[發明專利]一種三維微納結構器件的制備裝置及方法

有效

• 申請號: 201710063600.6
• 申請日: 2017-02-03
• 公開（公告）號: CN106801248B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 任山;孟嘉欣;洪瀾;孟躍中;肖敏;王拴緊;韓冬梅
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C25D19/00
• 分類號: C25D19/00;C25D3/02;C25D5/04;C25D21/12
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明涉及一種三維微納結構器件的制備裝置及方法，屬于三維微納結構器件制備技術領域。

背景技術

如今許多設備逐漸走向微型化，而設備微型化離不開其中零部件的微型化，傳統的材料制備成型方法諸如切削、沖壓等加工方法無法從精度和尺寸上達到微納結構，顯然已經逐漸不適合用于微型化零部件的加工成型。

超精密切削加工技術是一種可以實現微米級別加工的技術，它基于傳統切削加工方法發展起來的，又與傳統的切削有很大不同。首先，超精密切削加工過程需要克服待加工材料原子之間的結合力，這會在刀刃產生很大的應力和溫度，目前只有單晶金剛石刀具可以滿足這一要求。其次，超精密切削加工需要用到微米級別的金剛石刀具，刀具本身的尺寸限制了此工藝的加工尺寸，也導致此工藝無法進一步微細化。

相比起傳統的加工工藝，在電沉積制造過程中，材料的制備成型均是以離子的尺度進行的，金屬離子的尺寸在十分之一納米甚至更小，因此電沉積制造技術這種加工方法使得它在微納米結構材料制備領域有著極其大的潛能。

電化學制造中基于陰極沉積的增材制造技術被稱為電鑄，在電鑄過程中，電鍍液中的金屬離子不斷向陰極遷移，并沉積在陰極襯底上，直到達到所需要的厚度。然后，沉積層可以被機械等方法剝離，即獲得所需的金屬制品。電鑄具有無損耗、表面無應力、加工表面質量好、與零件材料硬度無關等優點。

雖然電鑄技術理論上在微納結構材料加工上具有極大的優勢，但是傳統電化學加工的加工定域性很差，這限制了它的微納尺度加工能力。加工定域性是指加工區和非加工區材料去除量的比值。在電沉積過程中，對于有電鍍液的陰極表面，只要有電流通過，就會發生金屬沉積，這些沉積的區域可能不僅僅只有期望加工的區域，這會導致工件的形狀出現一些細微的畸變。光刻膠鏤空模板屏蔽法可以提高其定域能力，目前最成熟且最具代表性技術是LIGA和準LIGA。LIGA利用同步輻射X射線源通過特制的圖形化掩模板對感光膠進行照射，然后用顯影液對曝光后的感光膠進行沖洗，得到與掩模板上圖形相對應的鏤空感光膠膜，接著用電沉積方法對這些孔洞進行填充，得到的金屬結構既可以作為最終產品也可以作為模具進行批量化生產。然而LIGA使用的同步輻射X射線源極為稀缺昂貴，這成為其大規模應用的主要障礙。準LIGA技術指的是用紫外線、激光、質子束等代替同步輻射X射線的技術，這些準LIGA技術在分辨率、深寬比方面均比LIGA技術遜色，加工尺寸也無法過于精細。并且，由于曝光光源和掩模板的限制，采用光刻膠鏤空屏蔽模板方式的LIGA和準LIGA技術目前無法獲得特征尺寸在納米尺度的電鑄制品。

近年來發展起來了一種誘導電沉積(localized electro-deposition,LED)。它利用電化學原理在陰極上有選擇地逐步堆積金屬層而形成任意三維微納結構。該技術采用毛細玻璃管作為電鍍液盛放裝置，并且通過毛細玻璃管與陰極所在平臺之間的相對移動來控制電沉積位置，并最終得到所需三維結構。該技術成本較低，也大大提高了定域性，但是此方法中還是存在因為電鍍液本身較強流動性導致定域性不好的問題，所以并不能制成復雜、精細的三維微納結構。

Jie Hu和Min-Feng Yu在SCIENCE上報道了一種用電沉積制造類拱橋狀納米導線的方法。該方法基于上述的誘導電沉積方法，用一個口徑大約在3微米的微型管作為電鍍液釋放裝置，同時用聚焦離子束在管口一側切一口，然后用此管口在適當的移動速度下釋放電鍍液并沉積出了類拱橋狀的納米導線。但是此方法依然存在上述所說的定域能力不強的缺點，無法進一步制造出更復雜或者是更精細的三維微納結構。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現有技術的缺陷，提供了一種三維微納結構的制備裝置，該裝置可以限制電鍍液的流動性，提高電沉積定域性。

本發明的另一目的在于提供一種三維微納結構的制備方法。

本發明的目的可以通過如下技術方案實現：

一種三維微納結構的制備裝置，包括微型電鍍管、容器、待鍍三維微納結構生長的襯底、三軸移動裝置、電源以及控制系統；

所述微型電鍍管內裝有電鍍液，所述容器內裝有與電鍍液不相溶的液體，所述襯底放置在容器內的底部，所述電鍍液為待鍍三維微納結構器件的電鍍液，所述微型電鍍管浸入在容器內的液體中；

所述電鍍液和襯底分別與電源連接，通過電鍍液在襯底上實現三維微納結構的電鍍；所述三軸移動裝置與控制系統連接，用于控制微型電鍍管與襯底之間的相對位置以及移動速度。