基于紫外软压印技术的有机-无机复合薄膜微纳透镜阵列的制备及其性能研究

Micro-lens arrays (MLAs) are key components for microoptical devices and have wide applications in the area of CCD, infrared focal plane arrays imaging, optical collimation, optical coupling and micro-optics scanner. In the past decades, researchers have made a lot of efforts on the fabrication of the convex MLAs, and various techniques have been developed, such as thermal reflow technique, soft replica molding technique, gray scale lithography, e-beam lithography, UV imprint lithography, two-beam lithography, rolling embossing method and so on. Most studies are based on organic polymer or an inorganic glass material to prepare a microlens array, however, microlens array based on organic-inorganic hybrid film is less than reported. The project intends to combine the UV soft imprnt technique wth the hybrid film to fabricate micro-nano-lens array. Since the hybrid film has excellent optical properties, and it can be directly used as the materials of micro-optic waveguide components and micro-nano lens array which can be integrated directly with the semiconductor light source and the detector together, without an etching process to transfer the structure to the substrate, which reduces the processing steps and the production costs.

微透镜阵列作为一种重要的微光学元器件已经被广泛应用到成像、声光学、集成光学、光通信系统、微光学传感器、光耦合、光互连等多种领域，引起了科研工作者的广泛关注。目前已经有多种微透镜阵列的加工方法被开发出来，其中最常见的加工方法有喷墨技术、灰度掩膜光刻技术、电子束光刻技术、光刻胶热回流技术、激光直写技术、纳米压印技术等等。大部分研究工作都是基于有机聚合物或者是无机玻璃材料来制备微透镜阵列，然而基于有机-无机复合薄膜微透镜阵列的报道却比较少。本项目拟然后结合紫外软压印技术，在此复合薄膜上制备微纳透镜阵列，由于此复合薄膜材料具有优良的光学性能，可以直接作为光波导材料与微光学元器件的原材料使用，得到的复合薄膜微纳透镜阵列可以直接与半导体光源和探测器集成到一起，不需要通过刻蚀的方法将透镜阵列转移到基底上，这在一定程度上减少了加工的工序，降低了制作成本。

一.项目背景.本项目针对目前微透镜阵列作为一种重要的微光学元器件在许多领域的广泛应用，如成像、声光学、集成光学、光通信系统、微光学传感器、光耦合、光互连等领域。.二.主要研究内容.(一)通过溶胶-凝胶方法结合旋涂法制备紫外光敏有机-无机复合薄膜。研究了薄膜的表面形貌特性，光波导特性，光响应特性以及化学结构特性等。结果表明该复合薄膜表面光滑致密具有较高的透光率，此外，该薄膜具有紫外光固化功能与良好的光开关特性；.(二)通过旋涂方法结合提拉法制备大面积单层紧密排列聚苯乙烯微球模板。研究了旋涂速度、SDS溶液浓度、提拉速度对聚苯乙烯微球模板形貌结构的影响，在玻璃基底上制备得到大面积单层致密的聚苯乙烯微球模板，以此聚苯乙烯模板作为压印母版，通过紫外软压印技术在上述复合薄膜上制备得到微球阵列结构。.(三)以光刻胶微透镜阵列模板作为压印母版的紫外软压印技术研究；研究了薄膜异形微透镜阵列的成像特性以及在OLED中的应用效果。.三、关键技术与创新点： .（1）通过溶胶-凝胶技术在二氧化钛/有机改性硅酸盐复合薄膜材料中同时引入了偶氮苯小分子与紫外光敏功能基团，使得制备得到的复合薄膜材料同时具有光开关与紫外光敏特性，可通过紫外软压印技术在该复合薄膜上制备微纳光学元器件阵列结构。.（2）结合旋涂方法与提拉法制备单层聚苯乙烯微球模板，通过此方法可修复由旋涂法带来的聚苯乙烯微球模板中的点、线与面缺陷，另外，在旋涂与提拉过程中，在聚苯乙烯微球乳液中加入SDS溶液，也在很大程度上修复了自组装过程引入的缺陷，从而制备得到大面积、单层紧密排列的聚苯乙烯微球模板。.（3）通过相关的理论分析设计了不同形状与尺寸大小的微透镜阵列结构，包括圆形、正方形、椭圆与六边形微透镜阵列结构，通过结合光学光刻方法与热回流方法在光刻胶表面制备得到微透镜阵列结构，进一步通过紫外软压印技术将该微透镜阵列结构转移到上述复合薄膜上。对制备得到的复合薄膜微透镜阵列结构进行相关的光学特性表征与测试。