一種犧牲模板制備高深寬比聚合物納米柱陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納結(jié)構(gòu)加工，具體涉及一種犧牲模板制備高深寬比聚合物納米柱陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，納米柱陣列在磁記錄、光電組件、傳感器、多相催化等許多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中，小尺寸、高深寬比的納米柱陣列因其特異的物理、化學(xué)特性，在構(gòu)建納米電子和光學(xué)器件方面擁有巨大的潛力，引起了材料科學(xué)家們的極大興趣。
[0003]傳統(tǒng)的納米結(jié)構(gòu)制備主要有兩種途徑，一種是以“紫外、深紫外、極紫外、X射線”為代表的傳統(tǒng)光刻技術(shù)，這些光刻技術(shù)主要是通過不斷縮短曝光波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)高分辨率的納米光刻，但光波長(zhǎng)的縮短引入了一系列的其他問題，不但給技術(shù)上帶來了極大的困難，同時(shí)研發(fā)成本也將急劇飆升；另外一種納米結(jié)構(gòu)加工方法是通過電子束和聚焦離子束等直寫設(shè)備進(jìn)行加工，掃描時(shí)間長(zhǎng)，加工效率很低，成本昂貴，在一般實(shí)驗(yàn)室不容易開展相關(guān)工作，因此，這兩種技術(shù)很難滿足科研和生產(chǎn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的大量需求。
[0004]納米壓印技術(shù)的出現(xiàn)為納米結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單制備提供了一種新方法，可制作出特征尺寸10nm、深寬比3:1的納米柱陣列。更高深寬比的結(jié)構(gòu)由于受脫模限制，結(jié)構(gòu)塌陷、殘缺，難以實(shí)現(xiàn)。Craig J.Hawker等人從壓印材料入手，研宄了一種高楊氏模量聚合物材料，制備出了最大深寬比為5:1的聚合物納米柱陣列。Stephen Y Chou等人利用納米壓印在壓印膠上復(fù)制出較淺的結(jié)構(gòu)(深寬比1:1)，通過刻蝕將壓印膠上的結(jié)構(gòu)傳遞到基底材料上，通過調(diào)節(jié)壓印膠與基底的刻蝕比，制作出了深寬比為50:1的納米柱陣列。但是制作過程難度提高，成本增加。因此，需要尋找簡(jiǎn)單制備高深寬比納米柱陣列的新方法。
[0005]基于以上發(fā)展現(xiàn)狀，本發(fā)明提出一種犧牲模板制備高深寬比聚合物納米柱陣列的方法。該方法以易腐蝕、制作簡(jiǎn)單、加工成本低廉的納米孔陣列結(jié)構(gòu)為模板，通過復(fù)制工藝，以犧牲模板的方式脫膜，實(shí)現(xiàn)了小尺寸(10nm)、高深寬比(100:1)聚合物納米柱陣列的簡(jiǎn)單制作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種犧牲模板制備高深寬比聚合物納米柱陣列的方法，通過簡(jiǎn)單材料涂覆、固化和化學(xué)腐蝕等過程，實(shí)現(xiàn)大面積聚合物納米柱的制備。與現(xiàn)有納米結(jié)構(gòu)制備工藝相比，具有分辨率高、深度比可控、工藝簡(jiǎn)單、成本低、大面積制備等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種犧牲模板制備高深寬比聚合物納米柱陣列的方法，包括如下步驟:
[0008]步驟(I)、按照目標(biāo)納米柱的要求，選擇滿足尺寸條件的納米孔陣列結(jié)構(gòu)作為模板；
[0009]步驟(2)、利用涂覆工藝將聚合物材料涂覆在步驟(I)中的模板表面，使聚合物流進(jìn)孔內(nèi)；
[0010]步驟(3)、將步驟(2)中的雙層結(jié)構(gòu)放置在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下進(jìn)行固化成型；
[0011]步驟(4)、選擇適當(dāng)?shù)母g性溶液將步驟(I)中的納米孔陣列結(jié)構(gòu)模板腐蝕掉，殘留下的部分用超凈水清洗后，獲得目標(biāo)高深寬比聚合物材料納米柱陣列。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中納米孔陣列結(jié)構(gòu)具備易腐蝕、制作簡(jiǎn)單、加工成本低廉等特點(diǎn)，如金屬、金屬氧化物、合金納米孔模板及納米孔硅模板。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中納米孔的尺寸、形狀、排布方式和深度在制作過程中可隨意調(diào)控，直徑為10納米至500納米；深度為I微米至50微米；形狀有圓形、矩形、三角形、多邊形；排布方式有周期型、隨機(jī)型、部分隨機(jī)型。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中聚合物材料性能可調(diào)控，具備低粘度和高楊氏模量的特點(diǎn)。低粘度可以克服表面張力控制材料流進(jìn)孔內(nèi)的程度，高楊氏模量能夠有效的提高納米柱的分辨率和深寬比。如紫外光固化巰基-烯材料、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯材料以及熱固化聚甲基丙烯酸甲酯材料，粘度低于5厘泊，楊氏模量大于5000兆帕。
[0015]進(jìn)一步的，所述步驟(2)的聚合物流進(jìn)孔內(nèi)的程度可以控制，同一塊模板可以制備出不同深度的納米柱結(jié)構(gòu)，可以與模板完全互補(bǔ)或小于模板深度。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟(3)中適當(dāng)?shù)墓袒h(huán)境是在一定溫度、濕度的靜止無晃動(dòng)的環(huán)境下，通過紫外光照射或高溫高壓條件進(jìn)行固化。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟的(4)中的腐蝕性溶液可以是強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性溶液，腐蝕性溶液的選擇原則是對(duì)多孔氧化鋁模板具有較強(qiáng)的腐蝕性而對(duì)聚合物材料無影響，如氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、鹽酸溶液、硝酸溶液、氫氟酸溶液。。
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟(4)中的聚合物納米柱的深寬比10:1至100:1，最高可達(dá)100:1,尺寸、形狀和排布方式與模板相同，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高深寬比任意形狀和排列的納米柱陣列。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0020](I)、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)聚合物材料的粘度和楊氏模量，利用模板犧牲方法解決了脫模難題，可實(shí)現(xiàn)小尺寸和高深寬比納米柱陣列的制備，工藝過程重復(fù)性好、可靠性高、制作效率高。
[0021](2)、本發(fā)明通過控制材料流進(jìn)納米孔的程度，實(shí)現(xiàn)同一塊模板制作不同結(jié)構(gòu)深度的納米柱陣列，具有較強(qiáng)的工藝靈活性。
[0022]綜上所述，本發(fā)明解決了現(xiàn)有制備聚合物納米結(jié)構(gòu)方法的成本高，效率低的問題，通過調(diào)節(jié)模板結(jié)構(gòu)和材料性能實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高深寬比納米柱陣列制作。聚合物納米柱陣列具有良好的生物相容性，在生物傳感和生化分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0024]圖1是基于多孔陽極氧化鋁模板的巰基-烯材料納米柱的制備流程圖；
[0025]圖2是基于多孔陽極氧化鋁模板的巰基-烯材料納米柱的制備流程方框圖；
[0026]圖3是多孔陽極氧化鋁模板的電子掃描顯微鏡照片；
[0027]圖4是基于多孔陽極氧化鋁模板的巰基-烯材料納米柱結(jié)構(gòu)的電子掃描顯微鏡照片;
[0028]圖5是不同形狀和排布方式的納米柱陣列示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方