基于图案相分离技术制备光学微腔阵列

近年来随着亚波长光学和纳米技术的发展，人们对表面等离激元的研究兴趣迅速增加，期望金属微纳结构在光学传感等方面得到更多的应用。这类研究通常需要依赖高精度的微纳加工技术。方便、便宜地制备金属微纳结构对实际应用具有极其重要的意义。本项目拟借助纳米转印技术在硅表面进行表面能的图案化修饰，通过选区相分离实现聚合物PMMA/PS成核的空间位置调控，自组织地制备空间位置规则且尺寸均匀的聚合物模版。利用反应离子刻蚀和金属电子束蒸发技术，优化控制参数，制备出顶端具有金属圆盘的硅柱阵列，构建具有特定物理参数的光学微腔阵列。在此基础上，系统研究电磁波在微腔阵列中的传播规律，探索其作为分子探测传感器件和亚波长光学器件的可能性。

有限边界条件下聚合物薄膜退火行为的研究有助于人们认识去浸润（dewetting）的物理过程，认识在刚性界面上自组织形成规则结构的物理机制。本项目通过在单晶硅衬底上引入周期性几何结构，使表面张力环境和质量输运环境受到周期调控，系统研究了有限边界条件下共混聚合物PS/PMMA薄膜退火过程中去浸润的行为，首次观察到聚合物微滴与微滴之间、以及微滴和物理边界之间相互作用进而自组织形成的周期阵列结构的过程；揭示了膜厚和衬底上周期边界与形成聚合物周期规则结构之间关系。原位原子力显微的实时观测表明，修饰在硅衬底上的周期微米孔洞对聚合物微滴存在排斥作用，而聚合物微滴之间存在相互吸引作用。这两个相互作用使得最终聚合物微滴的大小尺寸均一，排布空间有序。实验表明还表明只有当PS/PMMA共混薄膜退火中的稳定特征长度与衬底上的孔洞的周期相近时，才能形成尺寸均一，排列有序的聚合物微滴阵列。此外，本项目还结合反应离子刻蚀和金属电子束蒸发技术，通过刻蚀功率、时间、聚合物模版厚度等参量的控制，构建了具有特定物理参数的光学微腔阵列。研究了该结构在分子探测方面的应用，注明了微腔共振结构对微量化学分子的探测能力，并系统研究了电磁波在微纳周期结构中的传播规律，探索这些结构在亚波长光学研究中的应用。本项目完成研究论文13篇（均已按规定标注资助项目号），其中9篇发表在 Phys. Rev. Lett. （1篇）、Advanced Materials （1 篇）、Appl. Phys. Lett. （5 篇）、Phys. Rev. B （2 篇）这4种刊物。