一种偏振敏感型超表面的飞秒激光高效制备方法属于飞秒激光微纳加工技术领域。采用飞秒激光直写的方式制备偏振敏感型的超表面，一方面可实现多层膜构型超表面的选区、大面积、灵活、高效、图案化、高精度制备；另一方面，基于飞秒激光超快特性使超表面纳米结构能够被连续调控，纳米结构的取向可根据激光偏振方向进行调控。上述制备方法可实现可多维度调控的等离激元超表面，并适用于较宽的波长范围，具有广泛的应用价值。广泛的应用价值。广泛的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
一种偏振敏感型超表面的飞秒激光高效制备方法
[0001]本专利技术涉及一种金属纳米结构
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介质薄膜
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金属反射层构成的等离激元超表面，特别涉及一种基于飞秒激光直写的金属纳米结构
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介质薄膜
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金属反射层构成的等离激元超表面的制备方法，属于飞秒激光微纳加工
技术介绍
[0002]近年来基于人工构造亚波长尺度纳米结构调控的超表面赋予了人们对光无以伦比的操控能力，成为纳米光子学领域发展的一项革命性创举，在生物医疗、生物传感、化学催化、太阳能电池、纳米光电等领域具有广泛的应用前景。近年来基于贵金属表面等离子体共振特性的超表面受到了研究者的广泛关注。等离激元共振可以对光进行选择性散射和吸收，实现极大的局域场增强，其强度和位置可以通过金属纳米粒子的几何形态和周围介质的变化进行调控。金属纳米结构的这一特性为生成具有多维度调控能力的等离激元超表面提供了广阔的前景。尽管电子束光刻和聚焦离子束的方法可以实现纳米结构的精细设计以及图案化排列，但它们在可扩展性、高效性和经济性方面的缺陷令人望而却步。虽然面向大规模量产的光学干涉光刻、纳米球光刻、纳米压印和定向组装也可被用于等离激元纳米结构的制造，但这些方法普遍存在灵活性差、不能任意进行图案化加工的问题。在可扩展性方面，无光刻单步法更适合纳米结构制备，特别是在空间容差相对较大的应用中。这些方法适用于大面积制造，但会牺牲对纳米颗粒尺寸和空间分布的控制精度。从实际应用角度看，非常有必要开发一种具有低成本、无光刻、适合大面积制备等离激元超表面的纳米制造技术。研究表明，非周期性结构已逐渐被认为能够达到与通常有序周期性结构类似的功能，因此提供了更大的可扩展性。薄膜的去润湿作为一种可提高可扩展性和生产率的工艺受到越来越多的关注。为实现图案化的纳米结构，通常通过引入各种化学或物理的模板，使基底上的去润湿行为可以在一定程度上得到控制，从而实现去润湿的图案化。然而用于制备模板化去润湿基底的光刻工艺，如激光干涉光刻、离子束、光刻、纳米压印等均需要多步刻蚀和图案转移，但制备面积小、生产能力低无法广泛应用。近期的研究表明，通过高聚焦的激光作为热源作用于金属薄膜表面可实现局部亚微米区域的选择性去润湿。例如在文献“Rapid Direct Laser Writing Of Desired Plasmonic Nanostructures”中，Lai等人利用激光束与金属材料作用时产生的强烈加热效应，使金纳米薄膜在激光辐照区域发生熔化，生成大小在100nm以下，尺寸相对均匀的岛状金属纳米结构。通过控制激光束与金膜的相对运动，可加工任意2D图案。该方法为去润湿纳米结构的图案化提供了新思路。然而，上述方式虽然使薄膜局部润湿实现了等离激元纳米结构制备，但该方法对等离激元的特性的连续调控能力较弱，加工效率低，并且上述方式由于激光的热效应并不适用于多层膜结构，导致该类结构在可见光光谱的长波长及红外波段难以实现局域场增强效果，使得等离激元超表面的应用范围受限。因此，大面积、灵活、快速高效、图案化制备可多维度调控的等离激元超表面，并适用于较宽的波长范围，具有广泛的应用价值。
技术实现思路
[0003]本专利技术目的是提供一种快速高效金属纳米结构
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介质薄膜
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金属反射层构成的等离激元超表面的制备方法，实现大面积、灵活、高效、图案化制备可多维度调控的等离激元超表面，并适用于较宽的波长范围。
[0004]本专利技术的思想是基于飞秒激光的阈值效应、激光直写的图案化加工能力以及偏振态激光导致的金属膜能量吸收的各向异性，以高聚焦的高重频飞秒激光作为热源，作用于金属薄膜表面，实现金属膜去润湿纳米结构的连续调控，进而实现金属纳米结构
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介质薄膜
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金属薄膜构成的等离激元超表面的制备。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术来实现的：
[0006]一种偏振敏感型超表面，所述结构由金属纳米结构
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介质薄膜
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金属反射层及衬底构成。
[0007]作为优选，所述金属纳米结构材质为金、银、铝、铂；
[0008]作为优选，所述介质薄膜材质为氮化硅、二氧化硅、Al2O3；
[0009]作为优选，所述金属反射层材料为金、银、铝。
[0010]一种偏振敏感型超表面的飞秒激光制备方法，具体包括以下步骤：
[0011]步骤一，样本准备:在基底表面依次沉积厚度为a的金属反射层，厚度为b的介质层，厚度为c的金属膜，并将样品固定在精密平移台。
[0012]作为优选，基底材料可以为二氧化硅、硅片、ITO；
[0013]作为优选，金属膜、介质膜、金属反射层的沉积方式可以选择真空蒸镀、磁控溅射、离子溅射等方式进行；
[0014]作为优选，金属反射层厚度a为100nm；
[0015]作为优选，介质层厚度b范围为：20～50nm；
[0016]作为优选，金属膜厚度c范围为：4～20nm。
[0017]步骤二，调节激光参数：使激光进入物镜前偏振方向连续可调，使激光经物镜后垂直入射于样本表面，并聚焦在样本表面。综合调节激光功率p及精密平移台移动速度v，使激光脉冲能量在0.1～1.1倍的金属薄膜的烧蚀阈值间连续可调。
[0018]作为优选，聚焦物镜可选择5X～100X,数值孔径：0.14～1.4；
[0019]作为优选，激光频率f范围为：50～100MHz；
[0020]作为优选，激光脉宽为20～50fs。
[0021]步骤三，金属纳米结构加工：选择合适的激光加工参数，综合调节平移台移动速度与激光功率，使激光辐照样本表面，制备金属纳米结构，该纳米结构可在光学显微镜下观测到激光辐照区域形成不同的结构色。
[0022]步骤四，在步骤三所得样本表面沉积保护层。
[0023]作为优选，保护层可通过物理气相沉积的方式沉积；
[0024]作为优选，保护层材料可以选择氮化硅、二氧化硅、Al2O3，或者光敏树脂。
[0025]进一步，步骤三中所述激光加工参数，其确定方法为：
[0026](1)使激光经物镜后垂直入射于样本表面，并使激光聚焦在样本表面，选择恒定的平移台移动速度，使激光脉冲能量在0.1～1.1倍的金膜烧蚀阈值间连续可调；以线填充的方式加工50
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50μm2的矩形阵列；
[0027](2)使用不同的线填充速度，得到不同填充速度和激光功率下的矩形阵列；
[0028]在电子显微镜下观测矩形阵列的显微结构，并在光学显微镜下观测相应结构对应的结构色，确定结构色与所需激光参数的对应关系。
[0029]进一步，在步骤三中，通过独立改变激光偏振方向，可得到具有不同取向的纳米结构；
[0030]进一步，在步骤三中，加工所得样品在不同偏振角度的白光照明下，同一区域可呈现出不同的结构色。
[0031]有益效果
[00本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种偏振敏感型超表面的飞秒激光高效制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，样本准备:在基底表面依次沉积厚度a的金属反射层，厚度为b的介质层，厚度为c的金属膜，并将样品固定在激光加工平台。金属反射层厚度a为100nm；介质层厚度b范围为：20～50nm；金属膜厚度c范围为：4～20nm；步骤二，调节激光：使激光进入物镜前偏振方向连续可调，使激光经物镜后垂直入射于样本表面，并使激光聚焦在样本表面。综合调节激光功率p及加工台移动速度为v，使激光脉冲能量在0.1～1.1倍的金属薄膜的烧蚀阈值间连续可调；步骤三，金属纳米结构加工：选择激光加工参数，综合调节加工平台移动速度与激光功率，使激光辐照样本表面，偏振输出的飞秒激光，脉宽为20～50fs，重频为50～100MH...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁艳萍，李东方，赵天宇，陈继民，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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