一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰方法及装置

本发明属于光栅测量及微纳制造，具体涉及一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰方法及装置。

背景技术：

1、光栅测量原理测量精度主要受制于由光栅结构所形成光场的周期精度，然而受限于制造能力，光栅栅线制造精度成为提升光栅传感器精度的主要瓶颈。光栅栅线结构制造误差导致的光场周期误差占位移测量误差的60％。要达到1nm的测量分辨率，光栅栅线周期制造精度需优于10nm，这在现有纳米制造技术与工艺下难以实现。因此，亟需发展新型光栅测量方法，突破制造水平对测量精度的限制。

2、在光栅栅线边缘进行特殊材料或/结构的边缘修饰，从而增强光栅边缘光强、降低光场模糊区间，是提高光栅光场周期精度的重要手段(miks a.等，optik,2016,127(19):8065-9)。当光照射至光栅栅线边缘微结构时，光场分布曲线将发生变化，利用光场边界亮度增强点作为细分节点，可提升光场周期拟合精度，以满足纳米/亚纳米级的光栅测量要求。因此，光栅栅线边缘修饰材料/结构的精确制造，是保证光栅光场周期拟合精度的重要要素。在实际应用中，常采用光刻、压印技术及磁控溅射法等方法实现对光栅栅线边缘结构的制造，其中光刻虽能确保栅线边缘修饰结构的高精度，但受限于设备问题，高精度光刻需采用套刻技术，且光栅材料与栅线修饰材料的差异，易导致结合不良和光刻胶均匀性问题(youn s w.等人，japanese journal of applied physics，2024，63(3))；压印技术虽能实现高精度制造，例如专利申请“基于纳米压印的闪耀光栅阵列结构及其制备方法和应用”(公开号cn117590507a)，但存在压印对准和残膜去除的技术难题；而磁控溅射法虽制造精度较高(jinyang n.等人，coatings，2021，11(12)：1468)，但其制造时受限于溅射中使用的网膜精度。因此，实现光栅栅线边缘修饰材料/结构的精准加工，已经成为增强光栅光场边界的关键问题，对于光栅测量精度提升的研究具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰方法及装置，可以对包含mos2在内的高折射率低维材料实现精准且快速的定域自组装，从而优化光栅的栅线结构，尤其是光栅栅线的边缘修饰，提高光栅光场明暗条纹的光强对比度，降低光场模糊区间，进而有效提高光栅的测量精度；本发明方法具有工艺简单、效率高、成形快速等显著优势。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰装置，包括光栅基底，光栅基底上设有金属光栅，金属光栅作为底部电极，底部电极和顶部电极之间设有腔室，腔室内放有低维材料分散液，光栅基底上的底部电极、顶部电极及腔室封闭加紧固定，低维材料在结构化交流电场力的作用下实现定域自组装。

4、一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰方法，包括以下步骤；

5、1)将不同质量微纳米尺度的低维材料置于分散液中，利用磁力搅拌或超声波振荡，使低维材料均匀分散，得到不同浓度的低维材料分散液；

6、2)在预先制备的金属光栅边缘贴附导电胶带，确保光栅栅线间的良好导电连接，将金属光栅作为底部电极；采用导电玻璃作为顶部电极，并以绝缘垫片作为底部电极与顶部电极之间的隔离层；底部电极和顶部电极之间设有腔室，光栅基底上底部电极、顶部电极及腔室封闭加紧固定组成修饰装置，通电时在底部电极与顶部电极之间形成结构化交流电场；

7、3)将低维材料分散液引入修饰装置，抬起顶部电极，通过滴管或移液枪，将步骤1)得到的低维材料分散液注入并充满步骤2)所述的底部电极和顶部电极之间的腔室，随后封闭顶部电极，加紧固定；

8、4)利用交流电源、底部电极以及顶部电极对步骤3)得到的修饰装置中的低维材料分散液施加结构化交流电场，促使低维材料分散液中的低维材料在结构化交流电场力的作用下实现定域自组装，其中低维材料的排布图案取决于施加的结构化交流电场，排布速度则取决于电场强度、电场频率、分散液粘度的参数；

9、5)将经过步骤4)调控的修饰装置置于加热台上进行烘干；

10、6)移除顶部电极与绝缘垫片，保留底部电极及其上图案化沉积的低维材料，得到栅线边缘有序排列低维材料的光栅结构，完成结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰。

11、所述步骤1)中低维材料直径为0.01μm-5μm，采用二硫化钼(mos2)、石墨烯、碳纳米管或金属颗粒低维材料。

12、所述步骤1)中分散液为去离子水或n-甲基呲咯烷酮。

13、所述步骤1)中得到低维材料分散液的浓度为0.1mg/ml–10mg/ml。

14、所述步骤2)中底部电极由金属光栅栅线结构决定，其电极宽度即为光栅栅线的线宽，为0.2μm-80μm；电极间距即为光栅栅线的间距，为0.2μm-80μm。

15、所述步骤2)中绝缘垫片为聚对苯二甲酸乙酯(pet)、聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的绝缘材料，厚度为5μm-1mm。

16、所述步骤4)中结构化交流电场电压为1v-100v，频率为10hz-10mhz。

17、和现有技术相比，本发明的有益效果为：通过结构化交流电场对低维材料进行操控，实现低维材料在光栅栅线边缘的定域自组装，相较于常规微纳制造工艺，具有工艺流程短、成本低廉、制备速度快的特点，且可通过调整结构化交流电场的电学参数(如电场电压、频率等)实时优化电场力，拓展了对所操控材料的适用性；本发明利用光栅电极所产生的结构化交流电场进行操控，适用于所有线宽和结构形状的光栅，可一体化成型对应的光栅结构构型。

技术特征：

1.一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰装置，包括光栅基底，其特征在于：光栅基底上设有金属光栅，金属光栅作为底部电极，底部电极和顶部电极之间设有腔室，腔室内放有低维材料分散液，光栅基底上的底部电极、顶部电极及腔室封闭加紧固定，低维材料在结构化交流电场力的作用下实现定域自组装。

2.一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰方法，其特征在于，包括以下步骤；

3.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于，所述步骤1)中低维材料直径为0.01μm-5μm，采用二硫化钼(mos2)、石墨烯、碳纳米管或金属颗粒低维材料。

4.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于，所述步骤1)中分散液为去离子水或n-甲基呲咯烷酮。

5.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于，所述步骤1)中得到低维材料分散液的浓度为0.1mg/ml–10mg/ml。

6.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于，所述步骤2)中底部电极由金属光栅栅线结构决定，其电极宽度即为光栅栅线的线宽，为0.2μm-80μm；电极间距即为光栅栅线的间距，为0.2μm-80μm。

7.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于，所述步骤2)中绝缘垫片为聚对苯二甲酸乙酯(pet)、聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的绝缘材料，厚度为5μm-1mm。

8.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于，所述步骤4)中结构化交流电场电压为1v-100v，频率为10hz-10mhz。

9.根据权利要求1-8任一项所述的修饰方法，其特征在于，包括以下步骤；

技术总结一种结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰方法及装置，先制备低维材料分散液，然后制作修饰装置，将低维材料分散液引入修饰装置，再对修饰装置中的低维材料分散液施加结构化交流电场，促使低维材料分散液中的低维材料在结构化交流电场力的作用下实现定域自组装；然后将修饰装置置于加热台上进行烘干，移除顶部电极与绝缘垫片，保留底部电极及其上图案化沉积的低维材料，得到栅线边缘有序排列低维材料的光栅结构，完成结构化电场调控的光栅栅线边缘低维材料修饰；本发明提高光栅光场明暗条纹的光强对比度，降低光场模糊区间大小，进而有效提高光栅的测量精度，具有工艺简单、效率高、成形快速等显著优势。技术研发人员：蒋维涛,刘红忠,李国俊,赵飞楠,史永胜,陈邦道,尹磊,雷彪,牛东受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4