一种聚四氟乙烯基二维光子晶体及其制备方法

1.本发明属于光子晶体技术领域，具体涉及一种聚四氟乙烯基二维光子晶体及其制备方法。


背景技术：

2.光子晶体的概念由e.yablonovitch及s.john几乎同一时间提出，由于其能对光子进行调制而引起科学家们的浓厚兴趣。其中二维光子晶体具有特殊能带结构、尺寸小、极易引入缺陷等特点，近些年在光通信、光存储、传感等光子领域受到青睐。国内外制备二维光子晶体方法多种多样，如光刻法、电化学法、微挤压法等。其中utkin等通过电子束光刻的方式在硅表面制备了二维光子晶体，但这种方法产率较低，很难精确控制刻蚀尺寸，并且设备结构复杂，价格昂贵。xiahou等采用激光全息光刻法在pvc、pdms和铬板等材料上制备了二维光子晶体，但是这种方法容易受到制备材料条件的限制，无法在大部分材料上加工。byeon等采用纳米压印光刻和电感耦合等离子体刻蚀方法，制备了p-gan层光子晶体，这种方法脱模难度大，容易污染产物，并且大多数是不连续生产，压印质量的好坏取决于模板质量，不能大规模制备。ren等通过针尖注射法制备了聚苯乙烯二维光子晶体阵列，并且填充聚乙烯醇，得到聚乙烯醇二维光子晶体水凝胶，这种方法制备出的二维光子晶体模板完整度低，得到的二维光子晶体质量较差。dai等利用自组装制备大面积微晶纤维素二维光子晶体，但是该方法得到的组装体结构不稳定，需要依附于其他材料上。
3.现阶段国内外制备方法，对特定尺寸的光子晶体精度不高，并且无法大批量生产，生产效率低，加工时应力引起的材料表面形变。对于基底材料，国内外研究员所利用的材料普遍昂贵、经济性较差且对太赫兹波段的损耗较高。因此，寻找一种简单、成本低、可批量生产且性能稳定的方法制备二维光子是当务之急。


技术实现要素：

4.为了解决这个问题，本发明提供一种聚四氟乙烯基二维光子晶体及其制备方法，通过飞秒超快激光加工与聚四氟乙烯材料有效结合，并通过激光控制系统的加工参数和加工形状精准的在材料上制备尺寸和形状均可控的微米级的二维光子晶体结构。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.提供一种聚四氟乙烯在飞秒超快激光制备二维光子晶体中的应用。
7.提供一种聚四氟乙烯基二维光子晶体，以聚四氟乙烯为基底，通过飞秒超快激光进行刻蚀制备得到。
8.按上述方案，通过飞秒激光进行刻蚀制备的具体参数为：
9.控制飞秒激光的加工功率为8～11w，激光扫描速率为80～120mm/s，激光扫描次数为 8～11次。
10.按上述方案，所用飞秒激光器的设备参数包括脉宽300fs-400fs，重复频率 80khz-120khz，波长1040-1064nm。
11.按上述方案，所述聚四氟乙烯基底上形成方形微孔阵列，单个微孔的直径为70～120μm，相邻微孔的圆心间距为200～300μm。
12.按上述方案，所得二维光子晶体的锥度低于3.6
°
。
13.按上述方案，所述聚四氟乙烯基底厚度为200～300μm。
14.提供一种聚四氟乙烯基二维光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
15.1)将聚四氟乙烯基底按需切割，清洗，干燥，进行预处理；
16.2)将步骤1)预处理过的聚四氟乙烯基底的温度控制为20～50℃，然后通过飞秒激光器进行刻蚀，其中控制飞秒激光的加工功率为8～11w，激光扫描速率为80～120mm/s，激光扫描次数为8～11次，在聚四氟乙烯材料表面形成方形微孔阵列作为气柱，最后清洗干燥即得聚四氟乙烯基二维光子晶体。
17.按上述方案，所述步骤1)中，预处理具体步骤为：将聚四氟乙烯薄板根据所需的尺寸，切割成一定大小；用无水乙醇将基底材料清洗干净，在30℃的环境中干燥，备用。
18.按上述方案，所述步骤2)中，在空气环境中将预处理后聚四氟乙烯样品固定在三维精密移动加工平台上，并通过对计算机的控制实现对样品在空间三维x-y-z方向上的移动。
19.按上述方案，所述步骤2)中，飞秒激光器的设备参数包括脉宽300fs-400fs，重复频率 80khz-120khz，波长1040nm-1064nm。
20.按上述方案，所述步骤2)中，飞秒激光加工完成后，用去离子水和超声波清洗8～10min，将所得微孔阵列表面和内部残留的碎渣和碎屑杂质去除干净，最后在30℃环境中干燥 30min。
21.本发明的有益效果如下：
22.1.本发明以聚四氟乙烯作为二维光子晶体的基底材料，配合飞秒超快激光加工，通过合适的激光加工参数制备得到尺寸形状可控的微米级的二维光子晶体结构，热影响小，精确度高，二维光子晶体的锥度可以低于3.6
°
，所得二维光子晶体质量高，符合太赫兹波段的要求，具有工业化应用前景。
23.2.本发明首次选择聚四氟乙烯作为基底材料，特定太赫兹波段的损耗低；同时聚四氟乙烯为柔性材料，更易在光子晶体的结构完整的同时引入缺陷，从而保证二维光子晶体和缺陷的完整性，使得光子晶体的工作性能增强。再配合飞秒超快激光，可以有效避免由热效应或应力引起的材料表面形变，并利用飞秒激光的超短脉冲，极大的降低激光加工聚四氟乙烯产生的碳化影响。此外柔性聚四氟乙烯基地配合超快激光加工，极大地减少了因激光作用而产生材料表面皲裂，显著提高对孔径精度的控制以及光子晶体的成品率，适用于医疗保健、食品安全，甚至预测地震等方面，具有更广阔的应用前景。
24.3.本发明中聚四氟乙烯价格便宜，容易获得，整个制备工艺简单，所得二维光子晶体质量高，性能稳定，可实现批量工业化生产。
附图说明
25.图1为实施例2中预期聚四氟乙烯二维光子晶体三维立体图及微孔阵列cad示意图，其中左图为二维光子晶体三维立体图，右图为微孔阵列cad示意图。
26.图2为实施例2制备所得厚280μm，单个微孔的直径为100μm，相邻微孔的圆心间距
为250μm的聚四氟乙烯二维光子晶体结构的完全带隙图；其中左图为二维光子晶体结构的完全带隙图，右图为可用带隙的局部放大图。
27.图3为实施例1中不同激光扫描速度下单个微孔的孔径和热影响区图，从左到右，激光扫描速度分别为80、100、120mm/s。
28.图4为实施例2中不同激光功率下单个微孔的孔径和热影响区图，从左到右，激光加工功率分别为8、9、10、11w。
具体实施方式
29.下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步的解释说明。
30.实施例1：
31.提供一种超快激光的聚四氟乙烯二维光子晶体的制备方法，包括如下步骤：1)基底的预处理：将聚四氟乙烯薄根据所需的尺寸，切割成一定大小。用无水乙醇将基底材料清洗干净，在32℃的环境中干燥，备用；
32.2)阵列孔的刻蚀制备：在空气环境中将切割后的样品固定在三维精密移动加工平台上，并通过对计算机的控制实现对样品在空间三维x-y-z方向上的移动；飞秒激光器的设备参数包括脉宽为388fs、重复频率为100khz、波长为1040nm，通过计算机控制，经过飞秒激光器、反射镜、扩束镜、在经过反射镜、扫描振镜输出至移动平台上，在所述1)步骤中厚度为200μm的聚四氟乙烯基底上，将聚四氟乙烯基底的温度控制为30℃，控制飞秒激光的加工功率为9w，激光扫描速率为80、100、120mm/s，激光扫描次数为9次，通过对清洁干净的基底材料进行飞秒激光刻蚀，在聚四氟乙烯材料表面制备正方圆形微孔阵列，使单个微孔的直径为80μm，相邻微孔的圆心间距为200μm，使聚四氟乙烯上的微孔阵列作为气柱，形成正方圆形微孔阵列，就得到二维光子晶体。
33.3)清洗表面和内部：加工完成后。微孔阵列表面和内部有很多残留的碎渣和碎屑，用去离子水和超声波清洗8～10min，将杂质去除干净。
34.4)加工样品的干燥：将清洗干净的聚四氟乙烯加工样品在30℃的环境中干燥30min，将内部和表面的水分完全干燥。
35.2)表征和测量：将加工好的样品放在3d激光共聚焦显微镜(基恩士vk-x250k,测量最高分辨率为12nm)下进行表征和测量孔径。此实例中得到的二维光子晶体单个微孔的测量数据如表1所示，图片如图3所示。本实施例是通过激光直写技术在聚四氟乙烯基底上，通过飞秒超快激光刻蚀的方法来制备二维光子晶体。通过激光刻蚀空气柱后二维光子晶体的模拟频率选择的1.326thz—1.368thz波段。从图3可知，通过3d激光共聚焦显微镜观察的二维光子晶体微观图，可以看到其孔大小与表面的热影响区，可以得知本实施例制备二维光子晶体微孔大小和热影响区的多变性。本实施通过激光扫描次数来调节孔径和热影响区大小，本实施例制备的二维光子晶体的频率选择带完全符合太赫兹波段要求。
36.表1不同扫描速度下飞秒激光下ptfe薄板制备二维光子晶体实验数据
[0037][0038]
实施例2：
[0039]
一种超快激光的聚四氟乙烯二维光子晶体的制备方法，包括如下步骤：
[0040]
1)基底的预处理：将聚四氟乙烯薄根据所需的尺寸，切割成一定大小。用无水乙醇将基底材料清洗干净，在30℃的环境中干燥，备用；
[0041]
2)阵列孔的刻蚀制备：在空气环境中将切割后的样品固定在三维精密移动加工平台上，并通过对计算机的控制实现对样品在空间三维x-y-z方向上的移动；飞秒激光器的设备参数包括脉宽为388fs、重复频率为100khz、波长为1040nm，在所述1)步骤中厚度为280μm 的聚四氟乙烯基底上，将聚四氟乙烯基底的温度控制为30℃，控制飞秒激光的加工功率为8、 9、10、11w，激光扫描速率为100mm/s，激光扫描次数为9次，通过对清洁干净的基底材料进行飞秒激光刻蚀，在聚四氟乙烯材料表面制备正方圆形微孔阵列，使单个微孔的直径为 100μm，相邻微孔的圆心间距为250μm，如图1所示，使聚四氟乙烯上的微孔阵列作为气柱，形成正方圆形微孔阵列，就得到二维光子晶体。
[0042]
3)清洗表面和内部：加工完成后。微孔阵列表面和内部有很多残留的碎渣和碎屑，用去离子水和超声波清洗8～10min，将杂质去除干净。
[0043]
4)加工样品的干燥：将清洗干净的聚四氟乙烯加工样品在30℃的环境中干燥30min，将内部和表面的水分完全干燥。
[0044]
2)表征和测量：将加工好的样品放在3d激光共聚焦显微镜(基恩士vk-x250k,测量最高分辨率为12nm)下进行表征和测量孔径。此实例中得到的二维光子晶体单个微孔的测量数据如表2所示，图片如图4所示。
[0045]
本实施例是通过激光直写技术在聚四氟乙烯基底上，通过飞秒超快激光刻蚀的方法来制备二维光子晶体。从图2可知，通过激光刻蚀空气柱后二维光子晶体的模拟频率选择的 1.4348thz—1.4404thz波段。从图4可知，通过3d激光共聚焦显微镜观察的二维光子晶体微观图，可以看到其孔大小与表面的热影响区，可以得知本实施例制备二维光子晶体微孔大小和热影响区的多变性。本实施通过激光加工功率来调节孔径和热影响区大小，本实施例制备的二维光子晶体的频率选择带完全符合太赫兹波段要求。
[0046]
表2不同激光功率下飞秒激光下ptfe薄板制备二维光子晶体实验数据
[0047][0048]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。