一种实现动态光场调控的微纳元件及其制备方法

本发明涉及微纳元件，光场调控，具体涉及一种实现动态光场调控的微纳元件。

背景技术：

1、微纳光学结合了光子学和微纳技术的前沿成果，研究有效尺寸与入射辐射波长相当的中尺度物体与光的相互作用，从而产生的一系列传统光学无法实现的特殊光学现象。其中，用微纳元件实现光学超分辨更是研究热点，在光学显微、光镊、光电检测等领域有着广阔的发展前景。

2、传统的微纳元件在不借助液晶等外场可调材料的帮助下只能具有固定的光场，例如美国的capasso课题组提出采用二氧化钛纳米阵列超表面，实现了亚波长分辨率成像，若能在此基础上实现光场可调，那将会拥有更广阔的的应用前景。其制备流程包括1、在sio2衬底上旋涂电子束抗蚀剂；2、用电子束光刻和显影在抗蚀剂上得到相反的超表面结构；3、沉积tio2；4、刻蚀掉覆盖在抗蚀剂顶部表面的残留tio2膜；5、去除剩余的抗蚀剂。这种制备方式工艺复杂，难以实现快速生产和批量化生产，因此对其的进一步研究和应用受到了制约。

3、为了增加微纳元件的功能，近年来有学者提出了将外场可调的液晶与微纳元件相结合以实现聚焦光场的动态调谐。但液晶由于其液态属性，通常采用填充或包裹的方式与微纳元件结合使用。2017年日本的n.eti通过仿真模拟，采用外壳为氧化铟锡，芯部为向列型lcs的同心球结构实现了光场的调控。2019年东南大学的杜斌涛采用两极板中间夹着被液晶包裹的聚苯乙烯微球的模型仿真得到了动态调控的光场。在李树磊的“微纳结构调控的聚合物分散液晶光折变性能研究”的文章中，也采用液晶作为外场调控的手段，实现光场调控。它采用在微结构周围填充液晶并在其上、下加上电极的方法，加工步骤为：1、在底电极上加工微结构；2、在上方覆盖顶电极；3、将粘合剂pmma、液晶和溶剂混合制成聚合物分散液晶；4、利用毛细作用将聚合物分散液晶渗入微结构周围；5、待渗透完全后，把样片放入低温培养箱内烘干，将甲苯全部蒸发；6、连接顶电极和底电极。这两者存在的问题是：加工工艺繁琐，加工效率低，难以实现工业化生产，且液晶折射率在1.6左右，应用受限。

4、综上所述，为满足市场需求，不断优化微纳元件的功能成为本领域科研人员的重点研究方向。

技术实现思路

1、本发明要提供一种实现动态光场调控的微纳元件，以克服现有技术存在的加工工艺繁琐，加工效率低，难以实现工业化生产，且液晶折射率低，应用受限的问题。

2、为达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种实现动态光场调控的微纳元件的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一，制备母模板以及转印模板；

4、步骤二，在石英玻璃基底上加工一层透明电极，制备出两块电极板备用；

5、步骤三，在步骤二制得的电极板的透明电极层上采用纳米压印加刻蚀的方法加工pmn-pt薄膜；

6、步骤四，将pmn-pt膜层加工为功能微纳结构；

7、步骤五，在功能微纳结构上方覆盖另一块电极板，石英玻璃基底位于外侧；

8、步骤六、两层透明电极分别为底电极和顶电极，两者之间连接导线，得到动态光场调控微纳元件。

9、进一步的，上述步骤一和步骤四中，透明电极为ito、银纳米线、或pedot。

10、进一步的，上述步骤二中，石英玻璃上加工透明电极的方式为磁控溅射、凝胶化或模板辅助组装技术。

11、进一步的，上述步骤三中，在底电极上加工pmn-pt薄膜的方式为溶胶凝胶法、磁控溅射法或离子注入剥离法。

12、进一步的，上述步骤四中，加工而成的pmn-pt微纳结构为微圆柱、微球、微金字塔形状的微纳结构单元的任意一种。

13、进一步的，上述制备方法制得的一种实现动态光场调控的微纳元件。

14、与现有技术相比，本发明的优点是：

15、1、本发明提供了一种低电流驱动即可实现动态光场调控的微纳元件。本发明利用pmn-pt在宽波长范围内具有良好光学性能和较大电光系数的优点，采用纳米压印加刻蚀的工艺将其制备为功能性微纳元件，在光源的照射下，微纳结构内部的光经过干涉和衍射形成聚焦，通过外加电场即可实现光场的动态调控。

16、2、本发明的制备方法，对比于常用的液晶填充制备方法实现外场可调，本发明的步骤简化，由于pmn-pt是固态，可以在第一步就加工为微结构，且加工方式灵活，不需要液晶式调控法中繁琐的步骤，时间缩短，成本降低。同时制备过程采用纳米压印加刻蚀的制备工艺，本发明制造效率高，易于实现批量化生产。

17、3、在制备过程中，用具有外场可调特性的压电材料代替固有折射率材料，为高折射率材料超表面的光场动态调谐提供了一种新思路。且pmn-pt比液晶折射率高，拥有更广阔的的应用前景，可广泛应用于纳米传感学、微纳米物体操纵和捕获等多个领域。

技术特征：

1.一种实现动态光场调控的微纳元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种实现动态光场调控的微纳元件的制备方法，其特征在于：所述步骤一和步骤四中，透明电极为ito、银纳米线或pedot。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现动态光场调控的微纳元件的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，石英玻璃上加工透明电极的方式为磁控溅射、凝胶化或模板辅助组装技术。

4.根据权利要求3所述的一种实现动态光场调控的微纳元件的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，在底电极上加工pmn-pt薄膜的方式为溶胶凝胶法、磁控溅射法或离子注入剥离法。

5.根据权利要求4所述的一种实现动态光场调控的微纳元件的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，加工而成的pmn-pt微纳结构为微圆柱、微球、微金字塔形状的微纳结构单元的任意一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法制得的一种实现动态光场调控的微纳元件。

技术总结本发明涉及微纳元件、光场调控技术领域，具体涉及一种实现动态光场调控的微纳元件及其制备方法。制备包括以下步骤：制备母模板以及转印模板；在石英玻璃基底上加工一层透明电极，制备出两块电极板；在制得的电极板的透明电极层上加工PMN‑PT薄膜；将PMN‑PT膜层加工为功能微纳结构；在功能微纳结构上方覆盖另一块电极板，石英玻璃基底位于外侧；两层透明电极分别为底电极和顶电极，两者之间连接导线，得到动态光场调控微纳元件。本发明步骤简化且加工方式灵活，成本降低；本发明制造效率高，易于实现批量化生产；本发明为高折射率材料超表面的光场动态调谐提供了一种新思路，可广泛应用于纳米传感学、微纳米物体操纵和捕获等多个领域。技术研发人员：孙泽华,赵鑫宇,葛少博,刘卫国,沈陆俊,李昊宇,王书怡,李俊彦,罗吉英受保护的技术使用者：西安工业大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15