劉亞梅，馬海航，谷巖，黃洲，張順

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

增透膜又稱減反膜，在光學(xué)元件上涂覆增透膜可以有效減少光學(xué)元件表面處的反射光，增加光的透射率［1］。微納結(jié)構(gòu)陣列具有多種光學(xué)特性以及機(jī)械特性，例如增透、結(jié)構(gòu)色［2］、疏水性［3］等。在工業(yè)應(yīng)用中，利用微納結(jié)構(gòu)陣列的增透性能可以有效提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率［4］與顯示器的可視性［5］。隨著微納結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的高速發(fā)展，微納結(jié)構(gòu)薄膜在增透膜中脫穎而出。光柵作為諸多傳統(tǒng)微納結(jié)構(gòu)中的一種，其制備手段多、制造成本低，被應(yīng)用于3D 傳感、車載光學(xué)、太陽(yáng)能電池等眾多領(lǐng)域。

由于微納結(jié)構(gòu)對(duì)加工技術(shù)的精度要求極高，目前微納結(jié)構(gòu)的制備手段主要集中在光刻技術(shù)上［6］。光刻技術(shù)按曝光光源分為兩類［7］，一類是以光子為光源的光刻技術(shù)，其工藝成本過(guò)高并且加工周期漫長(zhǎng)，目前不適合進(jìn)行批量化加工；另一類是以粒子為光源的光刻技術(shù)，該技術(shù)可以制備出線寬10 nm 以下高分辨率的微納圖案，但是在曝光效率上不及光學(xué)光刻曝光［8］。納米壓印技術(shù)作為一種新穎的光刻技術(shù)，由普林斯頓大學(xué)周郁教授于1995年提出［9］。該技術(shù)不同于傳統(tǒng)光刻技術(shù)，其規(guī)避了傳統(tǒng)光刻技術(shù)中的復(fù)雜工藝，以工藝流程簡(jiǎn)單、制造成本低的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注［10］。但納米壓印制備微納結(jié)構(gòu)時(shí)仍有一些問(wèn)題需要解決：例如，壓印膠填充效率低下導(dǎo)致了圖案轉(zhuǎn)移效果不佳、壓印力過(guò)大導(dǎo)致模板形貌損壞等。為了解決上述傳統(tǒng)納米壓印存在的問(wèn)題，許多研究人員將振動(dòng)引入了納米壓印加工工藝中。其中，超聲波振動(dòng)輔助納米壓印是一種常見(jiàn)的在壓印過(guò)程中施加振動(dòng)的方法。MEKARU H 等［11］在納米壓印技術(shù)中引入了超聲波振動(dòng)，施加振動(dòng)后壓印過(guò)程中的氣泡明顯減少，壓印效果有了很大提高。YU H W 等［12］利用超聲振動(dòng)納米壓印使聚合物填充率顯著提高，不但改善了微結(jié)構(gòu)表面形貌，還縮短了微結(jié)構(gòu)成型時(shí)間。LUO H 等［13］通過(guò)疊加超聲振動(dòng)對(duì)熔融態(tài)玻璃進(jìn)行充模成型的研究，證明了振動(dòng)參數(shù)對(duì)填充率與成型時(shí)間有很大影響。雖然振動(dòng)引起的沖擊力可以減小粘彈性流體對(duì)模板空腔側(cè)壁的摩擦力，從而提高填充率。但是，微納結(jié)構(gòu)的制備對(duì)加工精度要求極高，由于超聲波振動(dòng)的振動(dòng)頻率較高、振動(dòng)幅度較大，會(huì)影響微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印的效果，甚至導(dǎo)致模板結(jié)構(gòu)損壞。因此，需要一種新型振動(dòng)輔助納米壓印方法解決上述問(wèn)題。GU Y 等［14］通過(guò)振動(dòng)輔助納米壓印方法有效提高了壓印膠的填充率，制備出形貌完整的納米柱結(jié)構(gòu)。

本文提出一種基于壓電驅(qū)動(dòng)的低頻率、低振幅的振動(dòng)輔助納米壓印方法制備雙面光柵結(jié)構(gòu)。首先，運(yùn)用有限差分時(shí)域法（FDTD）對(duì)雙面光柵結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)500～1 500 nm 范圍內(nèi)進(jìn)行光學(xué)仿真分析，探究光柵周期對(duì)透射率的影響關(guān)系，從而優(yōu)化出透射性能最佳的雙面光柵結(jié)構(gòu)并作為納米壓印實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉Ｍㄟ^(guò)建立振動(dòng)輔助納米壓印數(shù)學(xué)模型研究振動(dòng)對(duì)壓印膠填充行為影響的機(jī)理，通過(guò)仿真模擬得到了引入振動(dòng)后填充率隨振動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，從而選擇最佳振動(dòng)參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行振動(dòng)輔助納米壓印，將制備出的雙面光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面形貌表征，驗(yàn)證了引入振動(dòng)后壓印膠的填充率明顯提高，制備出的光柵表面完整、連貫。與傳統(tǒng)納米壓印相比，引入振動(dòng)制備出了具有更高質(zhì)量的光柵結(jié)構(gòu)。最后對(duì)覆有振動(dòng)輔助納米壓印制備的雙面光柵薄膜的SiO2進(jìn)行透射率檢測(cè)，相較于傳統(tǒng)納米壓印制備的雙面光柵薄膜的SiO2與無(wú)薄膜的SiO2透射率得到顯著提高。

1 雙面光柵結(jié)構(gòu)薄膜對(duì)透射性能的影響

1.1 仿真模型建立

在進(jìn)行振動(dòng)輔助納米壓印實(shí)驗(yàn)之前，通過(guò)使用有限差分時(shí)域法對(duì)光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，以研究其周期變化對(duì)光學(xué)性能的影響規(guī)律。仿真模型由三個(gè)部分組成，如圖1。第一部分為光源，選擇平面波光源（波長(zhǎng)500～1 500 nm）作為仿真光源垂直入射至光柵結(jié)構(gòu)。第二部分為光柵結(jié)構(gòu)，材料選用后續(xù)實(shí)驗(yàn)所用壓印光刻膠。第三部分為基板，材料選用SiO2。在仿真的邊界條件設(shè)置中，將X方向設(shè)置為反對(duì)稱邊界條件（Anti-Symmetric），Y方向設(shè)置為對(duì)稱（Symmetric）邊界條件，Z方向設(shè)置為完美匹配層（PML）邊界條件。在光柵結(jié)構(gòu)與光源之間設(shè)置反射率監(jiān)視器，基板中心設(shè)置透射率監(jiān)視器。在雙面光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，相比于其他參數(shù)對(duì)透射率的影響，周期參數(shù)對(duì)透射率的影響是主導(dǎo)性的。為了研究雙面光柵結(jié)構(gòu)的周期參數(shù)對(duì)透射率的影響，通過(guò)調(diào)整上表面與下表面光柵的周期參數(shù)討論光柵周期對(duì)透射率的影響規(guī)律。

圖1 FDTD 仿真模型示意Fig.1 Schematic of FDTD simulation model

1.2 上表面光柵的周期對(duì)透射率的影響

為了研究上表面光柵結(jié)構(gòu)的周期對(duì)透射率的影響規(guī)律，通過(guò)固定下表面光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅改變上表面的周期參數(shù)進(jìn)行討論。將下表面光柵結(jié)構(gòu)設(shè)置周期為2 000 nm，占空比為0.5，光柵結(jié)構(gòu)高度為500 nm。將上表面光柵結(jié)構(gòu)周期分別設(shè)置為800 nm，1 000 nm，1 200 nm，1 400 nm，占空比均為0.5，高度均為500 nm?；诮Y(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置，仿真模擬不同周期的上表面光柵在波長(zhǎng)500～1 500 nm 內(nèi)的透射率，如圖2。從圖中可以觀察到，上表面周期為800 nm 的光柵在700 nm 波長(zhǎng)的透射率可以達(dá)到95%。通過(guò)計(jì)算，上表面光柵結(jié)構(gòu)的周期參數(shù)與在500～1 500 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。當(dāng)下表面光柵尺寸參數(shù)一定，上表面光柵占空比、高度不變時(shí)，上表面光柵周期越小，平均透射率越高。

表1 上表面光柵周期參數(shù)與平均透射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between the period parameters of the upper surface gratings and the average transmittance

圖2 波長(zhǎng)500～1 500 nm 范圍內(nèi)不同周期上表面光柵的透射率Fig.2 Transmittance of upper surface gratings with different periods in the wavelength range of 500～1 500 nm

1.3 下表面光柵的周期對(duì)透射率的影響

為了研究下表面光柵結(jié)構(gòu)的周期對(duì)透射率的影響規(guī)律，設(shè)置上表面光柵周期為1 000 nm，占空比為0.5，高度為500 nm。將下表面光柵結(jié)構(gòu)周期分別設(shè)置為1 200 nm，1 400 nm，1 600 nm，1 800 nm，占空比與高度均設(shè)置為0.5、500 nm。仿真結(jié)果如圖3，從圖中可以看出隨著波長(zhǎng)的增加，四條透射率曲線均呈上升趨勢(shì)。下表面光柵結(jié)構(gòu)的周期參數(shù)與在500～1 500 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。當(dāng)上表面光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，下表面光柵占空比、高度不變時(shí)，下表面光柵周期越大，平均透射率越高。

圖3 波長(zhǎng)500～1500 nm 范圍內(nèi)不同周期下表面光柵的透射率Fig.3 Transmittance of lower surface gratings with different periods in the wavelength range of 500～1500 nm

表2 下表面光柵周期參數(shù)與平均透射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between the period parameters of the lower surface gratings and the average transmittance

通過(guò)對(duì)FDTD 仿真結(jié)果的分析，分別得到了上表面光柵結(jié)構(gòu)與下表面光柵結(jié)構(gòu)的周期對(duì)透射率的影響關(guān)系，并且選擇周期為800 nm，占空比為0.5，高度為500 nm 的光柵結(jié)構(gòu)作為壓印實(shí)驗(yàn)的上表面結(jié)構(gòu)。選擇周期為1 800 nm，占空比為0.5，高度為500 nm 的光柵結(jié)構(gòu)作為壓印實(shí)驗(yàn)的下表面結(jié)構(gòu)。

2 振動(dòng)輔助納米壓印機(jī)理

2.1 振動(dòng)輔助納米壓印數(shù)學(xué)模型的建立

表面圖案轉(zhuǎn)移是納米壓印技術(shù)的關(guān)鍵步驟之一，而壓印膠的填充率是影響表面圖案轉(zhuǎn)移質(zhì)量的重要因素。在壓印過(guò)程中，如果壓印膠填充率低，會(huì)降低圖案轉(zhuǎn)移后微結(jié)構(gòu)的復(fù)制率，導(dǎo)致復(fù)制精度不能達(dá)到預(yù)期。在平面對(duì)平面的壓印過(guò)程中，由于壓印膠的粘附力和壓印膠與模板之間摩擦力的共同作用，產(chǎn)生了一個(gè)與壓印力方向相反的阻力，使得壓印過(guò)程中所需的壓印力變大。

壓印膠和模板空腔側(cè)壁之間的受力［15］為

式中，F(xiàn)′為壓印膠在模板空腔側(cè)壁所受的力；μ為壓印膠與模板側(cè)壁間的摩擦系數(shù)；H為壓印膠與側(cè)壁間的粘附力；γ 為壓印膠與模板間所存在的粘附能；K為兩材料（模板與壓印膠）的綜合彈性模量；r為側(cè)壁接觸面的有效半徑。

式中，γ1為模板本身的表面能；γ2為壓印膠本身的表面能；γ12為模板與壓印膠間的界面能；E1為模板的彈性模量；E2為壓印膠的彈性模量；v1為模板的泊松比；v2為壓印膠的泊松比。于是，所需壓印力F為

壓印膠層厚度與壓印力的關(guān)系由Reynolds 定理和Navier-Stockes 方程得到［16］，即

式中，hi是未填入模板空腔的壓印膠層高度；η是壓印膠粘度；v是壓印速度；R是壓印膠與模板的接觸半徑；F是壓印力。

通過(guò)增加壓印力，使得一部分壓印膠被填充到微結(jié)構(gòu)模板空腔內(nèi)，此時(shí)剩余部分壓印膠層厚度減小。但是在施加壓力時(shí)，壓印膠會(huì)與模板發(fā)生擠壓，從而產(chǎn)生擠壓力。擠壓增加了側(cè)壁的接觸半徑，由式（1）、（2）可得粘附力與摩擦力也會(huì)相應(yīng)增大，導(dǎo)致所需壓印力變大，從而對(duì)壓印產(chǎn)生影響。

本文在壓印過(guò)程中引入一種壓電驅(qū)動(dòng)的低頻率、低振幅的橫向一維振動(dòng)的方法，在這種周期性振動(dòng)下壓印膠承受正弦變化的應(yīng)力σt表示為

式中，σmax為應(yīng)力最大值；ω為角頻率；t為時(shí)間。

由于施加振動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力的影響，實(shí)際應(yīng)力σ發(fā)生變化，即

從圖4中壓印膠的受力分析可以看出，在壓印膠填充模板空腔的過(guò)程中，由于施加振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力σt，壓印膠在橫向上從兩側(cè)向中間流動(dòng)，使得壓印膠與模板空腔側(cè)壁的有效接觸面積減小。由式（1）、（2）、（5）可知，當(dāng)壓印膠側(cè)壁接觸面的有效半徑r減小時(shí)，壓印膠與側(cè)壁間的粘附力H、壓印膠在模板空腔側(cè)壁所受的力F′相應(yīng)減小，使得在壓印過(guò)程中所需的壓印力F減小。通過(guò)所建立的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證了引入橫向一維振動(dòng)可以有效減小壓印實(shí)驗(yàn)中所需要的壓印力，提高壓印膠對(duì)模板的填充效果。

圖4 振動(dòng)輔助納米壓印數(shù)學(xué)模型Fig.4 Mathematical model of vibration-assisted nanoimprint mechanism

2.2 振動(dòng)參數(shù)對(duì)填充效果的影響

在施加振動(dòng)的過(guò)程中，如果振動(dòng)幅度大于光柵橫向線寬，會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的振幅破壞模板以及制備出的微結(jié)構(gòu)表面形貌。由于上、下表面光柵是兩種不同周期尺寸的光柵結(jié)構(gòu)，振動(dòng)參數(shù)的研究分別針對(duì)上、下表面光柵結(jié)構(gòu)兩部分進(jìn)行討論。

對(duì)于周期為800 nm，占空比為0.5 的上表面光柵結(jié)構(gòu)，其橫向線寬為400 nm。在研究振動(dòng)頻率對(duì)填充率的影響時(shí)，設(shè)置振動(dòng)幅度恒定為100 nm，振動(dòng)頻率分別為50 Hz，100 Hz，150 Hz，200 Hz，仿真結(jié)果如圖5。從圖中可以觀察到振動(dòng)頻率對(duì)填充率影響并不明顯，四種振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)填充率均在65%左右，最高與最低填充率僅相差1%。當(dāng)振動(dòng)幅度一定時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)填充率幾乎沒(méi)有影響。

圖5 振動(dòng)頻率對(duì)上表面填充率的影響Fig.5 Influence of vibration frequency on filling rate of the upper surface

通過(guò)設(shè)置振動(dòng)頻率為100 Hz，振動(dòng)幅度分別為100 nm，200 nm，300 nm，400 nm 來(lái)探究振動(dòng)幅度對(duì)上表面光柵結(jié)構(gòu)填充率的影響規(guī)律，仿真結(jié)果如圖6。從圖中可以觀察到振動(dòng)幅度為300 nm 時(shí)，填充率達(dá)到最大值約為90%。當(dāng)振動(dòng)幅度為400 nm 與光柵橫向線寬相同時(shí)，填充率下降到了80%。這可能是因?yàn)檎駝?dòng)幅度過(guò)大，壓印膠橫向加速度增加，由于慣性作用部分壓印膠與模板側(cè)壁發(fā)生粘連，從而導(dǎo)致填充率下降。并且當(dāng)振幅過(guò)大時(shí)，壓印膠不斷撞擊模板光柵側(cè)壁，容易導(dǎo)致模板表面形貌被破壞。

圖6 振動(dòng)幅度對(duì)上表面填充率的影響Fig.6 Influence of vibration amplitude on filling rate of the upper surface

由于振動(dòng)頻率對(duì)填充率的影響不大，針對(duì)下表面光柵的振動(dòng)參數(shù)僅進(jìn)行振動(dòng)幅度的討論。下表面光柵周期為1 800 nm，占空比為0.5，高度為500 nm，設(shè)置振動(dòng)頻率恒定100 Hz，振動(dòng)幅度分別為400 nm，500 nm，600 nm，700 nm，仿真結(jié)果如圖7。從圖中可以看到，振動(dòng)幅度為600 nm 時(shí)，填充率可以達(dá)到91.7%。當(dāng)振動(dòng)幅度為700 nm 時(shí)，填充率略有下降，為88.8%。

圖7 振動(dòng)幅度對(duì)下表面填充率的影響Fig.7 Influence of vibration amplitude on filling rate of lower surface

經(jīng)過(guò)仿真分析，選用振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅度分別為100 Hz、300 nm 作為制備上表面光柵結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)；選用振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅度分別為100 Hz、600 nm 作為制備下表面光柵結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)。

3 振動(dòng)輔助納米壓印制備雙面光柵實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理

圖8為振動(dòng)輔助納米壓印實(shí)驗(yàn)流程。首先，使用乙醇溶液清洗基板以除去基板表面的雜質(zhì)與污漬。隨后將清洗好的基板放入預(yù)熱到90℃的干燥箱烘干5 min，通過(guò)此步驟處理之后的基板表面幾乎沒(méi)有氣泡，可以保證壓印膠充分附著到基板表面。使用NIP-010 負(fù)型光刻膠作為壓印膠，將壓印膠以2 500 r/min 的轉(zhuǎn)速旋涂到基板上，旋涂時(shí)間為20 s。將旋涂好壓印膠的基板放入80℃的干燥箱內(nèi)烘干1 min，以消除在旋涂壓印膠時(shí)產(chǎn)生的微小氣泡。將準(zhǔn)備好的基板放置于振動(dòng)輔助納米壓印裝置上進(jìn)行壓印實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)輔助納米壓印裝置如圖9。

圖8 振動(dòng)輔助納米壓印實(shí)驗(yàn)流程Fig.8 Flow chart of vibration-assisted nanoimprinting experiment

圖9 振動(dòng)輔助納米壓印裝置Fig.9 Vibration-assisted nanoimprinting device

3.2 振動(dòng)輔助納米壓印實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行基板上表面結(jié)構(gòu)壓印時(shí)，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的基板放置于振動(dòng)平臺(tái)中央，軟模板固定在壓印裝置下方。通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)整X、Y軸位置，使軟模板與基板在Z軸方向重合。驅(qū)動(dòng)振動(dòng)平臺(tái)，在XY平面上產(chǎn)生頻率為100 Hz，振幅為300 nm 的橫向一維振動(dòng)。使用計(jì)算機(jī)控制壓印裝置沿Z軸方向的下降位移，當(dāng)軟模板與基板接觸時(shí)，壓印裝置下降的步進(jìn)位移調(diào)整為100 nm。繼續(xù)下壓，當(dāng)振動(dòng)裝置底部的測(cè)力計(jì)顯示40 N 時(shí)停止下壓，持續(xù)15 s，此時(shí)軟模板處于輕微形變狀態(tài)。隨后，將軟模板與基板放入紫外固化箱內(nèi)，固化時(shí)間為15 min。采用揭開(kāi)式脫模的方法進(jìn)行脫模，上表面光柵結(jié)構(gòu)制備完成。

進(jìn)行基板下表面壓印時(shí)，需要重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)處理，保證基板下表面符合壓印實(shí)驗(yàn)要求。在進(jìn)行預(yù)處理之后，將基板下表面朝上放置于振動(dòng)平臺(tái)中央。在XY平面施加頻率為100 Hz，振幅為600 nm 的橫向一維振動(dòng)，壓印步驟與制備上表面光柵壓印步驟相同。壓印完成后紫外固化15 min，最后采用揭開(kāi)式脫模方法脫模，下表面光柵結(jié)構(gòu)制備完成。

4 結(jié)果與討論

基于振動(dòng)輔助納米壓印制備出的兩種不同周期參數(shù)的光柵結(jié)構(gòu)，其表面形貌表征如圖10。在引入振動(dòng)之后，制備出的光柵結(jié)構(gòu)表面形貌完整，對(duì)模板的復(fù)制精度良好。制備出的光柵結(jié)構(gòu)高度與模板光柵結(jié)構(gòu)高度基本一致，這說(shuō)明在壓印時(shí)，壓印膠對(duì)模板空腔的填充效果良好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模板高質(zhì)量的復(fù)制。

圖10 光柵結(jié)構(gòu)SEM 檢測(cè)圖Fig.10 SEM inspection image of grating structure

為了研究傳統(tǒng)納米壓印與振動(dòng)輔助納米壓印的區(qū)別，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。在進(jìn)行傳統(tǒng)納米壓印實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用與振動(dòng)輔助納米壓印相同的壓印力40 N 進(jìn)行壓印，并對(duì)其表面進(jìn)行SEM 形貌檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖11。從圖中可以看出，光柵結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)大面積的粘連現(xiàn)象，表面缺陷嚴(yán)重。這是因?yàn)樵跊](méi)有引入振動(dòng)的情況下，40 N 的壓印力不足以使壓印膠大量填充到模板空腔內(nèi)，導(dǎo)致填充效果不理想，光柵圖案轉(zhuǎn)移質(zhì)量較差。

圖11 傳統(tǒng)納米壓印所制備的光柵結(jié)構(gòu)SEM 檢測(cè)圖Fig.11 SEM inspection image of grating structure prepared by traditional nanoimprint

對(duì)振動(dòng)輔助納米壓印制備好的雙面光柵結(jié)構(gòu)SiO2、傳統(tǒng)納米壓印制備的雙面光柵結(jié)構(gòu)SiO2與無(wú)薄膜的SiO2分別進(jìn)行透射率檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖12。在500～1 500 nm 波段范圍內(nèi)振動(dòng)輔助納米壓印制備的雙面光柵結(jié)構(gòu)SiO2平均透射率為92%，傳統(tǒng)納米壓印制備的雙面光柵結(jié)構(gòu)SiO2平均透射率為88%，而無(wú)薄膜的SiO2平均透射率為86%。振動(dòng)輔助納米壓印制備出的雙面光柵結(jié)構(gòu)薄膜對(duì)比無(wú)薄膜的SiO2平均透射率提升了6%，傳統(tǒng)納米壓印制備出的雙面光柵結(jié)構(gòu)薄膜由于表面形貌不佳，影響了透射性能，較無(wú)薄膜的SiO2透射率僅提高了2%。

圖12 振動(dòng)輔助納米壓印、傳統(tǒng)納米壓印制備的雙面光柵結(jié)構(gòu)SiO2與無(wú)薄膜SiO2透射率檢測(cè)圖Fig.12 The transmittance test diagram of SiO2 without film and SiO2 with double-sided grating structure film prepared by vibration-assisted nanoimprinting and conventional nanoimprinting

5 結(jié)論

本文提出了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)的新型振動(dòng)輔助納米壓印方法制備雙面光柵結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)雙面光柵進(jìn)行光學(xué)仿真分析，探究上、下表面光柵周期參數(shù)對(duì)透射率的影響關(guān)系。對(duì)振動(dòng)輔助納米壓印進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：1）在使用納米壓印技術(shù)制備光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)施加一維橫向低頻率、低振幅的振動(dòng)，可以有效提高壓印膠對(duì)模板的填充效果，減小傳統(tǒng)納米壓印所需的壓印力，在保護(hù)模板的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光柵結(jié)構(gòu)復(fù)制。2）使用FDTD 對(duì)雙面光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)性能仿真分析，研究光柵周期參數(shù)變化對(duì)透射率的影響關(guān)系。所有尺寸參數(shù)一定時(shí)，上表面光柵周期越小，下表面光柵周期越大，平均透射率越高。最終選擇制備的雙面光柵結(jié)構(gòu)上表面光柵周期為800 nm，下表面光柵周期為1 800 nm。經(jīng)過(guò)測(cè)試，傳統(tǒng)納米壓印所制備出覆有雙面光柵結(jié)構(gòu)薄膜的SiO2在500～1 500 nm 波段內(nèi)的平均透射率為88%，振動(dòng)輔助納米壓印制備的覆有雙面光柵結(jié)構(gòu)薄膜的SiO2平均透射率高達(dá)92%，較無(wú)薄膜的SiO2平均透射率提高了6%。3）將進(jìn)行振動(dòng)輔助納米壓印制備出的光柵結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)納米壓印制備出的光柵結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行表面形貌檢測(cè)。施加振動(dòng)制備出的光柵高度與模板空腔高度基本一致，證實(shí)了施加振動(dòng)后壓印膠的填充率有明顯提升，光柵表面形貌得到改善。