基于激光相变热刻蚀效应的微纳结构制备

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衍射光学元件(DOEs)和微机电系统(MEMS)在光子学,电子学,信息科学和生物传感方面有着广泛的应用,并且在近几年成为了研究热点。作为DOEs和MEMS等功能器件必不可少的一部分——微纳结构,因此也受到了大量关注。尽管目前存在多种适合于制备微纳结构的材料,但相变材料因其在晶态与非晶态时的电阻率呈现出显著的差异而受到大量关注并且已经应用于DOEs和MEMS领域。此外,相变材料由于其独特的光学和电学性质被认定在数据存储与数据显示领域具有广泛的应用前景。因此,在相变材料上制备微纳结构具有十分重要的意义。在本论文中,我们采取了一种简单且有效的方法——激光热刻蚀技术,在相变材料AgInSbTe薄膜和Sb2Te3薄膜上制备了微纳结构。其主要内容如下:  (1)对AgInSbTe薄膜激光作用区域与未作用区域在(NH4)2S溶液中的腐蚀特性进行了研究。结果表明AgInSbTe薄膜未经激光作用的非晶化区域腐蚀高度基本随腐蚀时间呈线性关系,腐蚀速率约为12.21nm/min,这高于经激光作用后的晶化区域在(NH4)2S溶液中腐蚀速率(约为1.2nm/min)。腐蚀选择比(γ)高达10.2,这已经高于其它的硫系相变材料,如As-S-Se(γ<1.6),Ag-As-S-Se(γ<2.5),Ge2Sb2Te5(γ<4)等。探究了激光作用后,AgInSbTe薄膜的线宽与激光功率的关系,并且在AgInSbTe薄膜上制备了多种高分辨微纳结构。通过使用实验室自己搭建的激光直写装置,我们在AgInSbTe薄膜上以不同的功率制备了不同线宽的光栅线条微纳结构,并且发现线条线宽与激光功率基本成线性关系,通过激光功率对微纳结构进行线宽调控,制备得到了跨尺度针尖型微纳结构。此外制备了多种复杂图形,包括螺旋线,探针,五角星,同心圆,圆盘等以及制备了三阶浮雕微纳结构。  (2)对Sb2Te3薄膜激光作用区域与未作用区域在(NH4)2S溶液和NaOH溶液中的腐蚀特性进行了研究。结果表明Sb2Te3薄膜分别在(NH4)2S溶液和NaOH溶液中具有负性光刻胶和正性光刻胶的特性,这对于微纳结构制造较为有意义。在Sb2Te3薄膜制备了多种微纳结构并进行了灰度刻写。实验发现,当激光能量适当时,可以直接在Sb2Te3薄膜表面形成鼓泡状结构,进一步将激光能量增加出现烧蚀。此外,通过湿法刻蚀,以硫化铵溶液为刻蚀剂,制备了齿轮状微纳结构。最后在Sb2Te3薄膜上进行了灰度刻写,得到了小熊状灰度图形。
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