的應用。

下面以金剛石為例對本發明做進一步說明：本發明制備一種具有周期結構的耐輻射金剛石超材料，首先在環境條件極端惡劣的輻射領域中，由于具有優異的抗輻射性能，可以作為抗輻射的窗口，如X射線窗口、輻射條件下各類反射和透射光柵、光子晶體發光二極管、菲涅爾透鏡、輻射探測器等。其次，金剛石禁帶寬度為（5.5eV），電阻率高，介電常數小，這些電學性質保證了金剛石作為器件噪聲小，信噪比高。而且由于禁帶寬度大，金剛石從近紫外到紅外范圍幾乎都是透明的，在使用過程中雜散光對金剛石的影響極小。因為帶隙寬，金剛石器件和硅晶體管相比能夠在高得多的溫度下（500℃）工作，在電子應用領域金剛石器件將會替代在惡劣環境中的硅器件。此外，金剛石熱導率高，使得金剛石探測器可以在室溫、甚至高溫下正常工作，不必像硅探測器那樣外加冷卻系統。最后，金剛石的高硬度也使得其具有在使用過程中不易被劃傷損壞這一獨特的優點。