一种双转移纳米压印技术及相关材料、工艺与应用研究

This proposal will develop a double-transfer nanoimprint technique. Based on this method, it will focus on the effects of the properties of the UV-curable resists and the morphologies of the mold nanostructures on the imprinted film, especially the film on curved substrates. We will optimize the imprint process for curved substrates. We will design and synthesize a degradable and oxygen-insensitive UV-curable material for the double transfer nanoimprint method. We plan to fabricate surface relief fiber Bragg gratings (SRFBG) using the double-transfer approach. We will further study the influence of the structure parameters such as fiber diameter, grating period, line number, aspect ratio, etching depth, coverage on the optical properties of SRFBG. We will also explore the feasibility of using the fabricated SRFBG as sensing elements. This work is a supplement and development to nanoimprint lithography and provides a new way to fabcricate nanostructures on curved substrates and other complex morphology surfaces.

本申请拟发展一种双转移纳米压印技术，并以此为核心，重点研究紫外光固化材料的性能与复合模板的微纳结构形貌对压印结果成膜性的影响，特别是在曲面衬底上成膜性能的影响；结合复合压印模板发展适于曲面压印的工艺；设计和合成适于曲面压印工艺的新型压印胶材料，如兼具可降解和在氧气氛下可聚合的紫外光固化材料；采用双转移纳米压印技术在曲面等复杂形貌衬底上制备功能性微纳器件，特别是在光纤柱面制备表面浮雕式布拉格光栅，将研究光栅周期、线数、占空比、刻蚀深度、光纤表面覆盖度等结构参数对光纤光学性能的影响，并探讨表面浮雕式光纤布拉格光栅作为传感元件的可行性。本课题的研究工作是对现有纳米压印技术的有益发展和补充，并为在曲面等复杂形貌衬底材料上加工微纳结构提供新的途径。

在曲面上制备纳米结构与纳米器件吸引了越来越多的关注，如光纤布拉格光栅、人工复眼/电子眼、折/衍混合光学元件、纳机电系统等。目前大多数的微纳加工技术都只适用于在平面上进行微纳结构的制备，很难应用于曲面衬底。本课题以兼具柔性与高分辨率的复合纳米压印模板为核心，通过双转移纳米压印工艺，在曲面衬底上制备了大面积的纳米结构。设计和制备了一种适合柔性复合压印模板进行曲面压印的装置，通过控制装置内外部的压差，使柔性模板均匀地贴附在曲面的表面，获得很好的压印效果。采用双转移纳米压印工艺结合金属湿法刻蚀制备，在直径10微米的单模光纤上制备了周期为550纳米、结构部分总长度为1毫米的金属光栅，并以此为掩膜，通过氟基反应离子刻蚀，在光纤表面获得了高度为280纳米的光纤布拉格光栅，初步实现了对光纤中传输光波的调制。基于多环缩酮结构与硫醇-烯点击聚合反应，设计和制备一种可降解、耐氧型紫外光固化材料，采用双转移法压印方法，结合金属举离、刻蚀等方法，最终在光栅表面获得深度330nm的浮雕式光栅。发展了一种基于共混聚合物旋转涂膜相分离的纳米图案化方法，将互不相溶的聚合物溶于共同的溶剂中共混，通过将溶液在衬底表面旋涂成膜，旋涂过程中溶剂迅速挥发，发生相分离，在该相分离过程中影响形成结构形貌的因素主要有：聚合物的种类、衬底、溶剂、聚合物的比例、浓度以及旋涂转速等。优化上述参数可以低成本、简单易行、快速地获得大面积均匀的微纳尺度相分离图形。这种产生图形的方法对设备的依赖程度低、成本低廉、过程简便、与微纳米加工技术中的常用工艺可以很好的兼容，并可以对产生的图形尺寸如孔径、高度等进行独立的调控。采用共混聚合物相分离方法结合结合显影、刻蚀等微加工手段，可将上述无序微纳相分离结构制备成功能型结构，如减反结构、金属点阵等，这类无序纳米结构的特点是适用的光波频带宽，吸收性能好等。