[发明专利]一种可调谐相变纳米结构超表面的飞秒激光制造方法

说明书

一种可调谐相变纳米结构超表面的飞秒激光制造方法属于飞秒激光应用技术领域。本发明目的是为解决现行超表面纳米结构加工过程中工艺复杂，纳米结构单元精确、高效、有序化、大面积加工难题。本发明提出以相对简单的工艺精确、高效、有序化、大范围、制备出具有纳米结构预期形貌，通过调控飞秒激光与相变材料表面作用时瞬时电子激发动态，实现了相变材料超表面纳米结构单元的间距、形貌、相态、排列方式的调制以及大幅面的制作和改性。在梯度超表面、信息存储、全息成像、电磁波操控、可切换或可重新配置的元器件件等方面具有至关重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种通过飞秒激光诱导相变材料实现可调谐相变纳米结构超表面的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

近年来，超表面因其对光具有超强的操作性以及在超薄光学应用方面展现出的诸多功能，使其成为了一个快速发展的研究领域。相比与超材料，超表面具有低剖面、低损耗、易于设计和实现等优点受到了研究者的广泛关注。基于其被动电磁特性，例如负折射率或完美吸收等，随之涌现出大量基于纳米结构超表面研发的功能器件，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。最初超表面的研究基于金属纳米结构尤其贵金属(金，银)纳米结构在纳米尺度内的电磁场增强特性，以独特的方式为各种光学效应和电磁辐射的操控创造了前所未有的条件，但是其金属自由电子响应带来的高焦耳损耗及结构加热一直限制其功能器件的应用与效率提升。相较于金属纳米结构，全介质纳米结构具有低焦耳损耗、低光学加热、低掺杂、结构简单，近场增强效应明显等特性，逐步成为近年来研究领域的热点。作为一种全介质材料，相变材料可在室温下以两种稳定的相态存在，并且可通过外界激励实现快速相变。这一可切换机制使光学超表面有源、可逆、非易失性的调谐成为可能，并将成为开发新型超薄元器件的关键因素。

据米氏散射理论，介质材料纳米结构可表现出较强的电磁响应，而这一特性依赖于纳米结构形态、尺寸及排列的控制。纳米结构制造工艺通常有传统电子束和聚焦离子束光刻纳米加工技术以及目前新兴的自组装技术、纳米压印技术、激光可刻蚀等。然而，随着对介质材料性能、功能、加工材料适应性等要求的提升，通过加工手段控制纳米结构的形态、尺寸、排列变的尤为重要。随着锁模及放大技术的出现，飞秒激光技术得到了飞速发展。飞秒激光加工相较于传统激光加工具有极高的峰值功率、较小的损伤阈值，加工热影响区小、加工精度极高等特性，通过改变加工参数即可获得独特的表面结构，逐渐发展成为一种极具优势的微纳制造手段之一。然而，目前采用飞秒激光加工加工产生超表面纳米结构单元主要通过烧蚀或溅射的方式，通常为球形结构，且纳米单元无法实现有序排列以及大面积制备，例如，文献“Laser printing of silicon nanoparticles with resonantoptical electric and magnetic responses”中，Zywietz通过飞秒激光溅射硅薄膜，基于飞秒激光诱导物质转移方法，在接收器表面实现了硅纳米颗粒的制备。然而，这种方式由于溅射工艺的局限性，无法实现硅纳米颗粒间距的近距离调节和大幅面的结构制备，且对加工条件要求苛刻，另外仅通过单一纳米结构单元的制备无法实现超表面光学器件的功能，制约了其广泛应用。

发明内容

本发明目的是为解决现行超表面纳米结构加工过程中工艺复杂，纳米结构单元精确、高效、有序化、大面积加工难题，提供一种飞秒激光诱导相变材料实现可调谐相变纳米结构超表面的制备方法。

本方法以传统掩膜工艺为基础，基于局部瞬时电子激发动态调制和材料相变特性，通过调节预制样本微结构单元参数，飞秒激光能量、频率，实现相变材料超表面纳米结构单元间距、高度、规模、形貌、相变性能的调制。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

步骤一，大面积无定型介质纳米柱制备：以二氧化硅或硅等材料为基底，以双通阳极氧化铝模板(即双通AAO模板)为模板，利用磁控溅射的方式沉积相变材料薄膜，镀膜后AAO模板采用机械的方式去除，形成样本表面纳米微结构；