[發明專利]一種三維微納折紙結構的制備方法

有效

• 申請號: 201910325468.0
• 申請日: 2019-04-22
• 公開（公告）號: CN110143566B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 顧長志;潘如豪;李俊杰;金愛子;楊海方
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 康正德;關艷芬

本發明提供了一種三維微納折紙結構的制備方法，包括：制備懸空的第一薄膜材料，并在所述第一薄膜材料上旋涂光刻膠；基于第一薄膜材料形成至少一個具有第一預定圖形的第一平面結構；制備第二薄膜材料，并進行溶脫與刻蝕作為樣品備用；將所述樣品置于預設離子束系統中，利用離子束對所述第一平面結構進行輻照獲得卷曲結構；將獲取卷曲結構后的樣品置于聚焦離子束系統中，并利用線掃描和/或線切割使所述卷曲結構折疊，得到三維微納折紙結構。基于本發明提供三維微納折紙結構的制備方法，其機制在于離子束技術在微納尺度上對應力大小的精確控制，并實現了微納尺度的三維卷曲折疊結構的加工，大大提高了三維微納折紙結構的加工靈活性。

技術領域

本發明涉及微納米技術領域與三維器件領域，特別是涉及一種三維微納折紙結構的制備方法。

背景技術

隨著微電子技術的不斷發展，三維彎曲結構的應用逐漸廣泛。相比于二維微納結構，三維結構具有更高的可控自由度，以及更小的體積等優勢。例如在隱身超材料以及負折射率超材料的設計中，都需要三維結構進行制備。而且三維超材料在通過等離激元聚焦實現超透鏡或者光增強器件上也具有重要的作用。此外，等離激元結構的特征尺寸與光波的波長成正比，而且具有亞波長的特點，因此三維微納結構制備上的進步將對三維超材料的應用產生巨大的影響。在三維超材料中，具有卷曲或者折疊結構的光學器件具有比傳統的三維結構更突出的光調控能力，因此現在的器件制備方向主要集中在如何獲得三維微納卷曲折疊結構。此外，在三維電學器件的設計中三維微納結構可以提高電學器件的性能以及集成度，對于高集成度高效率的器件設計具有重要作用。

通常三維結構的加工主要依靠激光直寫以及3D打印等技術，雖然這些技術可以進行復雜三維結構的加工，但是其加工材料受到了較大的限制，一般只適合加工聚合物的三維結構，此外其加工效率較低。為了更靈活的制備三維結構，提出了三維折紙的加工技術，該技術具有與平面加工工藝兼容，制備靈活等特點。這些方法的加工思路主要依靠二維圖形化結構的三維折疊或者卷曲實現，例如壓縮屈曲技術、殘余應力誘導卷曲技術等。這些技術也具有制備方法簡單以及結構多樣性高等優勢，例如壓縮屈曲技術會在被拉伸的柔性襯底上制備二維圖形，該圖形通過幾個連接點與襯底結合在一起，在襯底從拉伸狀態恢復時，二維圖形會被壓縮進而產生屈曲，因此得到了復雜的三維結構。但是采用這些技術存在以下問題：其一，三維結構的特征尺寸一般比較大，在五微米以上，而亞五微米甚至納米級三維結構的加工存在較大的困難；其二，這些結構雖然具有彎曲或者折疊的特性，但是難以加工彎曲特征以及折疊特征在同一個結構中的折微納結構；其三，三維結構在尺寸減小時，其加工速度會顯著減慢，加工成本則顯著提高。以上的種種問題已經嚴重限制了三維微納結構的發展以及實際應用，因此需要采取新的加工技術來快速大面積的加工三維微納結構。

發明內容

本發明提供了一種三維微納折紙結構的制備方法以克服上述問題或者至少部分地解決上述問題。

根據本發明的一個方面，提供了一種三維微納折紙結構的制備方法，包括：

步驟S1、制備懸空的第一薄膜材料，并在所述第一薄膜材料上旋涂光刻膠；

步驟S2、通過曝光的方式在所述第一薄膜材料的表面形成至少一個具有第一預定圖形的第一平面結構；

步驟S3、在形成有所述第一平面結構的第一薄膜材料上制備第二薄膜材料，并進行溶脫與刻蝕后作為樣品備用；

步驟S4、將所述樣品置于預設離子束系統中，利用離子束對所述第一平面結構進行輻照獲得卷曲結構；

步驟S5、將獲取卷曲結構后的樣品置于聚焦離子束系統中，并利用線掃描和/或線切割使所述卷曲結構折疊，得到三維微納折紙結構。

可選地，在所述步驟S1中：

所述第一薄膜材料為通過轉移方法得到的金屬薄膜、介質薄膜中的一種；所述介質薄膜包括氮化硅薄膜窗口、二氧化硅薄膜窗口、硅薄膜窗口中的一種；