[發(fā)明專利]一種3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法

有效

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• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111646428B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊光紅;賈彩虹
• 申請（專利權(quán)）人: 河南大學(xué)
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B7/00
• 代理公司: 鄭州芝麻知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41173
• 代理人: 胡向陽

本發(fā)明公開了一種3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法，包括以下步驟：(1)在基板上固定材料源，抽真空處理；(2)聚焦電子束的焦點在上述步驟(1)的材料源表面0?100nm的距離處，形成包含有電子束焦點和表層原子的界面局域區(qū)；(3)控制電子束的焦點按照設(shè)計的3D微/納米結(jié)構(gòu)逐點移動，實現(xiàn)3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。本發(fā)明的構(gòu)筑方法，利用聚焦電子束焦點熱輻射調(diào)控材料源表層原子，使表面原子動能增加，進(jìn)而克服表面能的約束，自表面逃逸，同時界面局域區(qū)原子密度的不均衡及勢能差使材料源的表層原子向低密度區(qū)擴(kuò)散，從而實現(xiàn)在微/納米尺度下三維結(jié)構(gòu)的實時構(gòu)筑，對納米技術(shù)及3D打印的融合發(fā)展起到推動作用，具有較好的應(yīng)用推廣價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法，尤其涉及一種3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法。

背景技術(shù)

在微/納米尺度下，材料的電子、光子及聲子運動規(guī)律受到其微觀結(jié)構(gòu)的限制，這種微/納米結(jié)構(gòu)的限域效應(yīng)使其具有許多新穎的物理和化學(xué)性質(zhì)，在信息、材料、能源和環(huán)境等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，微/納米結(jié)構(gòu)材料的加工制備技術(shù)倍受人們的關(guān)注。

為了實現(xiàn)對材料尺寸、組成和結(jié)構(gòu)的精確控制，人們開發(fā)了一系列的合成和制備方法。大體上可分為自下而上和自上而下兩大類。自下向上的方法，如氣-液-固化學(xué)氣相沉積、固-液-固工藝和自組裝方法等，可以利用材料的固有屬性，如晶體的定向生長，親水性和疏水性等制備從埃到數(shù)百納米的納米材料，這類方法成本低，制備方便快捷等，能夠為納米器件構(gòu)筑提供最基本的材料，但是在對材料結(jié)構(gòu)和尺寸的精確調(diào)控方面較為欠缺，而且要形成功能性微/納米器件，還需要后期復(fù)雜的納米加工組裝工藝；自上向下的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑方法以光刻和電子束刻蝕方法為代表，不僅在器件制造、大規(guī)模集成和可尋址性等方面具有很大的優(yōu)勢，而且在納米結(jié)構(gòu)的加工精度方面也取得了巨大的成功。然而，光刻技術(shù)的不足之處也是很明顯的，如結(jié)構(gòu)加工過程步驟繁瑣復(fù)雜、需要多步的圖形傳輸過程和嚴(yán)格的實驗條件，而且缺乏靈活性，不能實時修改設(shè)計方案等，這顯然不適用于由多種納米材料組成的多功能集成器件，納米系統(tǒng)基本單元之間的電路連接和三維微/納結(jié)構(gòu)實時的、高精度的加工等。

3D打印技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)，可以實現(xiàn)高縱橫比三維結(jié)構(gòu)實時構(gòu)筑。然而，大部分3D打印技術(shù)，如立體光刻(SL)，熔融沉積制造工藝(FDM)，選域激光燒結(jié)(SLS)、選擇性沉積疊片等，加工精度都在100微米以上，不適用于微/納米器件的構(gòu)筑；Lewis等人采用三維噴射打印方法制備了微米以上級別的銀電極。然而，在納米尺度下，表面能的影響越來越重要，這種噴射打印方法的加工精度受到表面能及儀器噴墨探頭孔徑大小的影響，也不適用于微納米器件的構(gòu)筑。3D激光直寫技術(shù)，基于多光子聚合反應(yīng)硬化成型過程，可以實現(xiàn)100/200納米的加工精度，但是原材料主要限于有機(jī)感光單體有機(jī)材料，直接結(jié)果為三維有機(jī)聚合物微納米結(jié)構(gòu)。要想實現(xiàn)金屬氧化物半導(dǎo)體器件，還需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)復(fù)制過程。目前，尋求一種實況的，可以在納米尺度下對材料成型過程進(jìn)行精確控制的微制備技術(shù)，實現(xiàn)3D半導(dǎo)體微納米結(jié)構(gòu)的打印構(gòu)筑，是材料科學(xué)與工程和納米技術(shù)學(xué)科上的難點之一。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法，實現(xiàn)了3D微/納米結(jié)構(gòu)的實況打印，對納米加工技術(shù)及3D打印領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。

本發(fā)明的目的采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法，包括以下步驟：

(1)在基板上固定材料源，抽真空處理；

(2)聚焦電子束的焦點在上述步驟(1)的材料源表面近鄰位置0-100nm距離處，形成包含有電子束焦點和表層原子的界面局域區(qū)；

(3)控制電子束的焦點按照設(shè)計的3D微/納米結(jié)構(gòu)逐點移動，實現(xiàn)3D微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。

進(jìn)一步地，上述步驟(1)中材料源的材質(zhì)為金屬單質(zhì)、金屬原子和其他非金屬原子構(gòu)成的化合物中的一種。