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微纳图形结构,一般是具有较好的宽高比的球状或者锥状结构。这种结构具有优良的抗反射性能,较宽的光谱响应区域,极化不敏感性以及较强的耐恶劣环境等优良性能,目前广泛的用于光电子领域,微电子领域以及光学制造领域等等。本文分别利用绿光、红光、蓝光等不同的激光直写系统在不同的相变材料薄膜上制备了形状各异,均匀规则的微纳结构,并且较全面的解释了这些图形结构的形成机理;并进一步利用蓝光直写系统在相变材料薄膜以及金属氧化物薄膜上制备了灰度过渡自然,均匀整齐的灰度图形,包括单独的灰度条以及实物照片的位图等等。另外,还扩展了相变材料阈值效应的应用范围,推导并计算了微纳级薄膜的力学性能。其主要内容包括以下几点:
1.利用绿光、红光、蓝光等不同的激光直写系统在不同的相变材料薄膜上制备了形状各异,均匀规则的微纳结构。这些微纳结构随着激光能量的增加,而依次出现浅碗状,圆盖状,阔边帽状,深碗状,深坑状结构。这些图形结构均是在单层相变材料薄膜上制备。利用连续激光模式还制备了线状的凸起型图形结构,并利用相变材料晶态与非晶态的不同,利用腐蚀液对其进行腐蚀,并得到了边缘陡峭,顶部平滑的腐蚀图形结构。
2.分别利用Marangoni效应、材料熔化汽化效应以及热致化学分解效应解释了三种图形结构的形成机理。其中Marangoni效应比较适合单层薄膜状态,其上部没有介电层覆盖,熔体比较容易产生对流,其中熔池中的热毛细效应和化学毛细效应的强弱程度决定了熔池最后的形状;材料熔化汽化效应比较适合表层覆盖有介电层的膜层,此时的凸起型结构主要是由于介电层下面的材料发生熔化甚至汽化而引起巨大的体积膨胀,从而在表面形成巨大的凸起;热致化学分解效应比较适合AgOx的鼓泡形成。这种材料在加热到160度左右时会发生分解反应,生成氧气和Ag粒子,氧气对外表面产生巨大的压力,从而产生巨大的凸起结构。除了研究形成机理之外,还利用离子束切割技术得到了凸起型图形结构的内部结构组织,主要是空心的快速凝固组织。这为之前的机理分析提供了有力的证据。
3.根据相变材料在不同激光作用下灰度会发生变化的现象制备了一系列的灰度图形结构,并在显微镜下观察到图形灰度呈现由浅灰色到白色再到黑色的渐变过程,基本上满足灰度图形的使用要求,这种灰度变化情况以Sb2Te3材料和金属氧化物TeOx为最佳。Sb2Te3材料灰度变化机理主要是由于激光烧蚀程度的不同引起的表面粗糙化程度不同,从而对光线的散射、反射、吸收等性质不同引起的,根据此机理,利用实物照片的位图制备了灰度过渡均匀自然的灰度图形,达到了很好的效果;而TeOx材料的灰度变化主要是由于在激光作用下,薄膜中的Te粒子发生偏析,进而团聚的结果。
4.鉴于在相变材料上制备的图形结构为一系列的表面凸起,类似于金字塔的形状,为了测试这种结构的稳定性,对这些结构进行了原子力原位加热实验,结果发现这些图形结构在加热到80-100℃左右时没有发生明显的形貌、组织变化,这说明在相变材料上制备的图形结构具有一定的抗老化能力,能够在高于室温条件下作业。
5.根据相变材料在激光作用卜会发生凸起的性质,推导并计算了微纳级透明陶瓷薄膜力学性能的计算分析,得到了10nm厚度ZnS-SiO2薄膜的表面延伸率,残余应力以及弹性模量等性能参数,为微纳级薄膜力学性能测量打下了基础。