[發明專利]一種基于反轉壓印納米成型技術的力響應性光子晶體材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610808124.1
• 申請日: 2016-09-07
• 公開（公告）號: CN106226846B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 王清;張睿;鄭旭;馬立俊;張艷菊;張星遠;杜文全
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司37205
• 代理人: 王連君

技術領域

本發明涉及一種力響應性光子晶體的制備方法，尤其涉及一種基于反轉壓印納米成型技術的力響應性光子晶體材料的制備方法。

背景技術

力響應性光子晶體材料的制備，是將力學性能優異的高彈性凝膠材料填充在納米量級的光子晶體晶格間隙中來完成的。其通過力學的拉伸或壓縮，高彈性聚合網狀結構會連帶著光子晶體晶格間距的增大或減小，導致衍射波長和結構色的變化，實現了將物理形變轉化為光學性能變化的傳感功能。

研究表明，高彈性凝膠與具有納米量級光子晶體結構的粘彈性聚合物復合成的多層結構具有良好的力學響應性能。這種光子晶體既可以提供人的裸眼能夠分辨的顏色變化，又可以實現外界力變化引起的智能顯示，使其在傳感、監測等領域有著廣闊的應用前景，尤其適用于巖土工程、結構工程、防災減災工程及防護工程等領域，可以實現智能傳感、災害監測和可視化監控。

現有技術中，制備光子晶體材料的方法主要有精密機械加工法、膠體自組裝法和激光全息干涉法等。其中，精密機械加工法是通過在基體材料上進行機械鉆孔，利用空氣介質與基體材料的折射率差來獲得光子晶體。

但是，精密機械加工法只能加工微波段的光子晶體，無法制備微米量級、納米量級的光子晶體；并且，精密機械加工法的工藝復雜、造價昂貴。

膠體自組裝法是膠體溶液中的膠體粒子在重力、表面張力等非共價力的作用下自發地從無序結構變成有序的光子晶體結構，該過程需要的時間較長，形成的晶格結構單一，而且層與層之間的錯位、結構坍塌等缺陷較多。因此，膠體自組裝法的制備周期長，制備所得光子晶體的圖案種類少、結構可控性差；

激光全息干涉法是利用光的干涉衍射特性，通過特定的光束組合方式，來調控干涉場內的光強度分布，并用感光材料記錄下來，從而產生光刻圖形。圖形的周期結構受限于激光干涉的強度分布，而且現有激光干涉技術得到的結構周期往往大于激光波長，制備所得光子晶體的結構周期處于微米量級。因此，激光全息干涉法難以制備納米量級的光子晶體。

概括地說，現有的力響應性光子晶體材料的制備方法普遍存在以下缺點或不足：工藝復雜、制備周期長、造價昂貴；并且所制備出的光子晶體精度等級受限、圖案種類少、結構可控性差。

發明內容

本發明的目的是，提供一種基于反轉壓印納米成型技術的力響應性光子晶體材料的制備方法，其具有工藝簡單、制備周期短、模板可重復利用、制備成本低等特點，所制備出的光子晶體精度可達納米量級，周期結構可控。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是，一種基于反轉壓印納米成型技術的力響應性光子晶體材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，石英母模板的制備步驟

取一石英基片，利用電子束光刻技術和反應離子刻蝕技術，按預先設計的光子晶體結構參數，對石英基片進行表面刻蝕，在石英基片的表面上刻蝕出符合所設計的光子晶體結構參數的圖案A，得到帶有圖案A的石英母模板；

第二步，聚二甲基硅氧烷軟模板的制備步驟

1、對上述石英母模板的圖案A進行表面防粘處理，并在圖案A的表面上旋涂一層聚二甲基硅氧烷；

2、將石英母模板及其上的聚二甲基硅氧烷置于真空干燥箱內，在-0.1MPa下進行加壓去氣處理30min；再升溫至120℃，在此溫度下熱烘10min，以使聚二甲基硅氧烷固化；

3、待聚二甲基硅氧烷完全固化后，取出，在室溫下脫模，得到聚二甲基硅氧烷軟模板；此時，聚二甲基硅氧烷軟模板的表面帶有圖案B；

第三步，將高彈性凝膠-粘彈性聚合物復合層附著在硅基片襯底上的制備步驟

1、取硅基片，依次在其表面上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯作為粘結層、一層高彈性凝膠作為填充層；

2、在上述聚二甲基硅氧烷軟模板的圖案B上，旋涂一層粘彈性聚合物作為壓印層；

3、將聚二甲基硅氧烷軟模板的壓印層置于硅基片的填充層上，組裝成壓印試樣，然后，將壓印試樣放入納米壓印機中，進行反向納米壓印，以使粘彈性聚合物與高彈性凝膠粘結成一體；

4、壓印完成后，取出壓印試樣，在室溫下脫模，得到以硅基片為襯底的高彈性凝膠-粘彈性聚合物復合層；此時，粘彈性聚合物的表面上帶有圖案C，該圖案C的形狀、尺寸全等于圖案A；

5、采用反應離子刻蝕技術，將圖案C表面上的殘膠層刻蝕除去；然后，再在圖案C的表面上旋涂一層高彈性凝膠，將圖案C的表面填充并覆蓋，得到以硅基片為襯底的具有光子晶體結構的單層高彈性凝膠-粘彈性聚合物復合層；