[发明专利]一种基于反转压印纳米成型技术的力响应性光子晶体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种力响应性光子晶体的制备方法，尤其涉及一种基于反转压印纳米成型技术的力响应性光子晶体材料的制备方法。

背景技术

力响应性光子晶体材料的制备，是将力学性能优异的高弹性凝胶材料填充在纳米量级的光子晶体晶格间隙中来完成的。其通过力学的拉伸或压缩，高弹性聚合网状结构会连带着光子晶体晶格间距的增大或减小，导致衍射波长和结构色的变化，实现了将物理形变转化为光学性能变化的传感功能。

研究表明，高弹性凝胶与具有纳米量级光子晶体结构的粘弹性聚合物复合成的多层结构具有良好的力学响应性能。这种光子晶体既可以提供人的裸眼能够分辨的颜色变化，又可以实现外界力变化引起的智能显示，使其在传感、监测等领域有着广阔的应用前景，尤其适用于岩土工程、结构工程、防灾减灾工程及防护工程等领域，可以实现智能传感、灾害监测和可视化监控。

现有技术中，制备光子晶体材料的方法主要有精密机械加工法、胶体自组装法和激光全息干涉法等。其中，精密机械加工法是通过在基体材料上进行机械钻孔，利用空气介质与基体材料的折射率差来获得光子晶体。

但是，精密机械加工法只能加工微波段的光子晶体，无法制备微米量级、纳米量级的光子晶体；并且，精密机械加工法的工艺复杂、造价昂贵。

胶体自组装法是胶体溶液中的胶体粒子在重力、表面张力等非共价力的作用下自发地从无序结构变成有序的光子晶体结构，该过程需要的时间较长，形成的晶格结构单一，而且层与层之间的错位、结构坍塌等缺陷较多。因此，胶体自组装法的制备周期长，制备所得光子晶体的图案种类少、结构可控性差；

激光全息干涉法是利用光的干涉衍射特性，通过特定的光束组合方式，来调控干涉场内的光强度分布，并用感光材料记录下来，从而产生光刻图形。图形的周期结构受限于激光干涉的强度分布，而且现有激光干涉技术得到的结构周期往往大于激光波长，制备所得光子晶体的结构周期处于微米量级。因此，激光全息干涉法难以制备纳米量级的光子晶体。

概括地说，现有的力响应性光子晶体材料的制备方法普遍存在以下缺点或不足：工艺复杂、制备周期长、造价昂贵；并且所制备出的光子晶体精度等级受限、图案种类少、结构可控性差。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于反转压印纳米成型技术的力响应性光子晶体材料的制备方法，其具有工艺简单、制备周期短、模板可重复利用、制备成本低等特点，所制备出的光子晶体精度可达纳米量级，周期结构可控。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种基于反转压印纳米成型技术的力响应性光子晶体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，石英母模板的制备步骤

取一石英基片，利用电子束光刻技术和反应离子刻蚀技术，按预先设计的光子晶体结构参数，对石英基片进行表面刻蚀，在石英基片的表面上刻蚀出符合所设计的光子晶体结构参数的图案A，得到带有图案A的石英母模板；

第二步，聚二甲基硅氧烷软模板的制备步骤

1、对上述石英母模板的图案A进行表面防粘处理，并在图案A的表面上旋涂一层聚二甲基硅氧烷；

2、将石英母模板及其上的聚二甲基硅氧烷置于真空干燥箱内，在-0.1MPa下进行加压去气处理30min；再升温至120℃，在此温度下热烘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，在室温下脱模，得到聚二甲基硅氧烷软模板；此时，聚二甲基硅氧烷软模板的表面带有图案B；

第三步，将高弹性凝胶-粘弹性聚合物复合层附着在硅基片衬底上的制备步骤

1、取硅基片，依次在其表面上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯作为粘结层、一层高弹性凝胶作为填充层；

2、在上述聚二甲基硅氧烷软模板的图案B上，旋涂一层粘弹性聚合物作为压印层；

3、将聚二甲基硅氧烷软模板的压印层置于硅基片的填充层上，组装成压印试样，然后，将压印试样放入纳米压印机中，进行反向纳米压印，以使粘弹性聚合物与高弹性凝胶粘结成一体；

4、压印完成后，取出压印试样，在室温下脱模，得到以硅基片为衬底的高弹性凝胶-粘弹性聚合物复合层；此时，粘弹性聚合物的表面上带有图案C，该图案C的形状、尺寸全等于图案A；

5、采用反应离子刻蚀技术，将图案C表面上的残胶层刻蚀除去；然后，再在图案C的表面上旋涂一层高弹性凝胶，将图案C的表面填充并覆盖，得到以硅基片为衬底的具有光子晶体结构的单层高弹性凝胶-粘弹性聚合物复合层；