紫外固化澆鑄法制作PUA蛾眼結構
本文采用聚氨酯丙烯酸酯(PUA)通過(guò)紫外固化澆鑄復制多孔氧化鋁(AAO)模板制作蛾眼微結構。PUA 低粘度和低表面能特性保證了高深寬比柱狀陣列結構的精確復制。測量制備的蛾眼結構與水的接觸角大于150°，得出蛾眼結構具有超疏水的表面特性，分析了超疏水機理；測量分析了蛾眼結構在400nm-800nm 波段的表面透射率較表面無(wú)圖形的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜有顯著(zhù)提高，且周期越小的蛾眼結構提高越明顯。
隨著(zhù)光電系統的小型化和集成化以及微光機電系統的開(kāi)發(fā)，系統結構和光學(xué)元件的微型化和陣列化成為新的發(fā)展需求。然而光電系統中光學(xué)元件表面的菲涅爾反射，嚴重限制了光電器件光能利用率的提高�？赏ㄟ^(guò)在光學(xué)器件表面鍍一層或幾層抗反射薄膜來(lái)消除這種反射，但是這種減反膜在制作時(shí)存在選料難、相鄰材料間的膨脹系數不匹配以及實(shí)現大視場(chǎng)大光譜范圍的高透射比較復雜等問(wèn)題。人們觀(guān)察夜間飛行的蛾的眼角膜的表面結構，發(fā)現其可等效于一層漸變折射率分布的減反膜，能在寬光譜大視場(chǎng)范圍內實(shí)現減反增透�；诖�，一種新的實(shí)現漸變折射率分布的方法——納米蛾眼減反結構引起人們的興趣。
目前，納米蛾眼結構已被應用于光伏電池、光學(xué)系統、固態(tài)照明、電荷耦合傳感和平板顯示等領(lǐng)域。目前制備納米蛾眼結構的方法可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于自上而下的方法，如電子束光刻、等離子刻蝕等，雖然獲得的蛾眼結構分辨率較高，但其工作模式效率低、成本高。另一類(lèi)是基于自下而上的方法，如自組裝法、溶膠凝膠法等，該類(lèi)方法可控性差，不適宜大幅面樣品的制作。微納米轉印技術(shù)作為一種制備微納米結構的技術(shù)，因其操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，分辨率高等特點(diǎn)被廣泛應用，其中基于PUA 的圖形復制技術(shù)已經(jīng)相當成熟，可以實(shí)現大面積高精度的圖形復制。將PUA 滴加在A(yíng)AO 模板上，蓋上PET，使PUA 在紫外光照射下固化后揭下PET，就得到PUA 蛾眼結構。由于PUA 具有良好的機械性能，固化后的PUA 與AAO 模板的分離過(guò)程將不會(huì )對復制的圖形產(chǎn)生影響。所以本文采用基于PUA 的紫外固化納米轉印技術(shù)可以實(shí)現低成本、高精度、高效率、大面積的蛾眼微結構制作。經(jīng)過(guò)測試分析，用該方法制備的蛾眼結構表面具有超疏水性能，其透射率較表面無(wú)圖形PET 有顯著(zhù)提高。
1、實(shí)驗
1.1、制作AAO 模板
用兩次陽(yáng)極氧化法制備AAO 模板。第一次陽(yáng)極氧化： 將預處理過(guò)的鋁薄片(純度為99.999%，厚度為0.25mm) 置于4℃的草酸溶液(濃度為0.3M) 中浸泡。隨后，用6wt%的磷酸溶液(60℃)對鋁箔片濕法腐蝕去除氧化鋁層。第二次的陽(yáng)極化處理過(guò)程與第一次相同，但陽(yáng)極氧化時(shí)間不同。經(jīng)過(guò)兩次陽(yáng)極氧化法處理后，多孔結構基本形成。為了擴大孔徑，可以將樣片放置于6wt%的磷酸溶液(32℃)中浸泡。調節第一次陽(yáng)極氧化的陽(yáng)極電壓和氧化時(shí)間，可以控制孔徑周期及孔徑深度；調節基片在擴孔溶液中的浸泡時(shí)間，可以控制孔徑大小。本文制備的AAO 模板的周期分別為100nm、200nm，孔徑分別為40nm、50nm,孔深為300nm。
1.2、PUA 蛾眼結構的制備
圖1 是整個(gè)PUA 蛾眼微結構制備過(guò)程的示意圖。首先，在清潔烘烤過(guò)的AAO 模板上旋涂一層脫模劑，轉速設定為2000r/min,時(shí)間設定為45s，將其置于熱臺上加熱15min(90℃)后冷卻至室溫使溶劑揮發(fā)；旋涂脫模劑的目的是為了降低模板表面能，利于后續脫模。用滴管吸取少量的液態(tài)PUA澆鑄到AAO模板表面，由于液態(tài)的PUA 粘度較大，因此在用滴管吸取時(shí)容易產(chǎn)生氣泡，為避免氣泡生成，可以將其置于真空室內除氣。裁剪一塊比AAO 模板輪廓稍大的PET 基片，揭去表面的一層保護膜，露出具有粘性的PET 表面。將PET 具有粘性的表面與涂有PUA的AAO模板貼合，施加一定的壓力去除兩者之間的氣泡保證緊密貼合。
若存在氣泡，雖然液態(tài)的PUA 已填充于A(yíng)AO模板并且能夠順利固化，但由于PUA無(wú)法與PET 基片完全接觸，導致PUA 無(wú)法完全轉移到PET 基片上，已固化的PUA 仍部分停留在模板的溝槽內部，若下次使用模板進(jìn)行PUA 復制，則需要用丙酮浸泡去除殘余PUA，給實(shí)驗帶來(lái)不必要的麻煩。隨后將PET與PUA 貼合好的AAO模板水平放置于波長(cháng)為365nm 的紫外光下，曝光20 分鐘使PUA 固化。固化后，揭下PET 基片，就在PET 基片上獲得了PUA 的蛾眼微結構。
最后，采用分光光度計對制備的不同周期的蛾眼結構和表面無(wú)圖形PET 薄膜在波長(cháng)為400nm--800nm 的透射率進(jìn)行了檢測。采用接觸角測量?jì)x測量了浸涂過(guò)DC2634 溶液后表面無(wú)圖形PET 薄膜和不同周期蛾眼結構與水的接觸角大小。
圖1 PUA 蛾眼結構制備流程圖
實(shí)驗中使用的曝光機是中科院光電技術(shù)研究所提供的URE-2000/35型深紫外光刻機；分光光度計是日本島津公司生產(chǎn)的型號為島津UV2550紫外可見(jiàn)分光光度計, 該分光光度計的分辨率為0.1nm， 波長(cháng)掃描時(shí)的掃描速率約為900-160nm/min；接觸角測量?jì)x是德國Dataphysics公司生產(chǎn)的OCA20型接觸角測量?jì)x，測量精度為±0.1°；PET 是由日本東麗公司提供；脫模劑是由Dow Corning20，Oxygen 和異丙醇按體積比為1:9:200 配制而成；DC2634 溶液由美國道康寧公司生產(chǎn),溶液的濃度為0.1%。
3、總結
本文介紹了一種以PET為基底，通過(guò)PUA紫外固化澆鑄復制AAO模板實(shí)現低成本、大面積、高效率的蛾眼結構制備的方法。闡述了用PUA復制蛾眼結構的過(guò)程，并展示了通過(guò)該方法制備的兩種不同周期的蛾眼結構的SEM圖片。
通過(guò)對比兩種周期的蛾眼結構和表面無(wú)結構PET薄膜與水的接觸角，發(fā)現獲得的蛾眼結構具有超疏水的特性；通過(guò)對比兩種周期的蛾眼結構和表面無(wú)結構PET 薄膜的透射率，發(fā)現蛾眼結構顯著(zhù)提高了PET薄膜的透射率，其中小周期的蛾眼結構效果更好。該方法采用PUA紫外固化澆鑄復制AAO模板，因PUA的低粘度和低表面能特性保證了高深寬比柱狀陣列結構的精確復制，因而具有較大的應用前景。
