微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板的制造方法?！尽颈尘凹夹g(shù)】】
[0002]微納復(fù)合結(jié)構(gòu)在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，例如具有自清潔功能的超親水/超疏水結(jié)構(gòu)、可自由行走于墻壁的蜘蛛人手足結(jié)構(gòu)等等。目前，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作通常需要分別進(jìn)行微結(jié)構(gòu)制作和納結(jié)構(gòu)制作，既兩步制作來(lái)完成，這不僅增加了制作成本，而且制作過(guò)程中還需要保證微、納結(jié)構(gòu)的高精度對(duì)準(zhǔn)。
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【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板的制造方法，可在壓印工藝中，利用該模板實(shí)現(xiàn)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的一步式、低成本制造。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板的制造方法，包括以下步驟:
[0006](1)將硅片或ΙΤ0玻璃表面清潔干凈備用；
[0007](2)配制氧化鋅溶膠；
[0008](3)將步驟(2)配制的液態(tài)氧化鋅溶膠涂敷到清潔的硅片或ΙΤ0玻璃表面，并在其表面上均勻分布；
[0009](4)采用壓印工藝，對(duì)硅片或ΙΤ0玻璃上的液態(tài)的氧化鋅溶膠進(jìn)行微圖形化加工，形成氧化鋅的微米級(jí)凹凸結(jié)構(gòu)圖形；
[0010](5)對(duì)硅片或ΙΤ0玻璃上的氧化鋅溶膠進(jìn)行加熱和退火處理，退火后在硅片或ΙΤ0玻璃上得到具有微米級(jí)凹凸結(jié)構(gòu)的氧化鋅籽晶層；
[0011](6)采用水浴法，將退火后具有氧化鋅籽晶層的硅片或ΙΤ0玻璃浸沒(méi)于的生長(zhǎng)液中進(jìn)行氧化鋅納米柱生長(zhǎng)；
[0012](7)將生長(zhǎng)后的硅片或ΙΤ0玻璃從生長(zhǎng)液中取出，用去離子水清洗，在硅片或ΙΤ0玻璃上得到具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的氧化鋅層，該微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的氧化鋅層包括微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)在微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)上的納米柱陣列。
[0013]進(jìn)一步的，還包括以下步驟:
[0014](8)采用電鑄法，以步驟(7)中得到的硅片或ΙΤ0玻璃為母板，在金屬電解液中進(jìn)行電鑄，形成具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面金屬模板；
[0015](9)利用酸性或堿性溶液去除硅片或ΙΤ0玻璃母板上的氧化鋅層，得到具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面金屬模板；此微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面金屬模板的微米結(jié)構(gòu)為微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)上的納米孔陣列。
[0016]進(jìn)一步的，步驟⑵具體為:將摩爾比為1:1:0.5的二水合醋酸鋅、單乙醇氨和去離子水溶解于乙二醇甲醚中形成溶液，再將溶液密封后放入恒溫水浴鍋中，恒溫60°C磁力攪拌30— 60分鐘，得到透明均勻的氧化鋅溶膠；其中，溶液中二水合醋酸鋅的濃度為0.75mol/L。
[0017]進(jìn)一步的，步驟(5)中加熱和退火處理的步驟具體為:先將硅片或ΙΤ0玻璃放入200°C —250°C干燥箱中烘烤，時(shí)間為10分鐘；再對(duì)硅片或ΙΤ0玻璃進(jìn)行退火處理，退火溫度為500°C，退火時(shí)間為1小時(shí)。
[0018]進(jìn)一步的，步驟(6)中所述生長(zhǎng)液為濃度為0.04mol/L的六水合硝酸鋅與濃度為0.8mol/L的氫氧化鈉的混合溶液；生長(zhǎng)過(guò)程中的生長(zhǎng)液的溫度為80°(: — 120°(:，生長(zhǎng)時(shí)間為1一3小時(shí)。
[0019]進(jìn)一步的，還包括以下步驟:將液態(tài)的聚合物澆筑于步驟(7)獲得的硅片或ΙΤ0玻璃母板表面，然后使聚合物固化；再將利用酸性或堿性溶液去除硅片或ΙΤ0玻璃母板上的氧化鋅層或?qū)⒐袒蟮木酆衔飶墓杵颚│?玻璃母板上剝離下來(lái)，得到聚合物材料的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板；此聚合物微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板為平面模板，其微米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)上的納米孔陣列。
[0020]進(jìn)一步的，利用步驟(9)中得到的平面金屬模板進(jìn)行澆筑:將液態(tài)的聚合物澆筑于具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面金屬模板，然后固化聚合物，得到聚合物材料的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板；此聚合物微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板為平面模板，其微米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)上的納米柱陣列。
[0021]進(jìn)一步的，在聚合物微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板表面沉積一層金屬薄膜，然后采用電鑄法，在電解液中得到金屬材料的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板；該金屬材料的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板為平面模板，其微米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)上的納米柱/孔陣列。
[0022]進(jìn)一步的，將聚合物微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行彎曲，使其貼合在圓柱或者曲面上，并保持微納復(fù)合結(jié)構(gòu)朝向外側(cè)，得到微納復(fù)合結(jié)構(gòu)聚合物曲面模板。
[0023]進(jìn)一步的，將聚合物微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行彎曲，使其貼合在圓筒內(nèi)側(cè)或者曲面上，并保持微納復(fù)合結(jié)構(gòu)朝向內(nèi)側(cè)，得到微納復(fù)合結(jié)構(gòu)聚合物曲面模板；然后在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)聚合物曲面模板表面沉積一層金屬薄膜，然后采用電鑄法，在電解液中得到金屬材料的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板；該金屬材料的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板為曲面模板，其微米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)上的納米柱/孔陣列。
[0024]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]本發(fā)明所制備的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的模板，可在壓印工藝中，利用該模板實(shí)現(xiàn)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的一步式、低成本制造。本發(fā)明還制備出了曲面模板，進(jìn)行滾動(dòng)壓印的加工方式，可大幅度提高加工效率。本發(fā)明所制備的模板形狀為平面或曲面，可由金屬或聚合物材料形成，其制造過(guò)程工藝簡(jiǎn)便，成本低。本發(fā)明以硅片或ΙΤ0玻璃為基底的氧化鋅納米柱生長(zhǎng)法，相比于其它的微納復(fù)合模板的制造方法，例如以鋁片為基底的陽(yáng)極氧化納米孔法具有較大的優(yōu)勢(shì)。首先，本發(fā)明采用的基底是硅片或ΙΤ0玻璃，可滿(mǎn)足高平整度和大面積的要求。如拋光的硅片尺寸可達(dá)8吋，高平整度的ΙΤ0玻璃尺寸可為平方米級(jí)；而以鋁片為基底，由于其剛度和硬度均較低，很難得到同時(shí)滿(mǎn)足大面積和高平整度要求的鋁基底，其尺寸通常不大于2吋。另外，氧化鋅納米柱的生長(zhǎng)工藝很成熟，可方便地得到尺寸均勻、高可控性的氧化鋅納米柱；而陽(yáng)極氧化制備納米孔的工藝，其工藝可控性較差，所得到的納米孔的尺寸(如直徑、深度)均勻性和重復(fù)性都較差?！尽靖綀D說(shuō)明】】
[0026]圖1為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)平面模板的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖1(a)中的微米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)上的納米孔陣列；圖1(b)中的微米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)為凹凸結(jié)構(gòu)上的納米柱陣列。
【【具體實(shí)施方式】】
[0027]本發(fā)明的納復(fù)合結(jié)構(gòu)模板，可由金屬或聚合物材料制成，其制造方法包括以下步驟:
[0028](1)采用拋光的硅片(如市售的厚度為0.5mm的拋光硅片)或ΙΤ0玻璃(如市售的厚度為1mm的ΙΤ0玻璃)，將其依次分別放入丙酮、乙醇、去離子水(均為市售)溶液中，通過(guò)超聲的方式(市售的超聲清洗機(jī))或ΙΤ0玻璃，每次清洗lOmin，使其表面潔凈；
[0029](2)配制氧化鋅溶膠:將摩爾比為1:1:0.5的二水合醋酸鋅、單乙醇氨和去離子水溶解于乙二醇甲醚中形成溶液(溶液中二水合醋酸鋅的濃度為0.75mol/L)，再將溶液密封后放入恒溫水浴鍋中，恒溫60°C磁力攪拌30— 60分鐘，得到透明均勻的氧化鋅溶膠；
[0030](3)采用離心鋪膠、噴膠、滴膠或絲網(wǎng)印刷方法將液態(tài)的氧化鋅溶膠涂敷到硅片或ITO玻璃表面，并在其表面上均勻分布；
[0031](4)采用壓印工藝，對(duì)硅片上的液態(tài)的氧化鋅溶膠進(jìn)行微圖形化加工，形成氧化鋅的微米圖形結(jié)構(gòu)；
[0032](5)對(duì)硅片或ITO玻璃上的氧化鋅溶膠進(jìn)行加熱和退火處理:先將硅片或ITO玻璃放入200°C — 250°C干燥箱(市售的)中烘烤，時(shí)間為10分鐘；再對(duì)硅片或ITO玻璃進(jìn)行退火處理，退火溫度為500°C，退火時(shí)間為1小時(shí)，退火后在硅片或ITO玻璃上得到具有微米級(jí)凹凸結(jié)構(gòu)1的氧化鋅籽晶層。
[0033](6)采用水浴法，將退火后具有氧化鋅籽晶層的硅片浸沒(méi)于的生長(zhǎng)液(濃度為0.04mol/L的六水合硝酸鋅與濃度為0.8mol/L的氫氧化鈉的混合溶液)中進(jìn)行氧化鋅納米柱生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中的生長(zhǎng)液的溫度為80°C — 120°C，生長(zhǎng)時(shí)間為1一3小時(shí)。
[0034](7)將生長(zhǎng)后的硅片或ITO玻璃從生長(zhǎng)液中取出，用去離子水清洗，在硅片或ITO玻璃上得到具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的氧化鋅層一一微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)1及生長(zhǎng)在微米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)1上的納米柱陣列2。
[0035](8)采用電鑄法，以步驟(7)中得到的硅片或IT0玻璃為母板，在金屬電解液(如硫酸鎳)中利用恒壓(如電壓40V)或恒流電源進(jìn)行電鑄，形成具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面金屬(鎳)模板；
[0036](9)利用酸性(如稀鹽酸)或堿性(如氫氧化鈉)溶液去除硅片或IT0玻璃母板上的氧化鋅層，即得到具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面金屬(鎳)模板