一種增大光電材料有效感光面積的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種增大光電材料有效感光面積的制備方法，具體涉及一種制作高效、低成本的增大有效感光面積的多周期微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，可應(yīng)用于如太陽(yáng)能電池、LED等半導(dǎo)體器件中，也為制造新器件、新材料提供一種先進(jìn)的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在上世紀(jì)末至今，新型高性能材料、器件與系統(tǒng)的進(jìn)步一直依賴(lài)于微納制造技術(shù)的發(fā)展。隨著納米制造技術(shù)研宄的不斷深入，微納米多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)制造已成為一個(gè)當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，昆蟲(chóng)復(fù)眼表面復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的超疏水自清潔特性和寬譜廣角增透性能引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。這是發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有微納米尺度混合的雙重結(jié)構(gòu)外，又一類(lèi)具有特殊功能的微納雙重結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有的兩種典型特性，使得它在工業(yè)生產(chǎn)、生物技術(shù)、國(guó)防、新能源和新器件等方面具有廣泛的潛在應(yīng)用。過(guò)去的十幾年里，人們發(fā)展了多種具有超疏水結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和方法，如納米顆粒法、溶膠凝膠法、化學(xué)沉積法、模板法和刻蝕法等。隨著對(duì)超疏水結(jié)構(gòu)及機(jī)制的深入研宄，發(fā)現(xiàn)仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要進(jìn)一步探討，如老化、穩(wěn)定性和制備成本等問(wèn)題。這些問(wèn)題的存在導(dǎo)致其在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上受到限制。如刻蝕法屬于“自上而下”的制備技術(shù)，在制備抗老化和穩(wěn)定性好的超疏水結(jié)構(gòu)方面存在優(yōu)勢(shì)，但這些刻蝕法大都局限于平面單一特征尺寸的制備技術(shù)，不適合復(fù)合微納表面結(jié)構(gòu)制備，且工藝復(fù)雜不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化的需要。從根本上講，當(dāng)前制約其廣泛應(yīng)用的重要因素之一是缺少低成本高效多尺度復(fù)合微納制造技術(shù)與工具。
[0003]同時(shí)，通過(guò)各種技術(shù)制造功能性微納結(jié)構(gòu)材料一直是研宄人員關(guān)注的焦點(diǎn)，發(fā)展了多種制備復(fù)合微納表面結(jié)構(gòu)的技術(shù)和方法，如投影光刻、電子束光刻、離子束光刻、納米壓印、納米顆粒法、溶膠凝膠法、化學(xué)沉積法、模板法和刻蝕法等。這些技術(shù)和方法或采用耗時(shí)的順序工作方式，對(duì)于多周期混合結(jié)構(gòu)的加工速度非常慢，不適合批量生產(chǎn)；或使用條件嚴(yán)格，圖案形狀相對(duì)固定；或存在環(huán)境問(wèn)題，結(jié)構(gòu)參數(shù)不易控制，均勻性差等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)和方法的不足，提出一種可以顯著增大光電轉(zhuǎn)換材料或者元件有效感光面積，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，且成本較低的光電材料制備技術(shù)。
[0005]本發(fā)明技術(shù)解決方案，一種增大光電材料有效感光面積的制備方法，利用具有調(diào)制性的激光干涉光刻技術(shù)在基質(zhì)材料或者感光材料表面直接制備多重周期的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，用于在二維單位平面面積內(nèi)增加三維的光接觸面積；所述多重周期的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)通過(guò)具有調(diào)制性的三光束激光干涉光刻的多角度多次曝光疊加直接獲得，第一束光與第二束光的入射角均為θ，0°〈Θ彡89°，同時(shí)，第一束光的空間角分別為0°，第二束光的空間角為180°，第三束光的入射角為Θ 土 δ，0°〈Θ 土 δ彡89°，且0° <δ彡30°，第三束光的空間角為0°或者180°，即三束光在同一平面內(nèi)。
[0006]所述多重周期的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)通過(guò)具有調(diào)制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接獲得，光束的入射角度為O° -90°，每束光的空間角為O° -360°，激光器單次曝光時(shí)長(zhǎng)為5-15ns，單束激光的能量密度:0.1-lJ/cm2。
[0007]所述的具有調(diào)制性的三光束激光干涉光刻中每次疊加曝光的旋轉(zhuǎn)角度為0° -90°，旋轉(zhuǎn)精度為I’。
[0008]所述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的多重周期范圍為50nm-10um，單元結(jié)構(gòu)的尺寸為50nm_5um，結(jié)構(gòu)深度為50nm-5um。
[0009]所述多重周期的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)是條紋形、錐形、楔形、金字塔形、倒金字塔形、半球形、六邊柱形、圓柱形中的任意一種單一形狀的結(jié)構(gòu)，也可以是兩種或多種形狀拼接的結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明原理:本發(fā)明的這種多重周期的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)可以通過(guò)具有調(diào)制性的三光束激光干涉光刻的多角度疊加曝光直接獲得，也可以通過(guò)具有調(diào)制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接獲得。其中，三光束激光干涉光刻疊加曝光是指完成第一次曝光后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和位移臺(tái)使樣品轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度或者挪動(dòng)一定距離后進(jìn)行第二次曝光，完成二次曝光后再移動(dòng)一定角度或者距離后進(jìn)行第三次曝光，以此類(lèi)推，可以進(jìn)行兩次曝光疊加或者多次曝光疊加得到需要的圖形結(jié)構(gòu)，每次旋轉(zhuǎn)的角度為0° -90°，此外干涉光束的入射角度可以相同，也可以不同，相鄰干涉光束之間的空間角度可以相同，也可以不同，每束干涉光的能量可以相同，也可以不同。通過(guò)這種方式獲得的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)可以是錐形、楔形、金字塔形、倒金字塔形、半圓形、六邊柱形、圓柱形中的任意一種單一形狀的結(jié)構(gòu)，也可以是兩種或多種形狀拼接的結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比:
[0012](I)現(xiàn)有的激光干涉光刻技術(shù)由于其自身的干涉特點(diǎn)所限，只能制備出單一形狀的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用了光束干涉時(shí)常常發(fā)生調(diào)制的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了多周期微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，同時(shí)，本發(fā)明不僅可以通過(guò)制備單一形狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在二維單位平面面積內(nèi)增加三維的光子作用接觸面，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)干涉參數(shù)，利用多角度多次曝光和移動(dòng)多次曝光等方法，實(shí)現(xiàn)不同形狀拼接的大面積多周期微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備。
[0013](2)本發(fā)明通過(guò)在二維單位平面面積內(nèi)增加三維的光接觸面來(lái)提高半導(dǎo)體器件與光子作用的接觸面積，從而提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，還具有成本較低，操作容易等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化微納結(jié)構(gòu)制備的首選技術(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1所示為具有調(diào)制性的三光束激光干涉光路圖；
[0015]圖2所示為四光束激光干涉光路圖，其中4為控制計(jì)算機(jī)，5為激光器，6、7、8、9、10、11為高反射鏡，12、13、14為1/2反光鏡，15、16、17、18為1/2波片，19、20、21、22為偏振片，23為旋轉(zhuǎn)臺(tái)，24為二維微位移平臺(tái)；
[0016]圖3所不為娃材料表面多周期微納復(fù)合結(jié)構(gòu)SEM掃描圖。
[0017]圖4所示為本發(fā)明獲得的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]利用具有調(diào)制性的激光干涉光刻技術(shù)在基質(zhì)材料或者感光材料表面制備出多重周期的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其方法可以是具有調(diào)制性的三光束激光干涉光刻的多角度多次曝光疊加直接獲得，也可以是具有調(diào)制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接獲得。
[0019]激光干涉光刻系統(tǒng)包括激光器、分光鏡、高反射鏡、波片、偏振片、旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)、二維微位移平臺(tái)及相關(guān)的金屬支架等，激光光束由激光器發(fā)出后由分光鏡進(jìn)行分光，經(jīng)反射鏡、波片和偏振片會(huì)聚于樣品臺(tái)中心。
[0020]如圖1所示，在三光束激光干涉光刻中，設(shè)置光束I和光束2的入射角為Θ，0° < Θ <89°，光束I的空間角分別為0°，光束2的空間角為180°，