低能离子轰击诱发周期性纳米结构及其光学特性研究

As a nanofabrication technique without mask, self-organized nanostructure (NS) induced by broad ion bombardment becomes a focus in the field of nano-technology. .There are three factors that affect the quality of optical nanostructure. They are its type, long-range ordering and aspect ratio, respectively. Aiming at improving the quality of optical nanostructures from the above three aspects, the proposal is to investigate the formation and evolution of novel nanostructure induced by ion bombardment, and perform systematic study on the key technology to realize optical devices with nanostructures based on ion bombardment. During ion bombardment, metal co-deposition is induced to discuss the interaction mechanism between metallic atoms and surfaces. The long-range ordering will be enhanced by using pre-patterned substrate. Meanwhile the effect of pre-patterned topography must be studied upon the generation and evolution of surface topography. Nanostructure induced by ion bombardment is to be applied as template. Afterwards, the aspect ratio of surface could be improved with further reactive ion beam etching. .The proposal is featured at the following aspects: (1) to investigate the controllability of novel nanostructures induced by ion bombardment, (2) to gain the feasibility of optical nanostructures based on ion bombardments, and (3) to discover new characterizations and phenomenon due to new critical dimension of such nanostructures. The proposal is meaningful and helpful to gain insight of mechanism between ion and material and push the extension of the application of such nanostructures toward shorter spectral range.

宽束离子轰击诱发的自组织纳米结构作为一种无需掩模的大面积纳米结构制作技术，是目前纳米技术的研究热点。针对影响纳米结构光学特性的主要因素—纳米结构的形式、长程有序性和高宽比，本项目拟研究基于离子轰击方法的新颖纳米结构的自组织过程及其形成-演化机理，系统研究此方法制备光学纳米结构的关键技术。在离子轰击的同时，引入金属杂质共沉积，研究金属原子与诱发纳米结构的作用机制；对基底进行图形化预处理，研究初始基底的拓扑结构对纳米结构的产生及其演化规律的影响，提高其长程有序性。使用离子轰击诱发的纳米结构为模板，与反应离子束刻蚀等技术结合，提高结构高宽比。本项目的创新之处在于系统研究基于离子轰击技术制备新颖纳米结构的可控性，探索基于此技术的光学纳米结构器件的可行性，可望发现因纳米结构的形状和特征参数的特殊性而导致的新特性；加深离子束与材料作用机制认识、提升纳米结构的光学实用性，具有重要的科学意义和应用价值。

宽束低能离子轰击技术是一种极具潜力的纳米制备方法，既蕴含丰富的离子与材料相互作用的科学问题，又对发展简单可行的纳米制作技术具有应用价值。此技术利用低能离子轰击材料所产生的粗糙与平滑等效应，在材料表面自发地形成纳米结构，具有低成本、高效率、无掩模等特点。针对影响纳米结构光学特性的主要因素—纳米结构的形式、长程有序性和高宽比，本项目针对杂质沉积与离子轰击对表面纳米结构的耦合调控等科学问题，通过系统研究包含钼杂质沉积的氩离子轰击熔石英表面形貌的入射角和时间演化规律，揭示了金属杂质沉积促进离子轰击诱导纳米刻面结构的生长机制；发展了一种重复可控的渐变纳米刻面结构制备新方法，为拓展离子轰击诱导自组织纳米结构方法的应用提供了有益的借鉴。针对自组织波纹结构的有序性提高，系统研究具有相近离子轰击特性材料(光刻胶、减反膜)双层材料的形貌演化规律，在光刻胶/减反膜系统获得了质量好于单层光刻胶和单层减反膜的波纹，揭示并获得了一种使自组织波纹结构参数双向、可持续生长的物理机制及工艺参数，提出了基于自组织波纹形貌为预制图形的提高离子轰击诱导波纹质量的新思路。为了提高离子轰击诱导自组织纳米结构的高宽比，系统开展了光刻胶的离子轰击特性研究，揭示了正入射条件下光刻胶纳米孔的形成机制，获得了基于离子轰击技术的、确定性的光刻胶自组织纳米结构的调控方法和关键工艺参数，拓展了离子轰击的靶材范围；针对离子轰击诱导的光刻胶自组织波纹，提出基于反应等离子体刻蚀修饰与反应离子束刻蚀的图形转移方法，显著提高了纳米结构的高宽比，为拓展其应用提供了技术基础。在上述研究基础上，以铁为杂质靶的熔石英轰击实验中，通过一次离子轰击，在20×40平方毫米的面积内制备出周期在100-450nm，高度在25-180nm，闪耀角度在10-25度之间的渐变准周期纳米刻面结构，并且在结构区域内表现出可调谐和展宽的光学各向异性。对此结构进行非对称镀金后的金纳米结构，在不同位置分别对三种二维材料(二硫化钼、二硒化钼和二硒化钨)产生明显的表面等离子基元共振，并实现了显著的发光增强。此外，还表征了纳米刻面结构的散射特性，为其作为漫反射器件打下良好基础。以光刻胶波纹结构为掩模，通过反应离子束刻蚀技术获得了高宽比显著提高的熔石英亚波长纳米结构，这种亚波长纳米结构比光滑熔石英表面的透过率提高约1%，展示了离子轰击技术在功能性表面纳米结构制备方面的潜力。