聚合物木堆结构光子晶体的制备研究

论文摘要

三维木堆结构光子晶体具有结构参数调节范围宽,在参数变化比较大的范围内都可以产生完全禁带等优点,是近年来光子晶体研究的热点之一。本文提出了一种新的制备多层聚合物木堆结构的方法,通过模具的设计和系统的工艺研究,包括聚合物单体筛选及其预聚工艺、模板的选择和表面处理、预聚物向模板内部的填充、聚合物木条的成型脱模和热压工艺等,成功实现了聚合物多层木堆结构的制备。与现有的制备聚合物木堆结构的软刻蚀技术相比,具有制备效率高、面积大、成本低、无多余粘连层等优点。为确定理想的填充预聚体,研究了引发剂用量、聚合温度等工艺条件对苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯预聚合过程的影响,根据预聚合过程中粘度变化的规律,分别确定了较佳的预聚工艺参数条件。为实现聚合物木条的选择性脱模,分别研究了硅片模板的亲水处理、疏水处理和氧化处理工艺,采用H2SO4/H2O2体系获得表面亲水的硅片模板;通过三氟丙基三氯硅烷蒸气的氟化处理,显著降低了硅片模板的表面能,获得了疏水性硅片模板;在800℃下氧化3小时,硅片模板表面形成了纳米级厚的SiOX氧化层。系统研究了预聚物向模板的填充方法和工艺,包括转移微模塑法和毛细管微模塑法等。为提高填充质量和避免粘连层的产生,设计并加工了一种新型模具,通过外加气压或抽真空的方式促进预聚物向模板中的渗透和填充,成功地制备了面积较大、无粘连层的PS两层聚合物木条结构。通过研究不同表面性质的模板组合方式对脱模的影响,确定了较佳的模板组合方式,实现了聚合物木条的选择性脱模。系统研究了将聚合物木条层层叠加形成多层木堆结构的热压工艺,包括热压温度、压力、时间等,确定了较佳的热压工艺条件,成功制备出四层聚合物木堆结构。最后,采用RSoft-Bandsolve软件计算了三维木堆结构光子晶体的禁带结构,研究了木堆结构高度参数（c/a）和宽度参数（w/a）变化对带隙的影响规律,为通过本文实验方法制备出禁带位于特定频率的光子晶体提供了理论指导。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 符号与缩略词说明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.2 光子晶体的分类和应用
• 1.2.1 光子晶体的分类
• 1.2.2 光子晶体的应用
• 1.3 光子晶体的制备方法
• 1.3.1 精密加工法
• 1.3.2 胶体晶体自组装法（Colloids Self-assembly）
• 1.3.3 自克隆法（Auto-cloning）
• 1.3.4 软刻蚀技术（ Soft lithography）
• 1.3.5 逆纳米压印技术（Reversal Nanoimprint Lithography，RNIL）
• 1.3.6 一些复合木堆结构光子晶体的制备方法
• 1.4 光子晶体研究的发展趋势
• 1.5 本论文的研究背景和主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验材料与实验方法
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验试剂
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 模板的制备
• 2.2.2 单体预聚工艺研究
• 2.2.3 模板处理
• 2.2.4 转移微模塑法制备聚合物微木条结构的研究
• 2.2.5 毛细微模塑法制备聚合物微木条结构的研究
• 2.2.6 涂覆加压法制备聚合物微木条结构的研究
• 2.2.7 模具辅助填充法制备聚合物微木条结构的研究
• 2.2.8 热压实验
• 2.2.9 脱模实验
• 2.2.10 样品表征方法
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 模板的制备和单体聚合条件研究
• 3.1.1 模板的制备
• 3.1.2 单体预聚工艺研究
• 3.1.3 小结
• 3.2 模板表面处理工艺研究
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 模板亲水处理研究
• 3.2.3 模板疏水处理研究
• 3.2.4 模板氧化处理研究
• 3.2.5 小结
• 3.3 转移微模塑法制备聚合物微木条结构的研究
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 转移微模塑法制备单层微木条结构的研究
• 3.3.3 贴合转移微模塑法制备两层微木条结构的研究
• 3.3.4 小结
• 3.4 毛细微模塑法制备聚合物微木条结构的研究
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 毛细微模塑法制备单层微木条结构的研究
• 3.4.3 毛细管渗透法制备两层木堆微结构
• 3.4.4 小结
• 3.5 涂覆加压法制备聚合物微木条结构的研究
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 PDMS 模板
• 3.5.3 硅片模板
• 3.5.4 小结
• 3.6 模具辅助填充法制备聚合物微木条结构的研究
• 3.6.1 引言
• 3.6.2 不同模板组合对填充的影响
• 3.6.3 不同有机预聚体对填充的影响
• 3.6.4 不同填充方式对填充的影响
• 3.6.5 预聚体粘度对填充的影响
• 3.6.6 小结
• 3.7 热压工艺研究
• 3.7.1 引言
• 3.7.2 热压温度范围的确定
• 3.7.3 温度的影响
• 3.7.4 压力的影响
• 3.7.5 时间的影响
• 3.7.6 小结
• 3.8 木堆结构光子晶体的理论计算
• 3.8.1 引言
• 3.8.2 木堆宽度对带隙的影响
• 3.8.3 木堆高度变化对带隙的影响
• 3.8.4 小结
• 第四章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果