基于薄膜材料的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)是基于薄膜材料的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括步驟：在清洗過的光滑襯底上過渡層的制備；制備納米薄膜并從光滑襯底上剝離納米薄膜；制備具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底；將納米薄膜到孔洞結(jié)構(gòu)支撐襯底上的轉(zhuǎn)移；在納米薄膜上制備微納圖形；離子束輻照誘導(dǎo)納米薄膜上微納圖形產(chǎn)生形變及形成三維自支撐微納米結(jié)構(gòu)的成品。本發(fā)明專利技術(shù)是基于納米薄膜上微納米結(jié)構(gòu)的制備與離子束輻照誘導(dǎo)的三維形變相結(jié)合，制備自支撐三維微納米功能結(jié)構(gòu)體的新方法，具有工藝靈活、效率高、可控性好，低成本和可大面積制備等特點(diǎn)，所制備的微納圖形的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸、周期可設(shè)計(jì)、材料種類多并具有新奇功能與物性等特點(diǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及三維微納器件
，是三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)及陣列的制作方法，特別涉及一種基于納米薄膜材料的生長，支撐的納米薄膜上微納米圖形的加工以及離子束輻照對(duì)支撐的納米薄膜平面內(nèi)的微納米圖形進(jìn)行形變操縱來制備不位于支撐襯底平面內(nèi)的三維微納米功能結(jié)構(gòu)與器件的技術(shù)。
技術(shù)介紹
隨著微電子工藝的發(fā)展，器件向著小型化發(fā)展的困難也在逐步增大，三維器件的構(gòu)造無疑成為提高器件集成密度的一個(gè)重要途徑。尋找一種三維可控的空間納米結(jié)構(gòu)的制造方法已經(jīng)引起越來越多人的關(guān)注。三維空間微納米結(jié)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用，人們通過雙光子干涉曝光、激光燒蝕、激光干涉曝光、灰度曝光、聚焦電子束/離子束刻蝕、沉積、輻照等工藝，制備出了多種多樣的三維微納結(jié)構(gòu)，制備了例如微納鑷子，三維光子晶體，三維超材料陣列等一系列的器件結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)有的三維微納器件的制備方法都有著種種缺陷通過雙光子干涉曝光、激光燒蝕、激光干涉曝光等工藝制備的三維結(jié)構(gòu)的圖形尺寸受激光光斑大小的影響很大，制備出的三維圖形最小尺寸都在微米量級(jí)左右；灰度曝光工藝的圖形分辨率依賴于曝光光斑的大小，對(duì)電子束灰度曝光來說的話分辨率可以達(dá)到納米量級(jí)，但是由灰度曝光制備的三維結(jié)構(gòu)都比較簡單，對(duì)于自支撐的三維納米結(jié)構(gòu)的制備灰度曝光是無能為力的，而且也無法實(shí)現(xiàn)高高寬比圖形的金屬化或功能化處理；聚焦電子束/離子束刻蝕、輔助沉積可以制備自支撐的三維微納米結(jié)構(gòu)，但不僅要耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且無法制備高純的金屬材料。因此急需發(fā)展一種功能化自支撐三維納米結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)、可控、高效的大面積制備方法。這里我們通過將納米厚度的薄膜制備成自支撐結(jié)構(gòu)，通過支撐層的制備和微納加工圖形化的方法，制備出大量的平面內(nèi)的僅一端與納米薄膜體相連的微納米圖形結(jié)構(gòu)，然后利用離子束輻照技術(shù)來誘導(dǎo)控制納米薄膜平面內(nèi)的微納米圖形向著離子束的方向彎曲，從而制備自支撐的三維微納米功能結(jié)構(gòu)陣列，大大擴(kuò)展了三維微納結(jié)構(gòu)的制備范圍，為三維微納器件的加工應(yīng)用提供了新方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種制備三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)陣列的方法，通過離子束輻照使支撐的微納米薄膜圖形形變與襯底形成一定夾角從而形成三維立體納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真正意義上三維自支撐微納米結(jié)構(gòu)的制備，為三維微納器件的應(yīng)用提供新技術(shù)。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供基于納米薄膜結(jié)構(gòu)的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法，所述方法技術(shù)解決方案的步驟包括如下步驟S1:光滑襯底的清洗；步驟S2 :在干凈光滑的襯底上制備一層過渡層；步驟S3 :在有過渡層的光滑襯底上生長納米薄膜；步驟S4 :將有過渡層的光滑襯底上生長納米薄膜放入能溶解過渡層的溶液中，使過渡層溶解并將長在過渡層上的納米薄膜與襯底分離，并使納米薄膜漂浮或懸浮在溶劑液中，由此形成具有漂浮納米薄膜的體系；步驟S5 :在支撐襯底上通過微納加工手段制備孔洞或者凹陷結(jié)構(gòu)，制備出具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底；步驟S6 :將具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底放入到步驟S4處理完畢的具有漂浮納米薄膜的體系中，移動(dòng)具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底，使納米薄膜附著在具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底上表面，并從溶液中將附有納米薄膜的具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底取出，得到支撐的納米薄步驟S7 :在支撐的納米薄膜本體上制備與支撐的納米薄膜局部相連的微納米圖形；或在支撐的納米薄膜上加工或生長局部支撐結(jié)構(gòu)，并且制備與局部支撐結(jié)構(gòu)相連的微納米圖形；步驟S8 :對(duì)步驟S7中微納米圖形進(jìn)行離子束輻照，利用離子束的輻照作用，使微納米圖形彎曲變形，形成三維立體薄膜微納米結(jié)構(gòu)，得到三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的成品O優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，步驟S2中所述過渡層的材料是不與步驟SI中的襯底以及所要生長的納米薄膜發(fā)生反應(yīng)的光刻膠、聚合物、表面活性劑、或是家用洗潔精中的一種或幾種的組合，并在納米薄膜生長后仍能溶于所需的溶液即可。優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，步驟S3中納米薄膜的材料是半導(dǎo)體、金屬或絕緣介質(zhì)中的一種或幾種的組合；所述納米薄膜的面積尺寸略大于孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸，略大于孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸是用于將納米薄膜搭接在具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底上；所制備的納米薄膜是單層，或是多層。優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，步驟S5中支撐襯底是利用微納加工的方法，將支撐襯底表面圖形化，然后利用圖形轉(zhuǎn)移方法形成所需要的支撐襯底；或支撐襯底是市場能夠購買到網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)。優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，步驟S7中局部支撐結(jié)構(gòu)的制備是在支撐的納米薄膜上進(jìn)行、或者在納米薄膜還未剝離光滑襯底之前進(jìn)行，即在納米薄膜生長后就進(jìn)行納米薄膜上表面的局部支撐結(jié)構(gòu)的制備；局部支撐結(jié)構(gòu)是能形成固體微納米結(jié)構(gòu)的金屬、半導(dǎo)體、或介質(zhì)材料的一種或幾種的組合；局部支撐結(jié)構(gòu)的制備方法是采用微納加工的手段，所述微納加工的手段包括是光學(xué)曝光或者電子束曝光來形成所需的光刻膠圖形，然后利用金屬沉積，溶脫去掉多余的金屬和殘膠后即形成所需的局部支撐結(jié)構(gòu)；或是整體沉積一層局部支撐材料層，然后利用曝光工藝制備出光刻膠的圖形，以光刻膠的圖形為掩模來對(duì)樣品進(jìn)行刻蝕，去掉殘余的光刻膠后即得到所需的納米薄膜表面的局部支撐結(jié)構(gòu)；或是利用電子束或離子束輔助沉積的方法來直接沉積得到納米薄膜表面的局部支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，步驟S8中所述圖形發(fā)生彎曲形變所使用的離子束種類是聚焦離子束，或是寬束離子束；離子束中離子的能量大于500電子伏特。優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，所采用離子束的輻照方式包括對(duì)孔洞支撐襯底及其上所有的微納米圖形結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行輻照，或?qū)δ承﹨^(qū)域進(jìn)行選擇性局部輻照；采用不同的離子束輻照參數(shù)，控制納米薄膜上微納米圖形彎曲程度，并使彎曲的圖形與納米薄膜平面的夾角范圍控制在O到180°之間。優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于，所述離子束輻照參數(shù)包括離子束的能量、劑量、束流、離子束的掃描速度、掃描方式、離子束輻照次數(shù)以及離子束入射角，所述離子束入射角是入射離子束與微納米結(jié)構(gòu)圖形所在平面的夾角。本專利技術(shù)的有益效果本專利技術(shù)中，依次通過納米薄膜在光滑襯底上的生長，納米薄膜與光滑襯底的分離，孔洞支撐襯底的制備，納米薄膜到孔洞支撐襯底的轉(zhuǎn)移，納米薄膜上局部支撐結(jié)構(gòu)與微納米圖形的加工，離子束輻照誘導(dǎo)支撐的納米薄膜平面內(nèi)微納米圖形的三維形變這一系列的工藝過程。這些過程的有機(jī)結(jié)合，其特點(diǎn)在于可通過多種薄膜生長的方法獲得各種薄膜材料，能滿足多領(lǐng)域不同的需求；采用過渡層溶解的方法使薄膜材料與襯底分離，經(jīng)濟(jì)、簡單、實(shí)用；采用微納加工的方法獲得孔洞支撐襯底結(jié)構(gòu)，具有高度的靈活性與可操作性；采用各種微納加工手段在支撐的納米薄膜上進(jìn)行局部支撐結(jié)構(gòu)與微納圖形制備，具有高可控性、高精度、高重復(fù)性等特點(diǎn)；通過離子束輻照，使支撐的薄膜平面內(nèi)的微納米圖形發(fā)生可控的三維形變，具有大面積、高可控、可設(shè)計(jì)、和高效等特點(diǎn)。通過這一技術(shù)制備的自支撐三維微納米結(jié)構(gòu)圖形復(fù)雜、功能獨(dú)特、材料種類齊全。這一技術(shù)可克服傳統(tǒng)微納加工技術(shù)在三維圖形制備中的嚴(yán)重不足，即無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形形狀可設(shè)計(jì)、多功能化、大面積、高效、可控加工的瓶頸。本專利技術(shù)大大擴(kuò)展了三維微納米結(jié)構(gòu)的制備范圍，為新型多功能三維微納器件的加工應(yīng)用提供了新方法。〔維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)陣列的方法的流程圖。〔維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)陣列的方法制備的納米盒子。三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)陣列的方法制備的納米對(duì)折三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)陣列的方法制備的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于薄膜結(jié)構(gòu)的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括步驟：步驟S1：光滑襯底的清洗；步驟S2：在干凈光滑的襯底上制備一層過渡層；步驟S3：在有過渡層的光滑襯底上生長納米薄膜；步驟S4：將有過渡層的光滑襯底上生長納米薄膜放入能溶解過渡層的溶液中，使過渡層溶解并將長在過渡層上的納米薄膜與襯底分離，并使納米薄膜漂浮或懸浮在溶劑液中，由此形成具有漂浮納米薄膜的體系；步驟S5：在支撐襯底上通過微納加工手段制備孔洞或者凹陷結(jié)構(gòu)，制備出具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底；步驟S6：將具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底放入到步驟S4處理完畢的具有漂浮納米薄膜的體系中，移動(dòng)具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底，使納米薄膜附著在具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底上表面，并從溶液中將附有納米薄膜的具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底取出，得到支撐的納米薄膜；步驟S7：在支撐的納米薄膜本體上制備與支撐的納米薄膜局部相連的微納米圖形；或在支撐的納米薄膜上加工或生長局部支撐結(jié)構(gòu)，并且制備與局部支撐結(jié)構(gòu)相連的微納米圖形；步驟S8：對(duì)步驟S7中微納米圖形進(jìn)行離子束輻照，利用離子束的輻照作用，使微納米圖形彎曲變形，形成三維立體薄膜微納米結(jié)構(gòu)，得到三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的成品。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于薄膜結(jié)構(gòu)的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括步驟步驟S1:光滑襯底的清洗；步驟S2 :在干凈光滑的襯底上制備一層過渡層；步驟S3 :在有過渡層的光滑襯底上生長納米薄膜；步驟S4 :將有過渡層的光滑襯底上生長納米薄膜放入能溶解過渡層的溶液中，使過渡層溶解并將長在過渡層上的納米薄膜與襯底分離，并使納米薄膜漂浮或懸浮在溶劑液中， 由此形成具有漂浮納米薄膜的體系；步驟S5 :在支撐襯底上通過微納加工手段制備孔洞或者凹陷結(jié)構(gòu)，制備出具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底；步驟S6 :將具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底放入到步驟S4處理完畢的具有漂浮納米薄膜的體系中，移動(dòng)具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底，使納米薄膜附著在具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底上表面，并從溶液中將附有納米薄膜的具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底取出，得到支撐的納米薄膜；步驟S7 :在支撐的納米薄膜本體上制備與支撐的納米薄膜局部相連的微納米圖形；或在支撐的納米薄膜上加工或生長局部支撐結(jié)構(gòu)，并且制備與局部支撐結(jié)構(gòu)相連的微納米圖形；步驟S8 :對(duì)步驟S7中微納米圖形進(jìn)行離子束輻照，利用離子束的輻照作用，使微納米圖形彎曲變形，形成三維立體薄膜微納米結(jié)構(gòu)，得到三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的成品。2.如權(quán)利要求1所述的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟S2 中所述過渡層的材料是不與步驟SI中的襯底以及所要生長的納米薄膜發(fā)生反應(yīng)的光刻膠、聚合物、表面活性劑、或是家用洗潔精中的一種或幾種的組合，并在納米薄膜生長后仍能溶于所需的溶液即可。3.如權(quán)利要求1所述的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟S3 中納米薄膜的材料是半導(dǎo)體、金屬或絕緣介質(zhì)中的一種或幾種的組合；所述納米薄膜的面積尺寸略大于孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸，略大于孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸是用于將納米薄膜搭接在具有孔洞結(jié)構(gòu)的支撐襯底上；所制備的納米薄膜是單層，或是多層。4.如權(quán)利要求1所述的三維自支撐微納米功能結(jié)構(gòu)的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李無瑕，崔阿娟，劉哲，顧長志，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國科學(xué)院物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：