專利名稱：一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，特別是關(guān)于一種利用納米顆粒蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝現(xiàn)象，制備出親疏水性硅襯底輔助納米顆粒自組裝的制造方法。
背景技術(shù)：
自組裝(self-assembly)是指分子及納米顆粒等結(jié)構(gòu)單元在平衡條件下,通過非共價鍵作用自發(fā)地締結(jié)成熱力學(xué)穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)上確定的、性能上特殊的聚集體的過程。自組裝最大的特點(diǎn)為自組裝的過程一旦開始，將自動進(jìn)行到某個預(yù)期的終點(diǎn)，分子等結(jié)構(gòu)單元將自動排列成有序的圖形，即使是形成復(fù)雜的功能體系也不需要外力的作用。自組裝可以形成單分子層、膜、囊泡、膠束、微管、小棒及更復(fù)雜的有機(jī)-金屬、有機(jī)-無機(jī)、生物-非生物的復(fù)合物等，其多樣性超過其它方法所制備的材料。納米顆粒的自組裝排布方法有很多種，按實現(xiàn)途徑來分主要有:浸潰涂布、旋轉(zhuǎn)涂布、電泳淀積和蒸發(fā)自組裝等。蒸發(fā)自組裝時，將經(jīng)過適當(dāng)處理的基片浸泡在納米顆粒懸濁液中(或者將懸濁液滴在基片表面上)，控制周圍環(huán)境的溫度、濕度、氣體流速等，使懸濁液以一定速度蒸發(fā)。當(dāng)液面厚度接近或者小于納米顆粒直徑時，納米顆粒將逐漸析出，表面張力和范德華力等因素迫使它們固定于襯底表面并緊密排列，從而在基片上獲得具有特殊結(jié)構(gòu)的規(guī)則有序納米顆粒陣列。與其它自組裝排布方法相比，蒸發(fā)自組裝方法在可操作性和排列結(jié)果的規(guī)則性上具有顯著優(yōu)勢。但是由于所采用的襯底是單面拋光、表面無其它結(jié)構(gòu)的單晶硅片，所制備的納米顆粒密排結(jié)構(gòu)分布于整個襯底表面上，且無特定的圖形。因此，這種自組裝方法可控性較差，難以圖形化，適用范圍有限。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是為了提高納米顆粒自組裝過程的可控性、實現(xiàn)圖形化排布，提出了親疏水性硅 襯底輔助納米顆粒自組裝制造方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其包括以下步驟:1)采用4英寸單面拋光單晶硅襯底，通過化學(xué)氣相淀積方法在硅襯底表面淀積出一層聚對二甲苯薄膜；2)通過傳統(tǒng)光刻方法,在娃襯底表面制作所需的光刻膠掩模圖形；3)采用氧等離子體刻蝕方法，刻蝕裸露的聚對二甲苯薄膜；4)采用金剛石劃片機(jī)對硅襯底進(jìn)行劃片；5)采用丙酮去除在硅襯底表面的光刻膠；6)將硅襯底在溫度為120°C的濃硫酸、雙氧水的混合液中浸泡10分鐘,取出后用去離子水清洗5 10次；7)取
10 15uL的制備好的納米顆粒懸濁液，滴入到裝有ImL乙醇的容器中，將兩種液體混合均勻并緩慢倒入已裝有去離子水的培養(yǎng)皿中；8)將步驟6)得到的硅襯底完全浸泡在培養(yǎng)皿中的液體后，取出放置在另一培養(yǎng)皿中，并水平放入一干燥箱內(nèi)，在室溫條件下自然蒸發(fā)后，即得到具有圖形化納米顆粒的硅襯底。所述步驟2)中，光刻膠掩模厚度為1.0 μ m 2.0 μ m。所述步驟3)中，聚對二甲苯薄膜厚度為50nm 150nm。
所述步驟6)中，雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，濃硫酸和雙氧水的體積比為4:1。所述步驟7)中的納米顆粒懸濁液為聚苯乙烯納米顆粒懸濁液。所述步驟7)中的納米顆粒懸濁液為二氧化硅納米顆粒懸濁液。所述步驟8)中，在干燥箱內(nèi)通入氮?dú)饧铀僬舭l(fā)。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明利用硅襯底表面的親疏水性差異使納米顆粒自組裝定位在限定區(qū)域，解決了納米顆粒自組裝可控性較差和難以圖形化的問題，提高了自組裝技術(shù)的應(yīng)用范圍，使本發(fā)明的可操作性、可控性和排列結(jié)果的規(guī)則性與其它自組裝方法相比具有明顯優(yōu)勢，特別是在制備圖形化的規(guī)則密排納米顆粒陣列方面其作用難以替代。2、本發(fā)明中所使用的氧等離子體干法去膠技術(shù)和常規(guī)光刻技術(shù)都源自于微電子制造技術(shù)，因此可方便地實現(xiàn)批量和并行加工。3、本發(fā)明采用蒸發(fā)自組裝方法，操作簡單，本發(fā)明可以廣泛用于在光電子、生物制藥、化工等領(lǐng)域，并對某些領(lǐng)域產(chǎn)生未可預(yù)知的促進(jìn)作用。


圖1是本·發(fā)明襯底上生長聚對二甲苯薄膜示意2是本發(fā)明通過傳統(tǒng)光刻法定義出光刻膠掩模圖形；圖2a是本發(fā)明涂有光刻膠掩模示意圖；圖2b是通過傳統(tǒng)光刻法光刻光刻膠掩模后示意3是本發(fā)明用氧等離子體刻蝕聚對二甲苯薄膜后的示意4是本發(fā)明丙酮去膠后得到具有親水性差異的圖形化襯底示意5是本發(fā)明在圖形化襯底基礎(chǔ)上進(jìn)行蒸發(fā)自組裝示意6是本發(fā)明最終實現(xiàn)的圖形化納米顆粒自組裝示意7是圖6的俯視示意8是通過本發(fā)明方法得到的圖形化納米顆粒自組裝排布結(jié)果的電子顯微鏡效果圖；圖8a是本發(fā)明納米顆粒自組裝排布結(jié)果的電子顯微鏡效果圖；圖Sb是圖8a的局部放大圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。I)如圖1所示,準(zhǔn)備4英寸單面拋光單晶娃襯底1，通過化學(xué)氣相淀積(ChemicalVapor Deposition-CVD)方法在娃襯底I表面淀積出一層聚對二甲苯(Parylene)薄膜2。2)如圖2所不,通過傳統(tǒng)光刻方法,在娃襯底I表面上旋涂光刻膠3掩模(如圖2a所示)，再按照甩膠、前烘、曝光、后烘和顯影的制作順序，在硅襯底I表面制作所需的光刻膠3掩模圖形(如圖2b所示)；其中，光刻膠3掩模厚度為1.0μπι 2.0μπι。3)如圖3所示，采用氧等離子體刻蝕方法，刻蝕裸露的聚對二甲苯薄膜2。其中，本發(fā)明采用的氧等離子體去膠機(jī)在刻蝕光刻膠3掩模和聚對二甲苯薄膜2時，刻蝕速度基本相等，約為3nm/s ;而光刻膠3掩模厚度遠(yuǎn)大于聚對二甲苯薄膜2，因此當(dāng)裸露的聚對二甲苯薄膜2被完全去除時，光刻膠3掩模依然存在于具有聚對二甲苯薄膜2的娃襯底I表面上。
其中，聚對二甲苯薄膜2厚度為50nm 150nm。4)采用金剛石劃片機(jī)按步距IcmX Icm對娃襯底I進(jìn)行劃片；5)如圖4所示，將由步驟3)得到的具有光刻膠3掩模和聚對二甲苯薄膜2的硅襯底I采用丙酮去除在該硅襯底I表面的光刻膠3掩模，得到具有親疏水性差異的圖形化表面的硅襯底I。其中，露出的硅襯底I表面被氧等離子體活化并非常親水，而被光刻膠3保護(hù)的聚對二甲苯薄膜2表面相對疏水。6)常規(guī)清洗，將硅襯底I在120°C的濃硫酸、雙氧水的混合液中浸泡10分鐘，取出后用去離子水清洗5 10次；其中，混合液雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，濃硫酸和雙氧水的體積比為4:1。7)配置納米顆粒懸濁液4，用量程為20uL 200uL的移液計，取10 15uL配置好的納米顆粒懸濁液4，滴入到裝有ImL乙醇的容器中，將兩種液體混合均勻并緩慢倒入已裝有去離子水的培養(yǎng)皿中。其中，由于培養(yǎng)皿中有乙醇的存在，納米顆粒懸濁液4在去離子水中將迅速分散，使納米顆粒5在蒸發(fā)后能夠均勻地排布在硅襯底I表面上；其中，納米顆粒懸濁液4是通過納米顆粒原溶液進(jìn)行去離子水稀釋得到的，納米顆粒原溶液為市售產(chǎn)品；納米顆粒懸濁液4中去離子水的量是根據(jù)納米顆粒原溶液和需要配置的懸濁液的濃度計算得到的 ，為了實現(xiàn)納米顆粒的單層密排，配置好的納米顆粒懸濁液的濃度一般約為每毫升懸濁液中含有I X IO12 8X IO12個納米顆粒；此處濃度僅作為參考，實際操作中需要反復(fù)試驗，以尋求最佳濃度范圍。納米顆粒懸濁液4適用于二氧化硅納米顆粒懸池液，也適用于聚苯乙烯納米顆粒懸池液；納米顆粒懸池液涵蓋多種納米顆粒直徑，從250nm 940nm不等。8)將步驟6)清洗后的硅襯底I在室溫條件下浸泡于由步驟7)配置好的納米顆粒懸池液4中，待娃襯底I完全浸泡在納米顆粒懸池液4后就可以取出。如圖5所不，由于未疏水性的差異，納米顆粒懸濁液4將被限定在硅襯底I表面的親水區(qū)域內(nèi)，而相對疏水的聚對二甲苯薄膜2表面則無納米顆粒懸濁液4附著；將處理過的硅襯底I水平放置在另一培養(yǎng)皿中，將該培養(yǎng)皿水平放入一干燥箱內(nèi)，在室溫條件下自然蒸發(fā),一般24個小時內(nèi)便可以蒸發(fā)完成。其中，干燥箱可以防止空氣中的污染物污染該培養(yǎng)皿；此外，納米顆粒懸濁液4也可以通過氮?dú)饧铀僬舭l(fā)。如圖6、圖7所不，待納米顆粒懸池液4完全蒸發(fā)后,取出娃襯底I ;在表面張力和范德華力等因素的作用下，納米顆粒5有序地固定在具有親水性的硅襯底I表面上(如圖8所示)。本發(fā)明解決了在限定區(qū)域內(nèi)納米顆粒5自組裝的定位排布問題，即在特定的位置獲得一定結(jié)構(gòu)，提出并實現(xiàn)了親疏水性硅襯底I輔助納米顆粒5自組裝制造方法，很好地解決了納米顆粒自組裝可控性較差和難以圖形化的問題，提高了自組裝的適用范圍。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其包括以下步驟: 1)采用4英寸單面拋光單晶硅襯底，通過化學(xué)氣相淀積方法在硅襯底表面淀積出一層聚對二甲苯薄膜； 2)通過傳統(tǒng)光刻方法，在硅襯底表面制作所需的光刻膠掩模圖形； 3)采用氧等離子體刻蝕方法，刻蝕裸露的聚對二甲苯薄膜； 4)采用金剛石劃片機(jī)對硅襯底進(jìn)行劃片； 5)采用丙酮去除在硅襯底表面的光刻膠； 6)將硅襯底在溫度為120°C的濃硫酸、雙氧水的混合液中浸泡10分鐘，取出后用去離子水清洗5 10次； 7)取10 15uL的制備好的納米顆粒懸濁液，滴入到裝有ImL乙醇的容器中，將兩種液體混合均勻并緩慢倒入已裝有去離子水的培養(yǎng)皿中； 8)將步驟6)得到的硅襯底完全浸泡在培養(yǎng)皿中的液體后，取出放置在另一培養(yǎng)皿中，并水平放入一干燥箱內(nèi)，在室溫條件下自然蒸發(fā)后，即得到具有圖形化納米顆粒的硅襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟 2)中，光刻膠掩模厚度為1.0μπι 2.0μπι。
3.如權(quán)利要求1所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟3)中，聚對二甲苯薄膜厚度為50nm 150nm。
4.如權(quán)利要求2所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟3)中，聚對二甲苯薄膜厚度為50nm 150nm。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟6)中，雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，濃硫酸和雙氧水的體積比為4:1。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟7)中的納米顆粒懸池液為聚苯乙烯納米顆粒懸池液。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟7)中的納米顆粒懸池液為二氧化娃納米顆粒懸池液。
8.如權(quán)利要求1 9任一項所述的一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其特征在于:所述步驟8)中，在干燥箱內(nèi)通入氮?dú)饧铀僬舭l(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖形化納米顆粒自組裝制造方法，其步驟包括采用單面拋光單晶硅襯底,通過化學(xué)氣相淀積方法在硅襯底表面淀積出一層聚對二甲苯薄膜；通過傳統(tǒng)光刻方法，在硅襯底表面制作所需的光刻膠掩模圖形；采用氧等離子體刻蝕方法，刻蝕裸露的聚對二甲苯薄膜；采用金剛石劃片機(jī)對硅襯底進(jìn)行劃片；采用丙酮去除在硅襯底表面的光刻膠；將去除光刻膠后的硅襯底浸泡在濃硫酸、雙氧水的混合液中，取出后用去離子水清洗；取一定量制備好的納米顆粒懸濁液，滴入到裝有乙醇的容器中，將兩種液體混合均勻并緩慢倒入已裝有去離子水的培養(yǎng)皿中；將得到的硅襯底完全浸泡在培養(yǎng)皿中的液體后，取出放置在另一培養(yǎng)皿中，并水平放入一干燥箱內(nèi)，在室溫條件下自然蒸發(fā)后得到具有圖形化納米顆粒自組裝的硅襯底。
文檔編號H01L21/02GK103227102SQ20131013378
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者吳文剛, 楊增飛, 錢闖, 王詣斐 申請人:北京大學(xué)